Устройство плавного пуска

Устройство плавного пуска (также софт-стартер, от англ. soft starter) — это электромеханическое или электронное устройство, предназначенное для ограничения пускового тока и механических нагрузок на электродвигатель и приводимое им в движение оборудование в момент запуска. Основная функция устройства — обеспечение контролируемого увеличения напряжения на обмотках статора асинхронного двигателя от начального значения до номинального в течение заданного интервала времени, что позволяет избежать резких рывков, гидравлических ударов и перегрузок питающей сети.

Принцип действия

При прямом пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором пусковой ток может превышать номинальный в 5–7 раз. Это вызывает значительные просадки напряжения в сети, ударные механические нагрузки на редукторы, муфты и исполнительные механизмы, а также ускоренный износ обмоток двигателя. Устройство плавного пуска решает эту проблему путём фазового регулирования напряжения.

Тиристорное регулирование

Наиболее распространённый тип софт-стартеров основан на использовании двух встречно-параллельно включённых тиристоров (или симистора) в каждой фазе питающей линии. В начальный момент времени тиристоры закрыты, и напряжение на двигатель не подаётся. После получения команды «Пуск» управляющая электроника начинает открывать тиристоры с задержкой относительно момента перехода сетевого напряжения через ноль. Чем больше задержка, тем меньшая часть полуволны напряжения проходит на нагрузку. Постепенно, по заданному алгоритму (обычно линейному или S-образному закону), угол открытия тиристоров уменьшается, и напряжение на двигателе плавно возрастает до номинального. Длительность процесса разгона задаётся пользователем и может составлять от 1 до 30 секунд.

Шунтирование (байпас)

После завершения разгона и выхода двигателя на номинальную частоту вращения тиристоры шунтируются контактором (байпасным реле). Это необходимо по двум причинам: во-первых, на тиристорах в открытом состоянии рассеивается мощность (падение напряжения около 1–1,5 В на каждом), что приводит к их нагреву; во-вторых, в установившемся режиме тиристоры не требуются, и их отключение повышает общий КПД системы. В режиме останова (если предусмотрено плавное торможение) контактор отключается, и управление снова переходит к тиристорам.

Устройство и основные компоненты

Конструктивно устройство плавного пуска состоит из следующих основных узлов:

• Силовой блок — тиристоры или симисторы, установленные на радиаторах для отвода тепла. В мощных моделях применяются тиристорные модули с принудительным воздушным охлаждением.
• Блок управления — микроконтроллер или специализированная микросхема, реализующая алгоритм разгона/торможения, защитные функции и интерфейс связи.
• Байпасный контактор — электромагнитное реле или контактор, шунтирующий силовые ключи после завершения пуска.
• Цепи управления и защиты — трансформаторы тока для измерения фазных токов, датчики температуры радиатора, схемы синхронизации с сетью, цепи гальванической развязки.
• Интерфейс пользователя — потенциометры, DIP-переключатели на простых моделях или цифровой дисплей с кнопками на программируемых устройствах.
• Корпус — металлический или пластиковый кожух со степенью защиты от IP20 (для установки в шкафах) до IP65 (для автономной работы в пыльных и влажных средах).

Классификация

Устройства плавного пуска классифицируются по нескольким признакам.

По типу управления

• Аналоговые — настройка параметров (время разгона, начальное напряжение) осуществляется потенциометрами. Отличаются простотой и низкой стоимостью, но ограниченной точностью.
• Цифровые (программируемые) — параметры задаются через меню на дисплее или с помощью ПО. Позволяют настраивать множество режимов: несколько профилей разгона, защиту от перегрузки, контроль тока, работу с обратной связью.

По количеству управляемых фаз

• Двухфазные — управляют двумя фазами, третья фаза подключена напрямую. Обеспечивают достаточное снижение пускового тока для большинства применений, но не дают полной симметрии.
• Трёхфазные — управляют всеми тремя фазами. Обеспечивают максимально плавный пуск, возможность реверса и торможения. Используются для ответственных механизмов и двигателей большой мощности.

По функциональным возможностям

• Стандартные — только функция плавного пуска.
• С функцией плавного останова — позволяют контролировать снижение напряжения при отключении, что важно для насосов (предотвращение гидроудара) и конвейеров (предотвращение опрокидывания груза).
• С функцией торможения — могут подавать на двигатель постоянный ток или реализовывать динамическое торможение для быстрой остановки.
• С защитными функциями — встроенная защита от перегрузки по току, обрыва фазы, перекоса фаз, перегрева, заклинивания ротора.

Применение

Устройства плавного пуска широко применяются в промышленности, коммунальном хозяйстве и других отраслях, где используются мощные асинхронные двигатели.

Насосное оборудование

В системах водоснабжения, канализации и отопления софт-стартеры предотвращают гидравлические удары в трубопроводах при пуске и остановке насосов. Это продлевает срок службы запорной арматуры, уплотнений и самих труб.

Конвейерные системы

При пуске ленточных конвейеров плавное нарастание момента исключает проскальзывание ленты и её разрыв, а также предотвращает опрокидывание транспортируемого груза.

Вентиляция и компрессоры

Для вентиляторов с большим моментом инерции плавный пуск снижает механические нагрузки на лопатки и подшипники. В поршневых компрессорах софт-стартеры уменьшают пульсации давления и износ клапанной группы.

Дробилки и мельницы

В горнорудной и строительной промышленности устройства плавного пуска используются для запуска мощных дробилок и шаровых мельниц, где прямой пуск приводит к перегрузке сети и поломке редукторов.

Лифты и подъёмные механизмы

Плавный пуск лебёдок обеспечивает комфорт для пассажиров и снижает износ канатов и тормозных систем.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Снижение пускового тока в 2–4 раза по сравнению с прямым пуском.
• Уменьшение механических ударных нагрузок на оборудование.
• Защита питающей сети от просадок напряжения.
• Увеличение срока службы электродвигателя и приводимого механизма.
• Компактные размеры по сравнению с частотными преобразователями.
• Относительно низкая стоимость (в 2–5 раз дешевле частотного преобразователя аналогичной мощности).
• Простота монтажа и настройки.

Недостатки

• Невозможность регулирования частоты вращения в установившемся режиме (только пуск и останов).
• Выделение тепла на тиристорах в процессе разгона (требуется охлаждение).
• Ограниченная функциональность по сравнению с частотным преобразователем.
• Для некоторых типов нагрузок (например, с высоким пусковым моментом) может потребоваться завышение мощности софт-стартера.
• При работе с двигателями, имеющими встроенную защиту от перегрева (PTC-термисторы), необходима дополнительная настройка.

Основные производители

На мировом рынке устройств плавного пуска представлены как крупные электротехнические концерны, так и специализированные компании. К числу ведущих производителей относятся:

• ABB (Швейцария/Швеция) — серии PST, PSE, PSR.
• Schneider Electric (Франция) — серии ATS, Altistart.
• Siemens (Германия) — серии SIRIUS 3RW.
• Danfoss (Дания) — серия MCD.
• Emerson (США) — серия SS.
• Российские производители: ООО «Веспер» (серия SS), ООО «Электропривод» (серия БПУ), «Энергия» (серия ES).

Сравнение с частотным преобразователем

Устройства плавного пуска и частотные преобразователи (ЧП) решают разные задачи. Софт-стартер обеспечивает только плавный разгон и остановку, не изменяя частоту вращения двигателя. ЧП, помимо плавного пуска, позволяет регулировать скорость в широком диапазоне, поддерживать заданный момент и экономить электроэнергию. Однако ЧП значительно дороже, сложнее в настройке и требует более квалифицированного обслуживания. Для приложений, где регулировка скорости не требуется (насосы, вентиляторы, конвейеры с постоянной нагрузкой), устройство плавного пуска является оптимальным решением.

Источники

1. Белов М. П., Новиков В. А. «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов». — М.: Энергия, 2018.
2. Кацман М. М. «Электрические машины». — М.: Академия, 2019.
3. Техническая документация ABB на серии PST/PSE/PSS (2019).
4. Руководство по эксплуатации устройств плавного пуска Schneider Electric Altistart 48 (2020).
5. ГОСТ Р 52776-2007 «Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики».