БиСТАРТ-Р - реверсивные устройства плавного пуска, динамического торможения и защиты для асинхронных двигателей (пресс-релиз)

     Содержание статьи:

1. Введение
2. Возможности реверсивных устройств плавного пуска, торможения и защиты «БиСТАРТ-Р».
3. Безударный и плавный пуск двигателя
4. Динамическое торможение двигателя (торможение постоянным током)
5. Сравнение экспериментальных осциллограмм токов при пуске и торможении двигателя 4 кВт
6. Функции защиты оборудования
7. Области применения:
8. Заключение
   

   Ссылки: 

1. Введение

      В последние годы полупроводниковый электропривод для асинхронных двигателей получил массовое распространение. Традиционный ассортимент продукции большинства зарубежных и отечественных производителей приводной техники включает в себя преобразователи частоты и устройства плавного пуска (софт-стартеры). Отдельным классом можно считать нереверсивные и реверсивные электронные контакторы для двигателей малой мощности (не более 1.5-4 кВт), а также бесконтактные реверсивные пускатели и тиристорные усилители для приводов запорно-регулирующей арматуры.

       • бесступенчатое регулирование частоты вращения двигателя в широком диапазоне;

       • изменение направления вращения (реверс);

       • плавный запуск и плавный останов путем изменения частоты напряжения на двигателе;

       • управляемое торможение двигателя (с рассеиванием энергии на тормозном резисторе);

       • торможение постоянным током;

       • полный комплекс защит.

      Тиристорные реверсивные пускатели «БиСТАРТ-Р» из-за своих широких возможностей обозначаются термином "реверсивные устройства плавного пуска, торможения и защиты". Данный термин раскрывает их основные отличия от простых полупроводниковых реверсивных контакторов. В отличие от них, пускатели "БиСТАРТ-Р" реализуют весь потенциал силовой схемы (рис.3,а) и осуществляют независимое фазовое управление каждым тиристором с регулированием угла открытия тиристоров и тока двигателя. Несмотря на термин "устройство плавного пуска" пускатели "БиСТАРТ-Р" могут работать с отключенной функцией плавного пуска как быстродействующие полупроводниковые контакторы, что необходимо при отработке коротких импульсов управления, а также при питании электромагнитного тормоза от выходных клемм пускателя. Однако даже с отключенной функцией плавного пуска устройства "БиСТАРТ-Р" обеспечивают значительное снижение бросков тока и момента благодаря специальному алгоритму пофазного подключения обмоток (см. рис.9).

3. Безударный и плавный пуск двигателя

      В устройствах «БиСТАРТ-Р» реализован один из наиболее эффективных алогритмов плавного пуска с ограничением тока на заданном уровне (в диапазоне от 100 до 500%). По сравнению с простым алгоритмом линейного нарастания напряжения алгоритм ограничения тока обеспечивает более линейный темп разгона. Регулятор тока настроен таким образом, чтобы выход на ограничение тока происходил не более 200-300 мс. Для увеличения быстродействия электропривода время выхода на ограничение тока может быть уменьшено до 60-80 мс (см. рис.7). Использование алгоритма плавного пуска с ограничением тока показало высокую эффективность в приводах перемещения кран-балок и кранов. Регулированием ограничения тока достигается требуемое снижение пускового момента и увеличение времени разгона с линейным ускорением.  В модификациях БСТ-xxР/380-x0 реализована дополнительная возможность изменения уставки ограничения тока прямо во время работы при подаче напряжения на дополнительный дискретный вход..
      Функция плавного пуска может быть отключена и использован алгоритм безударного (пофазного) включения. Использование безударного пуска необходимо там, где недопустимо снижение пускового момента при пуске (например привод подъема кран-балки) или требуется максимальное быстродействие включения. Безударный пуск отличается от традиционного прямого пуска тем, что фазы двигателя включаются не одновременно, а с определенной задержкой и в определенной фазе напряжения. Результатом такого алгоритма является полное отсутствие электромагнитных переходных процессов в двигателе, которые при обычном прямом пуске приводят к значительным броскам тока в первые 20 мс (рис.7) и большим пульсациям момента в первые 100-300 мс (рис. 4). Эти пульсации могут приводить к разбиваниям люфтов в подшипниках, муфтах, шпонках и других соединениях. Данные явления со временем могут приводить к усталостным разрушениям и, как следствие, к срывам шпонок, пальцев муфт, заклиниванию подшипников. При безударном пуске пульсации момента отсутствуют полностью (рис.5 и 9).  

4. Динамическое торможение двигателя (торможение постоянным током)

      Для многих приводов требуется эффективное торможение электродвигателя после его отключения. При низком моменте нагрузки на валу двигателя после отключения вращение вала двигателя может продолжаться до нескольких секунд. В приводах перемещения кран-балок и станках для торможения двигателя зачастую оператору приходится кратковременно включать двигатель в обратном направлении. На электростанциях в приводах регулирующих задвижек с этим явлением борются преимущественно двумя способами: уплотнение сальниковой набивки для увеличения момента сопротивления или применение электпроприводов с электромагнитным или механическим тормозом. Оба варианта требуют проведения периодического обслуживания. Некоторые бесконтактные пускатели реализуют торможение способом противовключения двигателя (рис. 8). Как показывает многолетняя практика, использование этой функции на многих приводах из-за высоких ударных нагрузок на привод приводит к снижению срока службы механической части привода. Следствием такого торможения могут являться срыв шпонок, зубьев редуктора и даже обрывы валов.
     Многие импортные УПП заявляют в своих изделиях функцию динамического торможения (торможение постоянным током). Однако эффективность используемого однополупериодного торможения крайне низкая и позволяет развивать момент торможения не более 30-40% при большой амплитуде бросков тока.
    Тиристорные пускатели «БиСТАРТ-Р» выполнены по 5 ключевой схеме (рис. 3,а) и в них реализуется один из наиболее эффективных алгоритмов динамического торможения по схеме двухполупериодного управляемого выпрямителя, образованного ключами VS1,VS2,VS3,VS4 (рис. 3,а). Данный алгоритм позволяет развить момент торможения до 120% от номинального при ограничении тока торможения не более 300%. Интенсивность торможения можно задавать с помощью уставки ограничения тока, настраиваемой в диапазоне от 100 до 300%. Одним из преимуществ алгоритма является минимальные искажения гармонического состава потребляемого тока из сети, т.к., в отличие от однополупериодного торможения, в "БиСТАРТ-Р" при торможении из сети потребляется переменный, а не пульсирующий ток (рис. 9).
  В новых пускателях БСТ-12Р/380-32 и БСТ-12Р/380-33 для исполнительных механизмов добавлен алгоритм магнитного торможения, который осуществляется путем замыкания обмоток статора между собой сразу же после отключения. Так как при отключении двигателя ток размыкается лишь в статоре, а в короткозамкнутом роторе он затухает в течение 0.2-1 секунды, то при замыкании обмотки статора, ротор, подобно индуктору синхронного генератора, наводит в статоре ЭДС и ток. Взаимодействие токов статора и ротора приводит к возникновению тормозного момента. Главным преимуществом магнитного торможения является отсутствие потребления тока из сети во время торможения. Кроме этого при магнитном торможении происходит ускоренное размагничивание ротора и возможность уменьшения паузы между повторными включениями. Так как магнитное торможение длится не более 60-80 мс, то для приводов с высокой инерцией его энергии может быть недостаточно для полного торможения. Поэтому после окончания магнитного торможения может включаться динамическое торможение (магнитно-динамическое торможение). 

 5. Сравнение экспериментальных осциллограмм токов при пуске и торможении двигателя мощностью 4 кВт

      На рис. 7,8, 9 и 10 приведены экспериментальные осциллограммы токов двигателя при различных вариантах запуска и торможения двигателя (от магнитного пускателя, от бесконтактного пускателя с управлением тиристорами по схеме Zero-Сross и от пускателей "БиСТАРТ-Р"). Эксперимент проводился на двигателе мощностью 4 кВт  (номинальный ток 7.6А, 975 об/мин) без нагрузки. Исследования проводились для режимов максимального быстродействия запуска и торможения двигателя.
     Из осциллограмм пуска на рис.7 и 8 отчетливо видно различие в амплитудах положительных и отрицательных полуволн тока. Разница амплитуды этих полуволн определяет величину затухающей составляющей тока, образующей неподвижный магнитный поток двигателя. Этот магнитный поток взаимодействует с вращающимся магнитным потоком и вызывает знакопеременные пульсации момента (рис.4 и 6). Недостаток использования схемы Zero Cross судя по рис.8 очевиден - начальный бросок тока достигает почти 10-кратного значения от номинального тока двигателя. На рис.9 видно, что функция безударного пуска с пофазным включением  полностью исключает постоянные составляющие токов и уменьшает начальные броски тока в 1.3-1.7 раз. На рис. 10 для сравнения приведены осциллограммы плавного пуска с ограничением тока 500% и уменьшенным временем выхода на ограничение тока, при котором быстродействие сравнимо с безударным пуском.
      Время торможения для осциллограмм на рис. 8, 9 и 10  подобрано таким образом, чтобы время торможения было равным времени фактической остановки вала двигателя.
      На рис.8 приведены осциллограммы бесконтактного пускателя без фазового управления, в котором используется самый неблагоприятный для двигателя способ торможения – торможение противовключением. Из-за того, что при отключении двигателя в короткозамкнутой клетке ротора остается затухающий постоянный ток и магнитный поток, взаимодействие этого потока с полем статора при противовключении вызывает чрезмерные броски тока и момента (рис.8).
     На рис.9  и 10 приведены осциллограммы динамического торможения с ограничением тока 300%. Благодаря мягкому подавлению остаточного магнитного поля ротора, обеспечивается безударное и быстрое торможение двигателя. Использование двухполупериодной схемы выпрямления позволяет при при торможении постоянным током потреблять из сети переменный ток.

      Тиристорные пускатели «БиСТАРТ-Р» обладают широким комплексом защитных функций, обеспечивающих защиту оборудования от большинства нештатных режимов. Для защиты двигателя и самого пускателя реализован комплекс основных функций защиты:
      • от обрыва фаз на входе и выходе,
      • от обратного чередования фаз,
      • от несимметрии токов фаз более 50%,
      • максимально-токовая защита,
      • электронная тепловая защита двигателя,
      • от перегрева пускателя и пробоя тиристоров.
      Электронная тепловая защита двигателя рассчитывает процесс нагрева и остывания двигателя по результатам расчета потерь в двигателе, пропорциональных квадрату измеряемого тока. В отличие от тепловых биметаллических реле характеристики срабатывания не зависят от окружающей температуры и не изменяются со временем. Принцип защиты основан на том, что он измеряет уровень перегрева электродвигателя, а не расчетную температуру (т.к. неизвестна окружающая температура двигателя). Порогом отключения  является такой уровень перегрева, который соответвтует длительному протеканию 105% от номинального тока электродвигателя. 
 В новых моделях БСТ-12Р/380-33 для исполнительных механизмов предусмотрен вход для термодатчика электродвигателя (позистор или НЗ контакт)..
      Дополнительно к указанным выше защитам пускатели "БиСТАРТ-Р" осуществляют оперативную защиту приводного механизма от механических повреждений из-за заклиниваний ротора двигателя или перегрузки по моменту, приводящей к увеличению тока двигателя:
      • от превышения времени пуска (от заклинивания при пуске),
      • от заклинивания во время работы,
      • от перегрузки во время работы.
      Действие этих функций защит основано на игнорировании пусковых токов двигателя. Время игнорирования пусковых токов устанавливается пользователем в диапазоне от 0.2 до 20 секунд, что позволяет учитывать увеличение времени разгона при плавном пуске. Функция защиты от перегрузки во время работы позволяет использовать двигатель в качестве датчика нагрузки и отключать двигатель через 1 секунду после превышения тока двигателя установленного тока отключения (в диапазоне 100-300%). Эти функции могут защитить привод кран-балки от превышения веса груза выше допустимого или защитить исполнительный механизм от заклиниваний и выхода на упор при неисправности концевых или моментных выключателей.
   Внешняя сигнализация о срабатывании защиты осуществляется выходным оптореле, а тип ошибки отображается с помощью светодиодной кодовой индикации. Кроме индикации текущей ошибки, можно вызвать из памяти пускателей коды 8 последних ошибок, которые при желании можно обнулить.

7. Области применения:

     Благодаря широким функциональным возможностям тиристорных бесконтактных пускателей «БиСТАРТ» они могут устанавливаться на любой привод, имеющий трехфазный асинхронный двигатель мощностью до 30-37 кВт, не требующий изменения частоты вращения. Пускатели рассчитаны как для повторно-кратковременных, так и для продолжительных режимов работы. При отсутствии необходимости плавного пуска пускатели «БиСТАРТ-Р» могут работать как надежные бесконтактные тиристорные пускатели с расширенными функциями защиты и функцией эффективного динамического торможения. Высокая эффективность торможения достигается благодаря реверсивной схеме ключей, поэтому пускатели "БиСТАРТ-Р" является оптимальной альтернативой традиционным УПП в приложениях, где не требуется реверс, но требуется плавный пуск и эффективное торможение двигателя. Так как в пускателях БиСТАРТ-Р контролируются все фазы двигателя, то качество плавного пуска будет выше, чем в большинстве недорогих импортных УПП с двухфазным управлением.
  Для приводов регулирующей и запорной арматуры разработаны специальные модели БСТ-12Р/380-32 и БСТ-12Р/380-33 (перейти по ссылке), унифицированные для трехфазных и однофазных конденсаторных электродвигателей.
  Основные варианты применения и преимущества пускателей "БиСТАРТ-Р" приведены в таблице:

      Реверсивные устройства плавного пуска, торможения и защиты серии «БиСТАРТ-Р» для короткозамкнутых асинхронных двигателей мощностью от 0.1 до 30 кВт расширяют спектр приводной техники для управления асинхронными двигателями. Устройства "БиСТАРТ-Р" в одном компактном корпусе совмещают функции быстродействующих реверсивных электронных пускателей, устройств плавного пуска с ограничением тока, устройств динамического торможения, тепловых реле, электронных токовых реле перегрузки, реле контроля чередования фаз и реле обрыва фаз. 
     Несмотря на большее количество силовых элементов по сравнению с традиционными устройствами плавного пуска габариты "БиСТАРТ-Р" не превышают габаритов импортных полнофункциональных УПП, а в диапазоне мощностей до 7.5 кВт даже имеют более компактные размеры (габариты 200x120x108 мм, вес 1.5 кг).
    Пускатели "БиСТАРТ-Р" могут работать как быстродействующие реверсивные контакторы с использованием эффективного алгоритма безударного пуска и безударного динамического торможения. Использование их в приводах подъема ГПМ позволяет забыть о проблеме износа контактов, и осуществить модернизацию без изменения схемы подключения.
    Применение пускателей "БиСТАРТ-Р" в качестве альтернативы преобразователям частоты в приложениях, не требующих регулирования частоты вращения, имеет немало преимуществ:
      • более компактные размеры;
      • минимальный уровень электромагнитных помех;.
      • отсутствие необходимости в дополнительных элементах (дроссели, фильтры, тормозные резисторы и др.);
      • отсутствие ограничений на длину кабеля двигателя;
      • в 5-8 раз ниже тепловыделение при работе;.
      • более высокая перегрузочная способность и быстродействие;
   Устройства "БиСТАРТ-Р" с 2007-го года успешно эксплуатируются  на тепловых и атомных электростанциях в приводах запорно-регулирующей арматуры, в приводах подъемно-транспортного оборудования, в токарных и резьбонарезных станках, а также в  различном технологическом оборудовании. Высокий потенциал и универсальность этих устройств определяют их востребованность в самых разных применениях.