Устройства плавного пуска

Устройства плавного пуска: принцип действия, конструкция и применение

Устройство плавного пуска (УПП, англ. Soft Starter) — это электротехническое устройство, основным назначением которого является плавный разгон и торможение асинхронных электродвигателей переменного тока за счет программного снижения пускового тока и момента путем регулирования напряжения, подаваемого на статорные обмотки. В отличие от частотных преобразователей, УПП не осуществляет регулирование скорости в рабочем режиме, а функционирует только в периоды пуска и остановки, что определяет его нишу как оптимального решения для задач, где требуется снижение механических и электрических перегрузок без необходимости изменения скорости вращения.

Принцип работы и основные методы управления

Принцип действия современных УПП базируется на использовании встречно-параллельно включенных силовых тиристоров (симисторов) для каждой фазы питающего напряжения. Управляющая система, посредством ШИМ-сигналов, регулирует угол открытия тиристоров, тем самым плавно наращивая действующее значение напряжения на клеммах электродвигателя от начального значения (стартового напряжения) до полного сетевого напряжения.

Существует три основных метода управления пуском:

• Регулирование напряжения. Напряжение на статоре линейно или по заданной кривой увеличивается от начального уровня (30-60% Uном) до номинального. Прямая зависимость момента двигателя от квадрата напряжения позволяет ограничить пусковой момент.
• Регулирование тока. Устройство поддерживает заданный уровень пускового тока (например, 300% Iном) на протяжении всего времени разгона. Наиболее эффективный метод для предотвращения срабатывания защит от перегрузки.
• Регулирование крутящего момента. Наиболее прогрессивный метод, при котором УПП рассчитывает и управляет моментом двигателя, обеспечивая максимально плавный и безударный разгон механизма. Часто требует наличия обратной связи по току.

Ключевые компоненты и конструкция

Конструктивно УПП состоит из нескольких основных модулей:

• Силовой блок. Содержит тиристорные ключи, установленные на радиаторы охлаждения, и схему снабберной защиты (RC-цепочки) для подавления коммутационных перенапряжений.
• Блок управления. Микропроцессорная система, обрабатывающая заданные пользователем параметры, сигналы датчиков тока и формирующая импульсы управления тиристорами.
• Блок питания и гальванической развязки. Обеспечивает питание низковольтной части и безопасную изоляцию цепей управления от силовых.
• Интерфейсный блок. Включает дисплей (ЖКИ или светодиодный), кнопки настройки, а также цифровые и аналоговые входы/выходы для интеграции в АСУ ТП (сигналы «Пуск/Стоп», «Авария», «Готов», релейные выходы, интерфейсы Modbus, Profibus и др.).
• Шунты или датчики тока. Для точного измерения тока в каждой фазе, что является критичным для реализации алгоритмов управления по току и моменту.

Сравнение с другими способами пуска

Выбор способа пуска определяется требованиями к механизму, экономическими соображениями и условиями электроснабжения.

Способ пуска	Пусковой ток (от Iном)	Пусковой момент (от Mном)	Основные преимущества	Основные недостатки
Прямой пуск (DOL)	500-800%	150-200%	Простота, низкая стоимость	Высокие механические и электрические ударные нагрузки, просадки напряжения в сети
Пуск переключением «звезда-треугольник»	200-300%	33-50%	Снижение пускового тока, средняя стоимость	Ступенчатое изменение момента, «провал» момента при переключении, применим только для двигателей, рассчитанных на работу в сети 380В «треугольником»
Устройство плавного пуска (УПП)	150-400% (регулируемо)	10-100% (регулируемо)	Плавный, безударный разгон и торможение, защита механизмов и сети, широкие настройки	Более высокая стоимость, чем у звезды-треугольника, нагрев тиристоров
Частотный преобразователь (ЧП)	100-150%	100-150%	Плавный пуск с полным контролем момента, точное регулирование скорости и момента в рабочем режиме	Наибольшая стоимость, сложность настройки, генерация высших гармоник

Основные функции и защитные возможности

Современные УПП реализуют комплекс функций, выходящих за рамки простого пуска:

• Плавный останов (Soft Stop). Плавное снижение напряжения для предотвращения гидроударов в насосных системах (эффект «water hammer») и рывков в конвейерах.
• Функция «кик-старт» (Kick Start). Кратковременная подача повышенного напряжения в начале пуска для страгивания механизмов с высоким моментом трения покоя (например, загруженные конвейеры, мельницы).
• Защита двигателя. Встроенные защиты от перегрузки по току (с зависимой выдержкой времени), обрыва фазы, асимметрии фаз, перегрева (по модели нагрева двигателя или по сигналу внешнего датчика), затянутого пуска, превышения числа пусков в час.
• Байпас (обходной контактор). После завершения разгона большинство УПП переключает двигатель на прямое питание через встроенный или внешний байпасный контактор. Это исключает нагрев тиристоров в установившемся режиме и повышает общий КПД системы.

Критерии выбора и схемы подключения

Выбор УПП осуществляется по следующим ключевым параметрам:

• Номинальный ток. Должен быть равен или превышать номинальный ток двигателя при полной нагрузке. Учитывается режим работы (продолжительный, повторно-кратковременный).
• Напряжение сети. Соответствие номинальному напряжению питающей сети (380В, 660В, 690В).
• Класс нагрузки.

  Производители классифицируют типовые механизмы по тяжести пуска:

  • Легкий: насосы, вентиляторы, компрессоры без нагруженного пуска.
  • Нормальный: конвейеры, мешалки, центрифуги.
  • Тяжелый: поршневые насосы, дробилки, мельницы, винтовые компрессоры.
• Количество управляемых фаз. Двухфазные (более простые и дешевые) и трехфазные (обеспечивают лучший контроль и симметрию).
• Необходимость реверса. Наличие встроенных реверсивных контакторов или возможность управления внешними.

Наиболее распространены две схемы подключения силовой части:

• Внутренний байпас. УПП имеет встроенный байпасный контактор, что упрощает монтаж и уменьшает габариты шкафа.
• Внешний байпас. Байпасный контактор устанавливается отдельно. Схема применяется для мощных приводов или при необходимости резервирования.

Области применения

УПП нашли широкое применение в отраслях, где механизмы подвержены высоким инерционным или ударным нагрузкам при пуске:

• Водоснабжение и водоотведение: Центробежные насосы (снижение гидроударов), шнековые и цепные механизмы.
• Вентиляция и кондиционирование: Приточные и вытяжные вентиляторы, чиллеры, градирни.
• Горнодобывающая и перерабатывающая промышленность: Ленточные и скребковые конвейеры, дробилки, мельницы, питатели.
• Пищевая промышленность: Мешалки, миксеры, транспортеры, экструдеры.
• Нефтегазовая отрасль: Насосы для перекачки жидкостей и газов, компрессоры.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальное отличие УПП от частотного преобразователя?

УПП регулирует только напряжение на статоре в процессе пуска и остановки, не изменяя частоту. Его задача — ограничить ток и момент. ЧП преобразует и напряжение, и частоту, что позволяет не только плавно пускать двигатель, но и гибко регулировать его скорость в широком диапазоне в установившемся режиме. УПП — решение для задач, где регулирование скорости не требуется.

Можно ли использовать УПП для регулирования скорости вращения двигателя?

Нет, в рабочем режиме после завершения разгона двигатель, как правило, переключается на прямое питание через байпасный контактор. Длительная работа двигателя на пониженном напряжении через тиристоры УПП приведет к его перегреву и выходу из строя из-за увеличения скольжения.

Как правильно выбрать номинальный ток УПП для двигателя с тяжелым пуском?

Для механизмов с тяжелым пуском (дробилки, мельницы) рекомендуется выбирать УПП с запасом по току на одну-две ступени выше номинального тока двигателя. Например, для двигателя 100А следует рассмотреть УПП на 150-200А. Это обеспечит запас по перегрузочной способности тиристоров и их охлаждение.

Обязательно ли использовать байпасный контактор?

Для продолжительного режима работы — обязательно. Работа в байпасном режиме снимает тепловую нагрузку с тиристоров, снижает собственные потери УПП и повышает надежность системы. Для механизмов с частыми пусками/остановами (крановое оборудование) иногда применяется схема без байпаса, но это требует специального расчета теплового режима УПП.

Как УПП влияет на cos φ двигателя во время пуска?

В процессе пуска при пониженном напряжении cos φ двигателя снижается. Однако общий потребляемый из сети ток при этом также значительно ниже, чем при прямом пуске. Поэтому реактивная мощность, потребляемая из сети в период пуска, при использовании УПП все равно существенно меньше, чем при прямом включении.

Каковы типовые настройки УПП для центробежного насоса?

Для центробежного насоса: начальное напряжение — 30-40% Uном, время разгона — 10-30 секунд, время плавного останова (при необходимости) — 10-60 секунд, ограничение тока — 250-350% Iном. Режим останова часто выбирается «насосный» (Pump Stop) для эффективного гашения гидроударов.

Заключение

Устройства плавного пуска представляют собой технически и экономически обоснованное решение для управления пуском асинхронных электродвигателей средней и большой мощности. Они эффективно решают задачи снижения пусковых токов, минимизации механических ударов в приводе и защиты технологического оборудования от преждевременного износа. Правильный выбор, настройка и эксплуатация УПП, с учетом характеристик двигателя и рабочего механизма, позволяют значительно повысить надежность и энергоэффективность электропривода, сократить эксплуатационные расходы и избежать аварийных ситуаций в электрических сетях.