Способы пуска электродвигателя
Анализ плавного пуска вентиляторов аппарата воздушного охлаждения газа
Способы пуска электродвигателя
Существуют различные условия нагрузки: [1, стр. 10]
Все двигатели используются для запуска и работы в различных условиях, что подразумевает различную нагрузку на двигатель. Существует два основных фактора, которые необходимо учитывать: крутящий момент тормозной нагрузки и момент инерции.
· Крутящий момент тормозной нагрузки.
Это прямое тормозное усилие на валу двигателя. Для получения ускорения двигатель должен быть мощнее, чем нагрузка. Ускоряющий крутящий момент — это разница между крутящими моментами двигателя и нагрузки. Большое количество способов пуска позволяет снизить крутящий момент двигателя и таким образом уменьшить ускоряющий момент, что увеличит время пуска.
Ускоряющий крутящий момент = крутящий момент двигателя — крутящий момент тормозной нагрузки.
Рис. 1 Крутящий момент тормозной нагрузки
· Момент инерции
Задействованный момент инерции или масса махового колеса зависит от размера маховика, подключенного к оси двигателя. Запуск нагрузок с малым моментом инерции обычно называется нормальным пуском, а с большим — тяжёлым пуском.
· Нормальный пуск
Такому режиму пуска свойственен малый момент инерции, короткое время пуска, и в этих обычно используется реле перегрузки.
Примеры использования — насосы, компрессоры, носовые подруливающие устройства и короткие ленточные конвейеры.
Больший момент инерции требует большего времени пуска для того же двигателя и с таким же крутящим моментом тормозной нагрузки. Данная таблица дает представление о нормальных значениях времени пуска для различных условий нагрузки при трёх различных методах пуска.
· Пуск под большой нагрузкой
Большой момент инерции, большое время пуска, реле перегрузки с классом расцепления 30. Примеры использования — вентиляторы, дробилки, мельницы и длинные ленточные конвейеры.
Существуют различные способы пуска: [3; стр. 252]
§ Прямой пуск.
Данный вид пуска является наиболее распространенным, так как он является наиболее дешевым и компактным. Исходное оборудование включает в себя только линейный контактор, а также тепловое или электронное реле перегрузки. Недостатком этого метода является то, что при нём возникает максимально возможный пусковой ток. Нормальное значение в 6-8 раз выше номинального тока двигателя, но оно может превышать этот ток и в 10-14 раз. Также существует пиковый ток из-за намагниченности, который может быть в 20 раз выше номинального тока, т. к. напряжение на двигателе в момент пуска отсутствует.
Из-за снижения сопротивления в обмотках современные двигатели имеют более высокий пусковой ток, чем старые.
При прямом пуске пусковой крутящий момент также очень высок, и в большинстве случаев он выше необходимого. Это может привести к ненужной высокой нагрузке на приводные ремни, муфты и приводное оборудование. Тем не менее есть ситуации, когда этот метод пуска прекрасно подходит и в иных методах нет никакой необходимости.
  Единственный возможный способ остановки двигателя при прямом пуске — это прямой останов.
Рис. 2 Кривая крутящего момента и график тока при прямом пуске.
§ Пуск по схеме звезда-треугольник
Пускатель со схемой соединения звезда-треугольник, состоит из трех контакторов, реле перегрузки и таймера. Этот метод пуска можно использовать только с двигателем, который в номинальном режиме работы
соединен треугольником.
Основная идея использования такого способа пуска состоит в том, что в начальный момент разгона двигателя, его обмотки соединены звездой, что обеспечивает пониженный ток. По истечении определенного времени подключение меняется на «треугольник», что обеспечит полный ток и крутящий момент.
При подключении по схеме «треугольник» напряжение на каждой обмотке двигателя соответствует напряжению в сети. Ток двигателя разделяется между двумя параллельными обмотками с коэффициентом  от общего тока. Если сопротивление каждой обмотки двигателя равно Z, то сумма сопротивлений для параллельных обмоток —  .
Если двигатель подключен звездой, его обмотки соединены последовательно. Полученное полное сопротивление равно  , в результате чего оно будет в  , т. е. в 3 раза выше сопротивления при подключении по схеме «треугольник». Поскольку уровень напряжения один и тот же, ток при подключении по схеме «звезда» будет составлять 1/3 тока при подключении треугольником. Поэтому при пуске с помощью схемы звезда/треугольник ток при подключении звездой будет равен 33 % от тока двигателя, подключенного треугольником.
Так как напряжение сети неизменно, при соединении звездой напряжение снижается, т. к. напряжение на каждой обмотке двигателя будет составлять линейного напряжения. Данное пониженное напряжение также приведет к снижению крутящего момента. Крутящий момент будет уменьшаться пропорционально квадрату напряжения,  ≈ 0.33 и в конечном итоге будет равен 33% от крутящего момента, доступного при подключении по схеме «треугольник». Тем не менее, это сугубо теоретическое значение. На практике данное значение составляет 25%, т. к. присутствуют дополнительные потери, а также другие особенности, связанные с эффективностью подключения по схеме «звезда». Данный способ пуска наиболее эффективен при пуске без нагрузки или при очень слабо загруженном пуске, однако при пуске двигателя под большой нагрузкой его применение невозможно.
Большая проблема при данном способе пуска появляется при пуске, например, вентиляторов аппарата воздушного охлаждения газа. Двигатель начнет разгоняться до 80-85% от номинальной скорости до того, как момент нагрузки сравняется с крутящим моментом двигателя и ускорение прекратится. Для достижения
номинальной скорости необходимо переключение на треугольник, которое часто приводит к высоким переходным значениям и большого по амплитуде пикового тока. В некоторых случаях пиковый ток может превышать значение тока при прямом пуске.
Кроме того, как и при прямом пуске, единственным способом остановки двигателя при использовании схемы звезда-треугольник является прямой останов.
 
Рис. 3 Кривая крутящего момента и график тока при использовании пускателя со схемой звезда-треугольник.
Рис. 4 Кривая крутящего момента и график тока при запуске центробежных вентиляторов.
§ Преобразователь частоты
Преобразователь частоты также иногда называют VSD (приводом с регулируемой скоростью вращения), VFD (приводом с регулируемой частотой вращения) или просто приводом. Он состоит из двух основных блоков, один из которых преобразует переменный ток (50 или 60 Гц) в постоянный, а второй — преобразует постоянный обратно в переменный, но с частотой 0-250 Гц. Управляя частотой тока, привод может регулировать скорость двигателя.
Во время пуска привод увеличивает частоту от 0 Гц до частоты сети (50 или 60 Гц). Благодаря постепенному увеличению частоты можно считать, что двигатель работает на своей номинальной скорости для данной частоты. Кроме того, поскольку можно считать, что двигатель работает на своей номинальной скорости, номинальный крутящий момент доступен сразу, а ток будет приблизительно равен номинальному. Как правило, привод отключается, если ток превышает номинальный в 1, 5 раза.
 При использовании привода для управления двигателем также можно выполнить плавный останов. Это особенно полезно при останове насосов, т. к. позволяет избежать гидравлического удара, а также повреждения конвейерных лент.
Рис. 5 Кривая крутящего момента и график тока при использовании частотного преобразователя.
Во многих установках необходимо непрерывно регулировать скорость вращения двигателя, для этого очень хорошо подходит частотное регулирование. Тем не менее, во многих случаях привод используется только для запуска и останова двигателя, хотя необходимость в непрерывном регулировании скорости отсутствует. Такое решение является излишне дорогим по сравнению с, например, устройством плавного пуска.
При сравнении устройства плавного пуска и привода последний имеет гораздо большие физические размеры и занимает больше пространства. Привод также намного тяжелее, чем устройство плавного пуска, что делает его менее желательным решением, например, на подвижном транспорте, где вес имеет большое значение. Наконец, так как привод изменяет частоту и фактически создает синусоидальную волну, при его использовании в сети будут появляться г армоники. Для уменьшения влияния данных проблем используются дополнительные фильтры и экранированные кабели, но гармоники, как правило, невозможно устранить полностью.
§ Устройство плавного пуска
Устройство плавного пуска не изменяют частоту или скорость как это делает привод. Вместо этого оно плавно наращивает напряжение, которое подается на двигатель, от начального значения до полного.
Первоначально напряжение на двигателе при пуске настолько мало, что можно регулировать только зазор между зубчатыми колесами или растяжимыми приводными ремнями и т. д., что позволяет избежать резких рывков при пуске. Постепенно напряжение и крутящий момент увеличиваются, а оборудование начинает ускоряться. Одним из преимуществ этого метода пуска является возможность точной регулировки крутящего момента в зависимости от потребностей, и наличия или отсутствия загрузки.
 Использование устройства плавного пуска позволяет уменьшить пусковой ток и тем самым избежать падения напряжения в сети. Также при этом уменьшается пусковой крутящий момент и механические воздействия на оборудование, что снижает необходимость в обслуживании и ремонте. Как и привод, устройство плавного пуска может выполнять плавный останов, устраняя гидроудар и скачки давления в насосных системах и позволяя избежать повреждения хрупкого материала на ленточных конвейерах.
Рис. 6 Кривые крутящего момента и тока при слабо загруженном двигателе с помощью устройства плавного пуска.
Рис. 7 Кривые крутящего момента и тока при сильно загруженном двигателе с помощью устройства плавного пуска.
Произведём сравнение различных методов пуска. Для этих целей воспользуемся Таблицей 1: [1; стр. 20; табл. «Предотвращаемые проблемы»]
Таблица 1
Предотвращаемые проблемы
| Тип проблемы
| Метод пуска
| |
| Прямой пуск
| Пуск по схеме звезда-треугольник
| Приводы
| Устройство плавного пуска
| | Проскальзывание ремней и
сильный износ подшипников
| Нет
| Средний
| Да
| Да
| | Высокий пусковой ток
| Нет
| Да
| Да
| Да
| | Сильный износ коробки передач
| Нет
| Нет (При загруженном двигателе)
| Да
| Да
| | Повреждённые товары/продукция во время останова
| Нет
| Нет
| Да
| Да
|
| Гидравлический удар в трубопроводной системе при останове
| Нет
| Нет
| Да
| Да
| | Максимумы пропускания
| Нет
| Нет
| Да
| Да
| | Расчётная средняя стоимость установки
|
|
| > 12
|
| 1.2 Принцип действия устройства плавного пуска
Описание принципа действия: [2, стр. 2]
Устройство плавного пуска имеет два встречно-направленных тиристора, установленных в каждой фазе. Тиристоры являются полупроводниковыми электронными ключами, и имеют два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости, при котором они пропускают ток. При выполнении плавного пуска сигнал пуска отправляется на тиристоры таким образом, чтобы проходила только последняя часть каждого полупериода синусоидального напряжения (Рис. 8 График пропускания напряжения тиристором при плавном пуске). Во время пуска сигнал пуска отправляется все раньше и раньше, позволяя все большей и большей части напряжения проходить через тиристоры. В конце концов сигнал пуска отправляется точно после прохождения нуля, после чего проходит 100 % напряжения (Рис. 9 График изменение напряжения во время плавного пуска) [17, стр. 361]. Т. к. через тиристоры проходит все больше и больше напряжения, данный процесс можно рассматривать как наращивание напряжения от начального значения к полному. При выполнении плавного останова происходит обратный процесс. В начальный момент времени, через тиристоры проходит полное напряжение, а после подачи команды на останов двигателя, сигнал отправляется все позже и позже, за счет чего че рез тиристоры проходит все меньше и меньше напряжения, вплоть до конечного значения. После этого напряжение на двигатель не подается и двигатель останавливается.
Выкл. Тиристор не проводит напряжение
Вкл. Тиристор проводит напряжение
Рис. 8 График пропускания напряжения тиристором при использовании устройства плавного пуска
Рис. 9 График изменение напряжения при использовании устройства плавного пуска
Так как напряжение на двигателе во время пуска уменьшается, ток и крутящий момент также снижаются. Если напряжение снижается до 50 % от полного значения, ток снизится приблизительно до 50 % от максимального значения на этой скорости, а крутящий момент — приблизительно до 25 %.
Ниже перечислены основные преимущества использования устройства плавного пуска.
Пусковой ток снижается настолько, что это позволяет избежать просадки напряжения в сети. Уменьшается крутящий момент, за счет чего снижается механическое напряжение на оборудование, а также необходимость в обслуживании и ремонте, и увеличивается срок службы оборудования. Наконец с помощью плавного останова устраняется гидроудар в насосных системах и снижается нагрузка на оборудование.
 
Рис. 10 Графики изменения характеристик при использовании устройства плавного пуска
|
