Электрификация промышленности

Введение.

С момента появления  первого электродвигателя инженеры искали пути устранения электрических  и механических проблем, которые  возникают при использовании  пуска непосредственной подачей  напряжения и переключением звезда-треугольник. Броски и импульсы тока, а также  чрезмерный механический износ, возникающий  при пуске электродвигателей, уменьшают  ресурс и срок службы оборудования, а также приводят к нестабильной работе питающей сети. Частично решить перечисленные проблемы при запуске, возможно с применением метода пуска  звезда-треугольник, но данный способ не обеспечивает плавного останова и  не позволяет гибко регулировать в момент пуска и останова характеристики электродвигателя, что делает невозможным  использование этого метода во многих областях применения. Обеспечить наиболее эффективное решение большинства  проблем, связанных с запуском и  остановом электродвигателей, возможно с применением современных устройств плавного пуска, тем самым гарантируя надежную и продолжительную работу дорогостоящего технологического оборудования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Принцип действия.

Регулирование напряжения осуществляется системой импульсно-фазового управления посредством изменения  угла открытия тиристоров. Чем больше угол открытия тиристора - тем больше будет значение напряжения, прикладываемого  к двигателю. А так как вращающий  момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения, то одновременно с ограничением напряжения происходит и снижение ударных пусковых моментов. Благодаря плавному повышению напряжения на двигателе обеспечивается снижение пусковых токов до уровня 2...4 I_НОМ, при этом время запуска двигателя остается малым, хотя и увеличивается по сравнению со временем прямого пуска.

При различных  параметрах токоограничения двигателя в процессе пуска получаются различные механические характеристики двигателя. При этом следует отметить, что, несмотря на наличие перегрузки по току 2...3 I_НОМ, при низких скоростях вращения (в начале пуска), момент, развиваемый двигателем, существенно ниже номинального. Этот факт приводит к тому, что применение УПП для пуска механизмов с большим статическим моментом на валу при низких скоростях вращения возможен только с существенной перегрузкой по току. Эта перегрузка может быть сопоставима с токовой перегрузкой, возникающей при прямом пуске таких механизмов.

Следует также  учитывать, что независимо от значения и характера изменения нагрузки на валу пуск двигателя с использованием УПП при перегрузке по току менее 1,5 I_НОМ практически невозможен. Для пуска механизмов с большим моментом трогания в УПП предусматривается возможность подачи отрывающего импульса (кик-старта). После окончания разгона двигателя в УПП имеется возможность переключения двигателя на сеть с использованием внешнего шунтирующего (обводного) контактора. При этом при включенном контакторе УПП также обеспечивает все необходимые защитные функции двигателя

 
 
 
 
 
 
 

Сравнение различных методов  пуска.

Пуск  прямой подачей напряжения .

Этот метод остается самым распространенным способом пуска, имеющимся на рынке. Пусковое оборудование состоит из главного контактора и теплового или электронного реле перегрузки. Недостатком этого метода является самый большой пусковой ток, по сравнению с другими методами. Обычно его величина в 6 -7 раз превышает номинальный  ток мотора, однако бывают случаи превышения и в 9 - 10 раз. Эти величины зависят от конструкции и размера мотора, при этом менее мощные моторы имеют большие относительные пусковой и импульсный токи. При пуске прямой подачей напряжения стартовый крутящий момент также весьма велик и в большинстве случаев больше необходимого. Крутящий момент эквивалентен силе, а чрезмерные усилия ведут к ненужным перегрузкам трансмиссии и приводимых механизмов. Тем не менее есть ситуации, когда этот метод пуска прекрасно работает.

 
 

Пуск  переключением соединения звезда-треугольник.

 Этот метод пуска уменьшает пусковой ток и стартовый крутящий момент.  Пусковое устройство обычно состоит из трех контакторов, реле перегрузки и таймера, задающего время нахождения в состоянии соединения звездой (пусковое положение). Мотор должен в нормальном режиме работы иметь соединение треугольником, чтобы этот метод мог использоваться.  В этом случае пусковой ток составляет около 30 % от пускового тока, возникающего при пуске прямой подачей напряжения, а стартовый крутящий момент будет на 25 % меньше стартового крутящего момента, возникающего при пуске прямой подачей напряжения. Этот способ пуска применим только при небольшой нагрузке со стороны приводимого механизма во время пуска. Если мотор сильно нагружен, крутящий момент может оказаться недостаточным для разгона мотора до скорости, при которой будет производиться переключение на треугольник. Например, при пуске насосов или вентиляторов крутящий момент невысок в начале работы и возрастает пропорционально квадрату скорости. При достижении примерно 80%-85 % от номинальной скорости мотора крутящий момент нагрузки будет равен крутящему моменту мотора и разгон прекратится. Для достижения номинальной скорости необходимо переключение на треугольник, что зачастую приводит к возникновению пиковых нагрузок в трансмиссии и пиковых токов. В некоторых случаях, пиковый ток может даже превысить пусковой ток, возникающий при пуске прямой подачей напряжения. Если же в момент запуска крутящийся момент нагрузки превышает 50 % от номинального крутящего момента мотора, запуск с помощью переключения соединения звезда-треугольник становится невозможным.

 
 
 
 
 

Преобразователь частоты.

  Преобразователи частоты иногда называют  VSD (Привод переменной скорости), VFD (Привод переменной частоты) или просто приводы, что, вероятно, является наиболее употребительным названием. Привод состоит из двух основных блоков. Первый преобразует напряжение переменного тока (50 или 60 Гц) в постоянный ток, а второй преобразует напряжение постоянного тока обратно в переменное, но с регулируемой частотой 0%250 Гц. Поскольку скорость работы мотора зависит от частоты, это позволяет управлять скоростью работы мотора путем изменения частоты напряжения на выходе привода, что является большим преимуществом, если во время работы мотора требуется регулировка скорости. В большинстве случаев, привод используется только для пуска и остановки мотора несмотря на то, что скорость мотора не нужно регулировать во время обычной работы. Безусловно, это требует использования более дорогого оборудования, чем необходимо. За счет управления частотой, номинальный крутящий момент может быть достигнут на низкой скорости, при этом пусковой ток составляет 1 % 1.5 от номинального тока мотора. Другой полезной функцией является мягкая остановка, которая очень полезна, например, для остановки насосов, когда при обычной остановке может возникнуть проблема водяного удара в трубопроводе. Функция мягкой остановки также полезна при остановке ленточных конвейеров при транспортировке хрупких материалов, которые могут быть повреждены при резкой остановке ленты. Как правило вместе с приводом устанавливаются фильтры, чтобы уменьшить уровень излучений и генерируемых гармоник . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Система плавного пуска.

Система плавного пуска имеет характеристики, отличающиеся от остальных методов пуска. Она содержит тиристоры в основном контуре, а напряжение на моторе регулируется с помощью электронной печатной платы. В основе работы системы плавного пуска лежит тот принцип, что при малом напряжении на моторе пусковой ток и крутящийся момент также малы. На первом этапе запуска напряжение, подаваемое на мотор настолько мало, что позволяет только выбрать зазоры в редукторах или натянуть приводные ремни или цепи. Другими словами, это позволяет избежать ненужных рывков при пуске. Постепенно напряжение и крутящий момент возрастают, и механизмы начинают разгоняться. Одним из преимуществ этого метода пуска является возможность точной регулировки крутящего момента, независимо от того, есть ли нагрузка приводимого механизма. В принципе, можно достичь полного стартового крутящего момента, однако существенным отличием является более бережное отношение к приводимому механизму, что в результате выражается в снижении затрат на техническое обслуживание. Другой функцией системы мягкого пуска является мягкая остановка, которая весьма полезна при остановке насосов, если при использовании систем пуска с переключением звезда-треугольник или прямой подачи напряжения возникают ударные нагрузки в трубопроводах. Функция мягкой остановки также может использоваться при остановке ремней конвейеров для предохранения материалов от повреждений, которые могут возникнуть при резкой остановке ленты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

 
 

Области применения плавного пуска.

Основная область  применения УПП - механизмы с большой  инерционностью и насосной (вентиляторной) характеристикой нагрузки. При выборе УПП необходимо учитывать характер работы механизма.

Насосное  оборудование

При работе насосов  необходимо избегать гидравлических ударов, которые могут вызвать повреждения как самого насоса, так и трубопроводов и обратных клапанов. Осуществление плавного запуска и останова привода насосов с помощью УПП существенно снижает интенсивность гидравлических ударов, что позволяет увеличить период между профилактическими ремонтами оборудования и снизить вероятность аварийных остановок насосов из-за высоких механических нагрузок.

Использование УПП позволяет практически полностью  устранить гидравлический удар, возникающий  при отключении насосного агрегата. Кроме того, УПП позволяет произвести с малой перегрузкой пуск дополнительного  насосного агрегата на полностью  открытую задвижку и заполненный  трубопровод. Однако использование  УПП для плавного пуска насосных агрегатов на незаполненный трубопровод  с целью предотвращения гидроудара является ошибочным, так как время  полного заполнения трубопроводной системы значительно превышает  возможности УПП. Поэтому после  выхода на номинальную частоту заполнение трубопровода осуществляется с той  же скоростью, как и при прямом пуске насосного агрегата. Применение УПП позволяет снизить интенсивность  гидроудара при пуске насосного  агрегата на незаполненный трубопровод, но не устраняет его полностью! Например, при использовании УПП на КНС  нормальный безаварийный пуск насосов  невозможен без камеры гашения напора, а гидроудар при останове насосного  агрегата практически отсутствует.

Вентиляторное о борудование

Вентиляторы в  большинстве случаев характеризуются  очень большими значениями момента  инерции (возможно от 10- до 200-кратного значения момента инерции двигателя), приводящими к длительным пускам. При этом при прямом пуске двигатели  длительное время подвергаются воздействию  ударных токов, а на вал двигателя  передаются значительные механические усилия. Это приводит к перегреву  обмоток и быстрому износу подшипников. В вентиляторном оборудовании часто применяются ременные передачи; при прямом пуске возможно проскальзывание и разрыв ремней. Применение УПП позволяет исключить, или, по крайней мере, существенно уменьшить связанные с этим проблемы.

Центрифуги, турбокомпрессоры.

Центрифуги и  турбокомпрессоры по пусковым характеристикам  во многом схожи с вентиляторным оборудованием, однако здесь часто присутствует большой начальный пусковой момент, обуславливаемый трением покоя в механизме. При использовании отрывающего импульса (кик-старта) с помощью УПП возможно создание необходимого начального момента трогания. Необходимо учитывать, что последующий плавный разгон механизма в таких случаях может потребовать токовых перегрузок до 3...5 IНОМ. Необходимо отметить, что успешный плавный пуск двигателя возможен в данном случае при отсутствии в механизме несбалансированных масс, вызывающих пульсации момента нагрузки в процессе разгона.

Дробилки, мельницы, мешалки, поршневые  компрессоры.

Для этого класса оборудования характерна работа с постоянным моментом нагрузки во всем диапазоне  скоростей вращения вала двигателя. Применение УПП для запуска двигателей в таких механизмах позволяет  исключить механические ударные  воздействия; при этом сохраняется  токовая перегрузка, сопоставимая с  перегрузкой при прямом пуске. Плавный  пуск с применением УПП в механизмах этого класса в большинстве случаев возможен только в разгруженном состоянии.

Транспортеры  и конвейеры, а  так же механизмы с редукторами и другими силовыми передачами.

При прямом пуске  механизмов с редукторами и другими  передачами происходит ударная выработка  зазоров, что ведет к повышенному  износу передач и преждевременному выходу их из строя. Применение УПП  позволяет снизить интенсивность  удара при выработке зазора. Для  транспортеров и конвейеров пуск с использованием УПП обеспечивает безударное преднатяжение в механизме; разгон двигателя, как правило, происходит с токовой перегрузкой, сопоставимой с перегрузкой при прямом пуске. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение.

 В настоящее  время известные варианты пуска  двигателей можно разделить на  три основные группы: I. Прямой  пуск; II. Пуск с дискретным изменением  напряжения: · переключение со  звезды на треугольник; · включение  в обмотку статора пусковых  сопротивлений; · применение пускового  трансформатора; III. Плавный пуск: ·  плавным изменением величины  подаваемого на двигатель напряжения; · плавным изменением частоты  и напряжения на двигателе  (частотный пуск).