Принципиальная схема прямого пуска двигателя

Как следует из названия, прямой пуск означает, что электродвигатель включается прямым подключением к источнику питания при номинальном напряжении. Прямой пуск (direct-online starting - DOL) применяется при стабильном питании двигателя, жестко связанного с приводом, например, насоса.

Преимущества

Прямой пуск от сети DOL является самым простым, дешёвым и самым распространённым методом пуска. Кроме того, он даёт наименьшее повышение температуры в электродвигателе во время включения по сравнению со всеми другими способами пуска. Если поступающий ток от сети не имеет специальных ограничений, такой метод является наиболее предпочтительным.

На электростанциях в разных странах действуют различные правила и нормы; например, в Дании для трёхфазных электродвигателей с током при заторможенном роторе около 60 А нельзя всегда использовать прямой пуск от сети. В таких случаях, очевидно, необходимо выбирать другие методы пуска. Электродвигатели, предназначенные для частых пусков/отключений обычно оборудованы системой управления, которая состоит из контактора и устройства защиты от перегрузок (термореле).

Недостатки

Для электродвигателей небольшой мощности, работающих без частых пусков/остановов, необходимо самое простое пусковое оборудование, чаще всего это расцепитель, управляемый вручную. Напряжение подается непосредственно на клеммы электродвигателя. Для небольших электродвигателей пусковой момент будет составлять от 150 до 300 % от номинального, тогда как пусковой ток будет составлять от 300 до 800 % от номинального значения или даже выше.

Схема пуск «звезда - треугольник»

Что такое пуск переключением «звезда - треугольник»

Целью данного метода пуска, используемого для трёхфазных индукционных электродвигателей, является понижение пускового тока. В момент пуска электропитание к обмоткам статора подключено по схеме «звезда» (Y). Электропитание переключается на схему «треугольник» (Δ), как только электродвигатель разгонится.

Преимущества

Обычно электродвигатели низкого напряжения мощностью больше 3 кВт рассчитаны на напряжение 400 В при соединении по схеме «треугольник» (Δ) или на 690 В при соединении по схеме «звезда» (Y). Такая унифицированная схема соединения может быть также использована для пуска электродвигателя при меньшем напряжении. Соединение по схеме «звезда - треугольник» дает низкий пусковой ток, составляющий всего одну треть тока при прямом пуске от сети. Пускатели «звезда - треугольник» особенно подходят при вращении больших масс, когда нагрузка «подхватывается» после того, как достигается частота вращения при номинальной нагрузке.

Недостатки

Подобные пускатели также понижают и пусковой момент, приблизительно на 33 %. Данный метод можно использовать только для индукционных электродвигателей, которые имеют подключение к напряжению питания по схеме «треугольник».

Если переключение «звезда - треугольник» происходит при слишком низкой частоте вращения, это может вызвать сверхток, который достигает почти такого же уровня, что и ток при «прямом» пуске DOL. Во время небольшого периода переключения «звезда - треугольник» электродвигатель очень быстро теряет скорость вращения, для восстановления которой также требуется мощный импульс тока.

Частотный преобразователь

Преобразователи частоты предназначены для пуска и управления электродвигателем.

Частотные преобразователи - это технические устройства, преобразующие входные сетевые параметры в выходные на различных частотах. Современные инверторы переменного тока обладают широким частотным диапазоном.

Наибольшую актуальность ПЧ приобрели в сфере управления скоростью вращения синхронных и асинхронных электродвигателей. Использование ПЧ в значительной мере позволяет оптимизировать производство, снизить потребление энергоресурсов, и увеличить срок службы подключённого к ним электрооборудования

Преимущества использования ПЧ:

1. управление и контроль скорости вращения электродвигателя
2. защита от бросков напряжения и перегрузок
3. обеспечение плавного пуска и остановки подконтрольного электрооборудования
4. облегчение рабочего процесса при выполнении сложных технических задач
5. устойчивость к продолжительным нагрузкам и импульсным действиям
6. возможность экономии энергоресурсов вплоть до 40-50 %
7. увеличение КПД электродвигателей
8. снижение износа и улучшение механических показателей подключённого оборудования
9. осуществление непрерывного мониторинга технологических параметров и возможность оперативного вмешательства

Электрическая схема ПЧ состоит из двух частей:

1. силовой
2. управляющей

Силовая часть собрана на транзисторах или тиристорах. Управляющая часть имеет вид электрической схемы на цифровых микропроцессорах, которая способна управлять силовыми электрическими составляющими входящих параметров.

Сфера применения ПЧ:

1. пищевая промышленность
2. тяжёлая промышленность
3. лёгкая промышленность
4. средства малой механизации
5. медицинское оборудование
6. насосное оборудование
7. система водоснабжения
8. компрессоры
9. транспорт
10. высокоточные электромеханические станки

Выделяют два этапа преобразования:

1. На первом этапе преобразования входное напряжение (220 В либо 380 В) выпрямляется с помощью диодного моста. Затем, проходя через фильтр, собранный на конденсаторах, «вырезанные» части входного сигнала сглаживаются
2. На этом этапе, из частей выпрямленного напряжения, формируется сигнал желаемой последовательности с необходимыми параметрами амплитуды и частоты. Это достигается при помощи микросхем, способных управлять выходными параметрами

Заданные элементами управления прямоугольные импульсы необходимой частоты передаются двигателю. Индуктивность обмотки статора интегрирует эти импульсы, превращая их в синусоиду.

Преимущества

Преобразователь частоты позволяет снизить пусковой ток, так как электродвигатель имеет жесткую зависимость между током и вращающим моментом.

Недостатки

Преобразователи частоты всё ещё дороже устройств плавного пуска, кроме того, как и устройства плавного пуска, они добавляют в сеть синусоидальные токи.

Подключение частотного преобразователя

Частотный преобразователь используется для изменения частоты напряжения, питающего трехфазный двигатель. Кроме того, частотник позволяет подключить трехфазный электрический двигатель к однофазной сети без потерь мощности. В случае, когда для этих целей применяются конденсаторы, последнее невыполнимо.

Подключение частотника предполагает размещение перед ним автоматического выключателя, работающего с током, равным номинальному (или ближайшему большему в ряду номинальных токов автоматов) потребляемому току двигателя. Если ПЧ адаптирован на работу от трехфазной сети, необходимо задействовать трехфазный автомат, имеющий общий рычаг. Такой подход позволяет в случае короткого замыкания одной из фаз оперативно обесточить и все остальные фазы. Характеристики тока срабатывания должны полностью соответствовать току одной фазы электрического двигателя. Если же частотник предназначен для однофазного питания, имеет смысл применить одинарный автомат, рассчитанный на утроенный ток одной фазы. В любом случае, установка частотника не должна осуществляется путем включения автоматов в разрыв нулевого или заземляющего провода. Здесь подключение выполняется только напрямую.

Далее настройка преобразователя частоты предусматривает присоединение его фазных проводов к соответствующим контактам электрического двигателя. Перед этим необходимо соединить в электродвигателе обмотки по схеме «треугольник» или «звезда». Конкретный тип соединения определяется характером напряжения, вырабатываемого непосредственно преобразователем частоты.

Как правило, на корпусе двигателя приведены два значения напряжения. В ситуации, когда вырабатываемому частотником напряжению соответствует меньшее из указанных, необходимо применить схему «треугольник». В противном случае обмотки соединяются по принципу «звезды».

Пульт управления, входящий в комплект поставки частотного преобразователя, располагают в удобном месте. Подключить его необходимо согласно схеме, приведенной в инструкции к ПЧ. Далее рукоятка устанавливается в нулевое положение и выполняется включение автомата. При этом на пульте загорается световой индикатор. Для работы преобразователя необходимо нажать кнопку «RUN» (запрограммировано по умолчанию). Затем необходимо немного повернуть рукоятку, чтобы электродвигатель начал постепенное вращение. В случае, если двигатель вращается в противоположную сторону, нажимается кнопка реверса. Далее следует настроить рукояткой необходимую частоту вращения. Важно учесть, что на пультах многих частотников отображается не частота вращения электрического двигателя (об/мин), а частота питающего электродвигатель напряжения, выраженная в герцах.

Программирование частотного преобразователя

Программирование ПЧ необходимо для адаптации устройства к техническим параметрам электродвигателя, встраивания электропривода в систему автоматического регулирования и диспетчеризации, его синхронизации с работой других приводов. Оно осуществляется после монтажа ПЧ, выполнения всех подключений в точном соответствии со схемой, проверки правильности электрических соединений силовой и управляющей цепи.

Программирование ПЧ должен проводить специалист по автоматизации, имеющий профильное образование и соответствующую квалификацию.

Многие модели ПЧ узкоспециализированного назначения поставляются со встроенным программным обеспечением от производителя. Их настройка сводится к вводу технических характеристик электродвигателя и незначительной адаптации программ к реальным условиям эксплуатации электропривода. Существуют также модели, определяющие фактические характеристики электродвигателя при включении в режиме тестирования.

Большинство преобразователей общепромышленного назначения имеют открытый доступ к ПО и могут быть адаптированы к электроприводам самого различного промышленного оборудования, в том числе для полностью автоматизированных технологических установок.

Для универсальных ПЧ, интегрированного в системы АСТП привода требуется написание отдельных программ и их настройка и отладка. Программы для типового электропривода различного назначения часто поставляют вместе с ПЧ, их также можно скачать на сайте технической поддержки производителя регуляторов частоты.

Настройка ПЧ требуется:

1. при установке нового электропривода, укомплектованного частотным регулятором. Программирование и наладка ПЧ проводится перед первым пуском двигателя, а также при окончательной настройке ПЧ
2. при замене электрического двигателя или его капитальном ремонте. Фактические характеристики электрического двигателя, бывшего в эксплуатации или после капитального ремонта, могут отличаться от паспортных данных электрической машины. Это требует внесения корректировок в ПО и его повторной наладки
3. при структурном изменении САР, ввода в нее новых устройств и оборудования, любых изменений технологических параметров. Для корректной работы электропривода в составе комплексной АСТП требуется перепрограммирование ПЧ при изменениях в системе

Что необходимо для программирования ПЧ

Задание параметров регуляторов частоты вращения электродвигателей осуществляется при помощи:

1. панели управления, расположенной на самом ПЧ
2. съемного блока управления, поставляемого вместе с ПЧ, который подключается к пульту управления или самому регулятору
3. удаленного ПК, подключаемого непосредственно к соответствующим ходам преобразователя или по одному из протоколов связи, который поддерживает частотный регулятор

Основные характеристики, необходимые для программирования

Каждой характеристике присвоен свой буквенно-цифровой код, который зависит от производителя и конкретной модели ПЧ. Для программирования необходимо рассчитать и ввести следующие основные параметры:

1. режим эксплуатации электродвигателя (усредненное число включений, отключений, реверсов электрической машины в заданный промежуток времени)
2. требуемое время разгона и динамического торможения электродвигателя
3. наибольшую рабочую частоту электрической машины
4. максимальное значение тока в % от номинального
5. условия пуска двигателя при подаче напряжения в сети
6. алгоритм автоматического регулирования, который положен в основу функционирования САР
7. режим сброса ошибок, вызывающих остановку электродвигателя

В процессе программирования также задается назначение аналоговых и дискретных выходов и выходов ПЧ. Входы ПЧ бывают 2-х типов:

1. дискретные входы. Служат для подключения реле, кнопочных станций и других двухпозиционных устройств. При задании их конфигурации можно присвоить каждой кнопке определенное значение частоты ПЧ
2. аналоговые входы с уровнем сигнала 0-10 В и 4-20 мА. Первые используют для подключения потенциометров, предназначенных для бесступенчатой регулировки частоты. Рекомендуемое их сопротивление составляет 1 кОм или более. Токовые входы предназначены для датчиков скорости, положения вала, технологических параметров. По ним осуществляется управление электроприводом по событиям

Перечень вводимых параметров зависит от модели и назначения ПЧ, алгоритма регулирования, особенностей промышленного оборудования. При программировании следует учесть, что некоторые характеристики невозможно изменять при работающем электроприводе.

Перед началом программирования частотных преобразователей необходимо убедиться, что все подключения соответствуют схеме. Далее подают напряжение на ПЧ и осуществляют восстановление заводских настроек. Это осуществляется вводом соответствующей команды или нажатием клавиши “сброс” и последующей перезагрузкой преобразователя частоты.

После возврата к настройкам по умолчанию входят в меню ПЧ и вводят все необходимые параметры. В меню обычно имеются 8 подразделов:

1. Set или установка. В этом разделе осуществляется ввод диапазона рабочих частот, время разгона и торможения электрической машины, настройка уставок защит
2. DrC. Этот пункт предусмотрен для внесения паспортных данных электродвигателя, здесь также вводят параметры регулирования
3. I-O. в этом разделе осуществляется задание назначений выходных и выходных клемм ПЧ. Их можно запрограммировать на подключение датчиков технологических параметров
4. CtL Этот подпункт главного меню служит для конфигурирования управляющих каналов и задания уровня доступа
5. FUn. В этом разделе задаются режимы управления по событиям. Тут программируются параметры ПИД-регулирования, позиционирование вала двигателя в претензионных проводах, управление электромагнитным тормозом, интервал скоростей и другие характеристики, связанные с регулированием технологических параметров
6. FLt. В этом пункте осуществляется задание автоматического управления приводом при возникновении неисправностей и ненормальных режимов работы
7. СОМ. Этот раздел предназначен для выбора протокола обмена данными и параметров связи с удаленными устройствами управления и контроля
8. SUP. Этот пункт служит для индикации внутренних характеристик ПЧ и установленных настроек

Техника безопасности

К работе допускаются лица, достигшие 18 лет, прошедшие медицинский осмотр, прошедшие инструктаж, и получившие наряд допуск.

Вся работа проводится в спецодежде.

Запрещается проверять пальцами совмещение отверстий в собираемых панелях щитов или в полумуфтах (для этой цели используют специальные шаблоны).

При затяжке болтовых соединений полумуфт запрещается: пользоваться вместо гаечных ключей каким-либо другим инструментом; удлинять гаечные ключи другими ключами, отрезками труб и т. д.; пользоваться неисправными гаечными ключами или ключами несоответствующих размеров.

Перед пробным пуском электродвигателя необходимо проверить: крепление фундаментных болтов и прочих элементов оборудования; отсутствие посторонних предметов внутри или вблизи оборудования; наличие защитного заземления.

При работе, связанной с прикосновением к токоведущим частям электродвигателя или к вращающимся частям электродвигателя и приводимого им в движение механизма, необходимо остановить электродвигатель и отключить его от питания.

Запрещается эксплуатировать электродвигатель с поврежденным корпусом.

Ограждение вращающихся частей электродвигателей во время их работы снимать запрещается.

Пускатель выполняет две задачи:

1. отключение и включение 3-фазных электродвигателей от сети питания
2. реверсирование 3-фазных двигателей

Дополнительно в пускатель встраивают тепловое реле, которое защищает электрооборудование от перегрузки в течение длительного времени.

В зависимости от принципа работы магнитные пускатели бывают следующих видов:

• реверсивные и не реверсивные
• защищенные — предназначены для помещений, в среде которых содержится малое количество пыли
• пыленепроницаемые — используются в местах, которые хорошо защищены от атмосферных осадков и прямых солнечных лучей
• открытые — устанавливаются в местах с защитой от пыли, грязи, механического воздействия. Такие приборы ставят в электрощитовых

Магнитный пускатель имеет простое устройство. В его конструкцию входят:

• сердечник с втягивающей катушкой
• якорь
• механический индикатор работы
• вспомогательные контакты
• корпус, изготовленный из ударопрочного пластика
• вспомогательные контакты

Принцип действия магнитного пускателя

На катушку подается напряжение и возникает ток. Во время работы катушки, через которую протекает ток, происходит притяжение якоря к сердечнику. В результате замыкаются силовые контакты.

Вспомогательные контакты также начинают замыкаться или размыкаться (действие зависит от исполнения). Блок вспомогательных контактов подает сигнал в систему управления о запуске или остановке работы прибора.

Когда с катушки снимается напряжение, контакты размыкаются и возвращаются в исходное положение.

Работа реверсивного магнитного пускателя практически не отличается от действия не реверсивного. Различие только в очередности фаз, подключаемых к приборам.

Тепловые реле — это электрические устройства, основным назначением которых является защита двигателя от избыточной нагрузки и, как следствие, перегрузки системы в целом. На сегодняшний день наиболее распространенными являются следующие типы тепловых реле: ТРН, РТИ, РТТ и РТЛ. Необходимость применения тепловых реле обусловлена тем, что долговечность любого оборудования напрямую зависит от того, как часто оно бывает перегружено. Так, при регулярном превышении номинального напряжения происходит нагрев оборудования, что приводит к старению изоляции и, как следствие снижает эксплуатационный срок установок.

Схемы подключения электродвигателей, в которые включено тепловое реле, могут существенно отличаться между собой, в зависимости от технической необходимости и наличия различных устройств. Тем не менее, в каждой из схем тепловое реле обязательно должно подключаться последовательно с катушкой пускателя. Это обеспечивает надежную защиту от перегрузок оборудования. Так, при превышении определенного уровня потребляемого двигателем тока тепловое реле размыкает цепь, тем самым отключая магнитный пускатель и сам двигатель от источника электропитания.

На сегодняшний день наибольшую популярность приобрели тепловые реле, чье действие основано на использовании свойств биметаллических пластин. Для изготовления биметаллических пластин в таких реле используют, как правило, инвар и хромоникелевую сталь. Сами пластины между собой крепко соединяются посредством сварки или же проката. Поскольку одна из пластин обладает большим коэффициентом расширения при нагревании, а другая меньшим, то в случае воздействия на них высокой температуры (например, при прохождении тока через металл), происходит изгиб пластины в ту сторону, где располагается материал с меньшим коэффициентом расширения.

Таким образом, при определенном уровне нагревания биметаллическая пластина прогибается и оказывает воздействие на систему контактов реле, что приводит к его срабатыванию и размыканию электрической цепи. Также необходимо отметить, что в результате низкой скорости процесса прогиба пластины она не может эффективно гасить дугу, которая возникает в случае размыкания электрической цепи. Для того чтобы решить данную проблему, необходимо ускорить воздействие пластины на контакт. Именно поэтому на большинстве современных реле предусмотрены также ускоряющие устройства, которые позволяют эффективно разорвать цепь в минимальные сроки.