Схема устройства плавного пуска асинхронных двигателей

Схема устройства плавного пуска асинхронных двигателей

Асинхронные электрические машины с короткозамкнутым ротором имеют достаточно низкую стоимость, оптимальное соотношение “мощность-масса”. Их также отличает простота обслуживания и ремонта, надежность. Один из основных недостатков двигателей этой конструкции – увеличение тока в 5-10 раз при пуске. При этом величина напряжения в сети уменьшается. Для устранения нежелательных явлений применяют различные устройства и схемы подключения электродвигателей.

Необходимость плавного запуска

При плавном запуске асинхронного двигателя возможно снизить недостатки таких электрических машин и обеспечить:

  • Снижение затрат на ремонт. Пусковые токи вызывают перегрев обмотки, что существенно снижает эксплуатационный ресурс машин.
  • Отсутствие рывков. Резкий старт двигателя приводит к увеличению износа шестеренчатых передаточных механизмов, гидроударам в сети подачи жидкости, другим нежелательным последствиям.
  • Снижение потребляемой электроэнергии. Прямой пуск вызывает дополнительные энергозатраты. Кроме того, просадки напряжения в условиях ограниченной мощности сети отрицательно влияют на все подключенные устройства.
  • Уменьшение расходов на оборудование коммутации. Электротехнические устройства для асинхронного привода выбирают с большим запасом мощности. Плавный пуск позволяет подключать более дешевые аппараты коммутации и защиты.

Плавный старт и разгон существенно расширяет сферы применения асинхронных электродвигателей.

Способы пуска асинхронных электродвигателей

Для запуска асинхронных двигателей используется разные методы. На практике наибольшее распространение получили следующие способы:

Данный раздел посвящен теоретическим основам частотного регулирования и принципам работы устройства плавного пуска.

Принцип работы преобразователя частоты

Частотный преобразователь — устройство, позволяющее осуществлять регулирование скорости вращения электродвигателей посредством изменения частоты электрического тока.

Для понимания процесса частотного регулирования для начала необходимо вспомнить из курса электротехники принцип работы асинхронного электродвигателя.

Вращение вала электродвигателя происходит за счет магнитного поля создаваемого обмотками статора. Синхронная частота вращения магнитного поля зависит от частоты напряжения питающей сети f и выражается следующей зависимостью:

где p – число пар полюсов магнитного поля.

Под действием нагрузки частота вращения ротора электродвигателя несколько отличается от частоты вращения магнитного моля статора вследствие скольжения s:

Следовательно частота вращения ротора электродвигателя представляет собой зависимость от частоты напряжения питающей сети:

Таким образом требуемую частоту вращения вала электродвигателя n p можно получить путем изменения частоты напряжения сети f. Скольжение при изменении частоты вращения не увеличивается, а соответственно потери мощности в процессе регулирования незначительны.

Для эффективной работы электропривода и обеспечения максимальных значений основных характеристик электродвигателя требуется вместе с частотой изменять и питающее напряжение.

Функция изменения напряжения в свою очередь зависит от характера момента нагрузки. При постоянном моменте нагрузки M c = const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

Для случаев вентиляторного режима:

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

Таким образом, плавное регулирование частоты обеспечивается одновременным регулированием частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя.

Рис 1. Схема частотного преобразователя

На рис. 1. представлена типовая блок-схема низковольтного преобразователя частоты. В нижней части рисунка для каждого блока наглядно изображены графики входных и выходных напряжений и токов.

Сначала напряжение сети (UBX) поступает на вход выпрямителя (1). Далее для сглаживание выпрямленного напряжения (UВЫПР) применяется конденсаторный фильтр (2). Затем уже постоянное напряжение (Ud) подается на вход инвертора (3), где происходит преобразование тока из постоянного обратно в переменный, формируя тем самым выходной сигнал с необходимыми значениями напряжения и частоты. Для получение сигнала синусоидальной формы применяются сглаживающий фильтр (4)

Для более наглядного понимания принципа работы инвертора рассмотрим принципиальную схему частотного преобразователя на рис. 2

Рис. 2 – принципиальная схема низковольтного преобразователя частоты

В основном в инверторах применяется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Принцип данного метода заключается в попеременном включении и выключении ключей генератора, формируя импульсы различной длительности (рис. 3). Синусоидальный сигнал получается за счет индуктивности двигателя или применения дополнительного сглаживающего фильтра.

Рис. 3. Выходной сигнал преобразователя частоты

Таким образом, управляя процессом включения-выключения инверторных ключей, мы можем формировать выходной сигнал нужной частоты, а следовательно управлять технологическими параметрами механизма путем изменения частоты вращения привода.

Теория и принцип работы устройства плавного пуска

В связи с особенностями переходных процессов происходящих во время пуска электродвигателя токи обмоток достигают 6-8 кратной величины номинального тока электродвигателя, а вращающий момент на его валу достигает 150-200% от номинального значения. Как следствие это увеличивает риск поломки механической части двигателя, а также приводит к падению напряжения питающей сети.

Читайте также:  Пена монтажная реалист производитель

Для решение данных проблем на практике применяется устройства плавного пуска электродвигателей, обеспечивающие постепенное увеличение токовой нагрузки.

Помимо снижения токовых нагрузок мягкие пускатели позволяют: .

  • Снизить нагрев обмоток двигателя;
  • Снизить просадки напряжения во время пуска;
  • Обеспечить торможение и последующий запуск двигателя в установленный момент времени;
  • Снизить гидроудары в напорных трубопроводах при работе в составе привода насоса;
  • Снизить электромагнитные помехи;
  • Обеспечить комплексную защиту электродвигателя при пропадании фазы, перенапряжении, заклинивании и пр;
  • Повысить надежность и долговечность системы в целом.

Принцип работы УПП

Типовая схема устройства плавного пуска представлена на рис. 1

Рис. 1. Типовая схема устройства плавного пуска

Изменением угла открытия тиристоров осуществляется регулирования выходного напряжения УПП. Чем больше угол открытия тиристора — тем больше величина выходного напряжения, питающего электродвигатель.

Рис. 2. Формирование выходного напряжения УПП

Принимая во внимание то что величина крутящего момента асинхронного электродвигателя пропорциональна квадрату напряжения, то снижение напряжения снижает величину вращающего момента вала двигателя. При помощи такого метода пусковые токи электродвигателя снижаются до величины 2. 4 IНОМ, при этом время разгона несколько увеличивается. Наглядное изменение механической характеристики асинхронного электродвигателя при понижении напряжении показано на рис. 3

Рис 3. Механические характеристика двигателя

Снижение токовой нагрузки в процессе мягкого пуска электродвигателя наглядно показаны на рис. 4.

Рис. 4. Диаграмма плавного пуска асинхронного электродвигателя показана

На рис. 1. продемонстрирована типовая схема устройства плавного пуска однако стоит отметить, что реальная схема мягкого пускателя будет завесить в первую очередь от условий его эксплуатации. Например, для бытового бытовой инструмента и электродвигателя привода промышленной дробилки требуются различные устройства плавного пуска. Важнейшими параметрами, определяющими режимы работы устройств плавного пуска, являются время пуска и максимальное превышение по току.

В зависимости от этих параметров выделяют следующие режимы работы устройств плавного пуска:

  • Нормальный: пуск 10-20 секунд, ток при пуске не более 3,5 Iном.
  • Тяжелый: пуск порядка 30 секунд, тока при пуске не превышает 4,5 Iном
  • Сверхтяжелый: время разгона не ограничено, системы с большое инерцией, пусковой ток в диапазоне 5,5…8 Iном

Устройства плавного пуска можно разделить на следующие основные группы:

1. Регуляторы пускового момента
Данный тип устройств осуществляет контроль только одной фазы трехфазного двигателя. Контроль одной фазой дает возможность снижать пускового момент электродвигателя двигателя, но при этом снижение пускового тока происходит незначительное. Устройства данного типа не могут применяться для уменьшения токовых нагрузок в период пуска, а также для пуска высокоинерционных нагрузок. Однако они нашли применение в системах с однофазными асинхронными электродвигателями.

2. Регуляторы напряжения без обратной связи
Данный тип устройств работает по следующему принципу: пользователь задает величину начального напряжения и время его нарастания до номинальной величины и наоборот. Регуляторы напряжения без обратной связи могут осуществлять контроль как двух так и трех фаз электродвигателя. Такие регуляторы обеспечивают снижение пускового тока снижением напряжения в процессе пуска.

3. Регуляторы напряжения с обратной связью
Данный тип УПП представляет собой более совершенную модель описанного выше устройств. Наличие обратной связи по позволяет управлять процессом увеличения напряжения добиваясь оптимального режима пуска электродвигателя. Данные о токовой нагрузке позволяет также организовать комплексную защиту электродвигателя от перегрузки, перекоса фаз и т.п.

4. Регуляторы тока с обратной связью
Регуляторы тока с обратной связью представляют собой наиболее совершенные устройства плавного пуска. Принцип работы основан на прямом регулировании тока а не напряжения. Это позволяет добиться наиболее точное управление пуском электродвигателя, а также облегчает настройку и программирование УПП.

Асинхронные электродвигатели, помимо очевидных преимуществ имеют два существенных недостатка – большой пусковой ток (до семи раз больше номинального) и рывок на старте. Данные недостатки негативно влияют на состояние електросетей, требуют применения автоматических выключателей с соответствующей времятоковой характеристикой, создают критические динамические нагрузки на оборудование.

Читайте также:  Цветущие кустарники многолетники зимостойкие для урала

С эффектом запуска мощного асинхронного двигателя знакомы все: «проседает напряжение и сотрясается все вокруг электродвигателя. Поэтому, для уменьшения негативных воздействий были разработаны способы и схемы, позволяющие смягчить рывок и сделать запуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором более плавным.

Способы плавного пуска асинхронных двигателей

Кроме негативного влияния на цепи питания и окружение, стартовый импульс электродвигателя вреден и для его обмоток статора, ведь момент увеличенной силы при запуске прикладывается к обмоткам. То есть, сила рывка ротора усиленно давит на обмоточные провода, тем самым убыстряя износ их изоляции, пробой которой называют межвитковым замыканием.

Иллюстрация принципа действия асинхронного электродвигателя

Поскольку конструктивно нельзя уменьшить пусковой ток, придуманы способы, схемы и аппараты, обеспечивающие плавный пуск асинхронного двигателя. В большинстве случаев, на производствах с мощными линиями питания и в быту данная опция не является обязательной – так как колебания напряжения и пусковые вибрации не оказывают существенного влияния на производственный процесс.

Графики изменения токов при прямом запуске и при помощи устройств плавного пуска

Но существуют технологии, требующие стабильных, не превышающих норм параметров, как электроснабжения, так и динамических нагрузок. Например – это может быть точное оборудование, работающее в одной сети с чувствительными к напряжению потребителями электроэнергии. В этом случае, для соблюдения технологических норм для мягкого запуска электродвигателя применяют различные способы:

  • Переключение звезда – треугольник;
  • Запуск при помощи автотрансформатора;
  • устройства плавного пуска асинхронного двигателя (УПП).

В приведенном ниже видео перечислены основные проблемы, возникающие при запуске электродвигателя, а также описаны достоинства и недостатки различных устройств плавного пуска асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.


По-иному УПП еще называют софт стартерами, от английского «soft» – мягкий. Ниже будут кратко описаны виды и предлагаемые опции в широко распространенных УПП (софт стартерах). Также вы можете ознакомиться с дополнительными материалами по устройствам плавного пуска

Промышленные софт стартеры для электродвигателей различной мощности

Ознакомление с принципом плавного запуска

Для того, чтобы осуществить плавный пуск асинхронного электродвигателя максимально эффективно и с минимальными затратами, приобретая готовые софт стартеры, необходимо прежде ознакомиться с принципом действия подобных устройств и схем. Понимание взаимодействия физических параметров позволит сделать оптимальный выбор УПП.

При помощи устройств плавного пуска можно добиться снижения пускового тока до значения трехкратного превышения номинального (вместо семикратной перегрузки)

Для плавного пуска асинхронного электродвигателя необходимо уменьшить пусковой ток, что позитивно скажется как на нагрузке электросети, так и на динамических перегрузках обмоток двигателя и приводных механизмов. Достигают уменьшения пускового тока, снижая напряжение питания электродвигателя. Заниженное пусковое напряжение используется во всех трех предложенных выше способах. Например, при помощи автотрансформатора пользователь самостоятельно занижает напряжение при запуске, поворачивая ползунок.

Понижая напряжение на старте можно добиться плавного запуска електродвигателя

При использовании переключения «звезда-треугольник» меняется линейное напряжение на обмотках электродвигателя. Переключение осуществляется при помощи контакторов и реле времени, рассчитанное на время запуска электродвигателя. Подробное описание плавного пуска асинхронного электродвигателя при помощи переключения «звезда-треугольник» имеется на данном ресурсе по указанной ссылке.

Схема переключения «звезда-треугольник» с использованием контакторов и реле времени

Теория осуществления плавного запуска

Для понимания принципа плавного старта необходимо понимание закона сохранения энергии, необходимой для раскрутки вала ротора электромотора. Упрощенно можно считать энергию разгона пропорциональной мощности и времени, E = P*t, где P – мощность, равная умножению силы тока на напряжение (P = U*I). Соответственно, E = U*I *t. Поскольку для уменьшения пускового момента и снижения нагрузок на сеть необходимо уменьшить стартовый ток I, то сохраняя уровень потраченной энергии нужно увеличить время разгона.

Увеличение времени разгона за счет снижения пускового тока возможно только при небольшой нагрузке на валу. Это является основным недостатком всех УПП

Поэтому для оборудования с тяжелыми условиями старта (большой нагрузкой на валу во время запуска), применяются специальные электродвигатели с фазным ротором. Узнать о свойствах данных двигателей можно из соответствующего раздела в статье на данном ресурсе, перейдя по ссылке.

Читайте также:  Поделки из мелких шишек

Звигатель с фозім ротором, необходим для оборудования с тіжелім запуском

Также необходимо учитывать, что во время мягкого запуска происходит увеличенный нагрев обмоток и электронных силовых ключей пускового устройства. Для охлаждения полупроводниковых ключей необходимо использование массивных радиаторов, которые увеличивают стоимость аппарата. Поэтому уместно использование УПП для кратковременного разгона двигателя с дальнейшим шунтированием ключей прямым напряжением сети. Подобный режим (переключение байпас) делает компактней и дешевле электронное устройство плавного пуска асинхронных двигателей, но ограничивает количество запусков в определенном интервале ввиду требуемого времени для охлаждения ключей.

Структурная схема шунтирования силовых полупроводниковых ключей (байпас)

Основные параметры и характеристики УПП

Ниже в тексте будут приведены схемы аппаратов плавного запуска для изучения и собственноручного изготовления. Для тех, кто не готов осуществить плавный пуск асинхронного электродвигателя своими руками, полагаясь на готовое изделие, будет полезной информация о существующих разновидностях софт стартеров.

Пример аналогово и цифрового УПП, в модульном исполнении (устанавливается на DIN-рейку)

Одним из главных параметров при выборе УПП является мощность обслуживаемого электромотора, выраженная в киловаттах. Не менее важным является время разгона и возможность регулировки интервала запуска. Данными характеристиками обладают все существующие софт стартеры. Более совершенные УПП являются универсальными и позволяют настраивать параметры мягкого запуска в широком диапазоне значений относительно характеристик двигателя и требований технологического процесса.

Пример универсального софтстартера

В зависимости от типа софт стартера в них могут присутствовать различные опции, повышающие функциональность аппарата и позволяющие осуществлять контроль работы электродвигателя. Например, при помощи некоторых УПП возможно осуществление не только плавного запуска электромотора, но и его торможение. Более совершенные софт стартеры осуществляют защиту двигателя от перегрузок и позволяют также регулировать вращательный момент ротора при пуске, останове и работе.

Пример различий в технических характеристиках различных УПП от одного производителя

Разновидности софт стартеров

По способу подключения УПП подразделяются на три вида:

    Однофазные. Регулируют пусковое напряжение на одной фазе для уменьшения пускового момента. Обладают ограниченной функциональностью и не снижают пусковой ток. В виду удешевления полупроводниковых силовых ключей, однофазные УПП применяются редко.

Структурная схема однофазного УПП
Двухфазные. Осуществляют регулировку пускового тока по двум фазам, что позволяет улучшить динамические характеристики запуска двигателя, но не решают проблему с несимметричной «просадкой» напряжения. Используется в основном радиолюбителями, осуществляющими плавный пуск асинхронного электродвигателя своими руками, схема устройства приведена ниже.

Структурная схема двухфазного УПП
Трехфазные. Дают максимально возможное уменьшение пускового момента, снижая пусковой ток до минимально возможной трехкратной перегрузки. Позволяют осуществлять большой набор функций помимо плавного разгона – регулировку момента, торможение, слежение за параметрами, дистанционное управление, защиту от тепловых перегрузок, и т. д.

Структурная схема трехфазного УПП

УПП своими руками

Для самостоятельного изготовления УПП используемая схема плавного пуска асинхронного двигателя своими руками будет зависеть от возможности и навыков мастера. Самостоятельное смягчение пусковых перегрузок при помощи автотрансформатора доступно практически любому пользователю без специальных знаний, но данный способ является неудобным ввиду необходимости ручной регулировки старта электродвигателя. В продаже можно встретить недорогие устройства плавного запуска, которые придется самостоятельно подключить к электроинструменту, не обладая глубокими познаниями в радиотехнике. Пример работы до и после софт стартера, а также его подключение показано на видео ниже:


Для мастеров, обладающих общими знаниями в электротехнике, и владеющих практическими навыками электромонтажа подойдет для собственноручного осуществления плавного запуска схема переключения «звезда-треугольник». Данные схемы, несмотря на их солидный возраст, широко распространены и успешно используются по сей день ввиду простоты и надежности. В зависимости от квалификации мастера в сети интернет можно найти схемы УПП для повторения своими руками.

Пример схемы относительно простого двухфазного УПП

Современные софт стартеры имеют внутри сложную электронную начинку из множества электронных деталей, работающих под управлением микропроцессора. Поэтому для изготовления аналогичного УПП своими руками по имеющимся в сети интернет схемам необходимо не только мастерство радиолюбителя, но и навыки программирования микроконтроллеров.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector