Что такое тиристорные пускатели
Содержание
Большинство электродвигателей промышленного оборудования, которые производятся в обычном исполнении, отличаются существенным превышением пускового тока перед номинальным. Для систем сравнительно небольшой мощности это обстоятельство не так критично, но например, для мощных станков или кузнечно-штамповочных автоматов может представлять известные проблемы: даже кратковременные перегрузки рабочих компонентов электромотора негативно сказываются на долговечности его эксплуатации.
Исходя из этого, многие производители систем привода промышленного оборудования снабжают их устройствами плавного пуска (УПП), работа которых основана на использовании положительных особенностей тиристоров. Такие УПП называют тиристорными пускателями.
Почему так важно условие «мягкого» пуска
В чём состоит различие между номинальным и пусковым крутящим моментом? Практически это одно и то же, хотя и рассматривается с разными акцентами. Наличие некоторого крутящего момента (Мкр) при пуске необходимо электродвигателю, чтобы обеспечить вращательное движение нагрузки. Номинальная величина крутящего момента — это его значение, которое передаётся на механические вращающиеся части электродвигателя, чтобы их остановить. При неподвижном роторе катушки являются компонентами системы, имеющими постоянное сопротивление. Закон Ома свидетельствует, что ток пуска/останова равен приложенному напряжению, отнесённому к сопротивлению. При условии, что константа крутящего момента для данного типоразмера двигателя известна, выяснить значение пускового/номинального крутящего момента просто, если знать максимальный питающий ток двигателя.
Однако тут вмешиваются два понятия: «холодный» пуск (ХП) и «горячий» пуск (ГП). У «холодного» (запуск электромотора после длительного перерыва) значение крутящего момента всегда больше, чем у «горячего», включающегося в работу после кратковременных перерывов. Нагрев двигателя вызывает увеличение сопротивления обмоток и уменьшение остаточного потока в магнитах. Таким образом, снижается ток пуска/останова и изменяется константа крутящего момента. Кроме того, при ХП следует учитывать инерционность механических элементов нагрузки и трение покоя.
Что делать, если используется блок для регулирования работы электромотора, не допускающий некоторых пиковых значений? Если данный показатель ограничен значением ниже тока, определяющего «стоп» двигателя, запустить последний не получится. Таким образом, большинство электромоторов машин ответственного назначения требуют наличия УПП — устройства, обеспечивающего уменьшение значений тока пуска и крутящего момента только в момент включения двигателя.
Часто используется приём возрастания значений напряжения, результат которого проявляется в систематическом (но небольшом) повышении скорости вращения ротора, причём эксплуатационная нагрузка прямо пропорциональна мощности системы. Это обстоятельство уменьшает скачки тока, что, в свою очередь снижает износ механических подвижных частей электропривода. Наряду с другими устройствами, предназначенными для подобных целей (их перечень приведен далее), плавную регулировку эксплуатационных показателей трёхфазных асинхронных двигателей обеспечивают тиристорные пускатели.
Отрасли, в которых обычно используются УПП:
- Металлургическая и сталепрокатная промышленность.
- Производство резины и пластиков.
- Целлюлозно-бумажные производства.
- Сахарные заводы.
- Крупные схемы водоснабжения.
- Машиностроение и металлообработка.
- Цементная промышленность.
- Текстильная промышленность.
Электродвигателями с УПП снабжаются кузнечно-штамповочные автоматы, насосы, компрессоры, вентиляторы, конвейеры, дробилки, смесители, измельчители и иное подобное оборудование.
Как функционирует тиристорное УПП
Во всех видах УПП используется фактор изменения питающего напряжения, частоты и силы тока (иногда и несколько факторов одновременно). В результате время разгона и торможения эффективно снижается.
Существуют следующие приёмы управления работой промышленных двигателей асинхронного типа:
- Пуск способом «звезда-треугольник».
- Прямой пуск.
- Применение автотрансформаторов (только для электромоторов сравнительно небольшой мощности).
- Управление при помощи тиристорных пускателей (их другим названием является термин «твердотельный контроллер»).
- Полный частотно-регулируемый привод.
В случае УПП на тиристорах для запуска применяется не изменение частоты тока (это конструктивно сложно), а пониженное значение напряжения, которое в дальнейшем постепенно возрастает до своего номинала.
Первоначально низкое значение подведенного к двигателю напряжения должно быть достаточным для преодоления инерции механических масс, например, зубчатых передач, или инерционности приводных ремней, имеющих особенность проскальзывать при старте. Это обстоятельство минимизирует внезапные рывки при начальном периоде включения двигателя в работу. По мере дальнейшего повышения питающего напряжения крутящий момент возрастает и разгон двигателя интенсифицируется.
В чём заключается достоинство технологии «мягкого» пуска
Конечная задача — плавное изменение значений крутящего момнета от пуска до остановки двигателей. Применение УПП особенно полезно для таких видов промышленного оборудования, как заводские сборочные конвейеры или водяные насосы предприятий водоснабжения. Они практически всегда работают с периодическими перерывами.
Применяя тиристорные контакторы, представляется возможным:
- Снижать пусковые токи без колебаний сетевого напряжения.
- Уменьшать значение первоначального крутящего момента, что снижает вредные механические нагрузки на подвижные части.
- Снижать трудоёмкость и время, необходимое для регламентного технического обслуживания электродвигателей.
Как видно из рисунка, тиристорный пускатель не содержит значительного количества структурных компонентов, а включает в себя контакторы (сильноточные электромагнитные реле) и тиристоры, при помощи которых производится регулировка напряжения на электромоторе. Тиристорные УПП значительной мощности нуждаются также в узлах, которые обеспечивают отвод избыточного тепла в окружающую среду.
Если внешний контактор по каким-либо причинам установить невозможно, перед самим УПП предусматривается встроенное электронное реле, защищающее систему от критической перегрузки.
Устройство и принцип работы устройства плавного пуска
В особо мощных типоразмерах пускателей обычно содержится несколько последовательно подключенных блоков тиристоров. Каждый блок состоит из пары тиристоров. Любой элемент этой системы изначально является изолирующим, но при подаче управляющего сигнала на затвор, он становится токопроводящим. Это позволяет пропускать через него ток и напряжение с минимальными потерями, поэтому КПД тиристорных пускателей достигает 100%.
Работа УПП основана на управлении углом зажигания (возбуждения) тиристорного элемента любого конструктивного исполнения. Схематично это показано на рисунке ниже, где белая часть синусоиды относится к положению «Выключено», а синяя — к положению «Включено».
В момент пуска для выполнения заданной команды на тиристоры подается управляющий сигнал, причём таким образом, чтобы через них проходила только последняя часть каждого полупериода синусоидальной волны напряжения.
После включения сигнал запуска начинает поступать на вход всё раньше и раньше. Это делается, чтобы через тиристор проходила более продолжительная часть волны напряжения. В конечном итоге сигнал запуска посылается уже после каждого пересечения нуля, чтобы разрешить подачу 100% напряжения через тиристор.
Во время остановки происходит обратное: вначале через тиристорные блоки пропускается полное значение напряжения, а по мере инициации остановки сигнал запуска начинает поступать с всё возрастающим запаздыванием, пока не будет достигнуто конечное значение напряжения. Когда к двигателю напряжение не подается, он останавливается
Таким образом, при пуске тиристор сначала пропускает через себя часть напряжения, а затем увеличивает соответственно время разгона, установленное для пуска. При останове тиристор находится в режиме полной проводимости, а когда начинается плавный останов, напряжение уменьшается в соответствии с временем, установленным для этого процесса.
Достоинства
Поскольку напряжение при запуске уменьшается, то ток и крутящий момент также уменьшаются. Для сравнения: в случае снижения напряжения на 50% от номинала для регулируемого электропривода, ток при данной скорости падает примерно на 50%, а Мкр снижается на 75% от своего первоначального (максимального) значения.
Преимущества плавного пуска с помощью твердотельных переключателей:
- Повышенная эффективность системы благодаря низкому напряжению на тиристоре в его открытом состоянии.
- Плавная регулировка пускового тока путём управления пускового напряжения. Это гарантирует постепенный разгон двигателя без рывков.
- Контролируемое и плавное ускорение электродвигателя.
- Низкая стоимость и небольшие габаритные размеры тиристорного УПП.
- Потенциальное увеличение возможных пусков в час. При плавном пуске двигатель будет расходовать меньше энергии при каждом включении, а это означает, что его допустимо включать чаще.
- Большой выброс энергии, связанный с обычным пуском, иногда может вызвать перегрев двигателя. При плавном пуске первоначальный выброс мощности не нужен. Вместо этого на двигатель подаётся достаточно слабый сигнал, что значительно снижает риск перегрева.
- Улучшенная операционная эффективность. Обычные схемы запуска могут вызвать проблемы: электромотор иногда перегревается, а управляемая им машина выходит из строя из-за скачка напряжения. Поскольку при плавном пуске риск возникновения этих проблем устраняется или значительно снижается, оборудование может функционировать более эффективно.
Как выбирать
Выбирая тиристорный контактор, следует обращать внимание на:
- Номинальное напряжение, В (для трёхфазной сети 380).
- Максимальную мощность, кВт.
- Предельное значение потребляемого тока, А.
- Количество фаз на входе и выходе (должно быть одинаковым).
- Степень защиты (обычно IP20).
- Габаритные размеры, мм (высота×ширина×глубина).
Учитывается также назначение устройства. Обычно фирмы-производители выпускают целевую линейку допустимых типоразмеров УПП для сварочных инверторов, электродвигателей и прочего оборудования.
Загрузка...
