Привод мельничного оборудования, будь то шаровая, стержневая или вертикальная мельница, представляет собой одну из наиболее сложных и ответственных задач в промышленной электротехнике. Высокий момент инерции массивного ротора и загруженных мелющих тел, необходимость преодоления сил трения покоя, а также ударные пусковые токи при прямом пуске создают экстремальные нагрузки на электродвигатель, механическую передачу и питающую сеть. Устройство плавного пуска (УПП, софтстартер) является стандартным техническим решением для нивелирования этих негативных факторов. Данная статья детально рассматривает устройство, принцип работы, схемы подключения, ключевые настройки и особенности выбора софтстартеров для мельничных установок.
Устройство плавного пуска представляет собой силовой электронный регулятор, основным элементом которого являются встречно-параллельно включенные тиристоры (симисторы), установленные в каждой фазе питания асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Управляя углом открытия тиристоров, софтстартер плавно регулирует действующее значение напряжения, подаваемого на статор двигателя, в течение заранее заданного времени.
Базовая структурная схема УПП включает:
Для мельничного привода критически важны несколько алгоритмов, реализуемых софтстартером.
Напряжение плавно увеличивается от начального значения (Initial Voltage, обычно 30-60% от Uном) до полного сетевого напряжения за время разгона (Ramp Time). Этот параметр для мельниц может составлять от 15 до 60 секунд и более, в зависимости от массы ротора и нагрузки. Начальное напряжение необходимо для создания начального вращающего момента, достаточного для устранения люфтов в передаче и начала движения барабана.
Более совершенный алгоритм, при котором микропроцессор поддерживает пусковой ток двигателя на заданном уровне (Current Limit), обычно 250-400% от Iном, в течение всего времени разгона. Это предотвращает срабатывание защит сети и обеспечивает оптимальное ускорение без перегрузки. Для мельниц с высокой инерцией этот метод является предпочтительным.
Кратковременная подача повышенного напряжения (до 70-90% от Uном) в самом начале пуска на время 0.2-2 секунды. Это необходимо для преодоления момента сухого трения в подшипниках и начального срыва барабана с места. После этого софтстартер переходит в основной режим плавного разгона.
Подача постоянного тока в обмотки статора после отключения от сети для быстрой остановки мельницы. Важно для обслуживания, но требует точного расчета времени и величины тока во избежание перегрева двигателя.
В практике применяются две основные силовые схемы.
Софтстартер имеет встроенный байпасный контактор, который замыкается после завершения разгона, шунтируя тиристоры. Тиристоры отключаются, что устраняет тепловые потери на них и повышает общий КПД системы в длительном рабочем режиме.
Используется для мощных приводов (обычно свыше 400 кВт). Байпасный контактор устанавливается внешне, управляется выходами УПП. Софтстартер в данной схеме часто монтируется в шкафу управления с отдельными вводным и байпасным автоматическими выключателями.
Таблица 1. Сравнение характеристик пуска мельницы
| Параметр | Прямой пуск (через контактор) | Пуск через УПП | Эффект от применения УПП |
|---|---|---|---|
| Пусковой ток (Iпуск/Iном) | 600-800% | 250-400% (ограниченный) | Снижение в 2-3 раза, разгрузка сети и трансформаторов |
| Время разгона | 5-15 с (нерегулируемое) | 15-60 с (программируемое) | Плавное, контролируемое ускорение |
| Механический удар (момент) | Высокий, до 200% и более | Плавно нарастающий, до 150-180% | Увеличение срока службы редуктора, муфт, подшипников |
| Просадка напряжения в сети | Значительная (10-15%) | Незначительная (2-5%) | Стабильная работа другого оборудования |
| Тепловыделение в двигателе при пуске | Очень высокое | Сниженное в 2-4 раза | Увеличение ресурса изоляции обмоток |
Выбор осуществляется по току. Необходимо учитывать не только номинальный ток двигателя, но и режим пуска (тяжелый, с высокой инерцией).
Таблица 2. Рекомендуемый запас по току УПП для мельниц
| Тип мельницы и условия пуска | Коэффициент запаса по току (от Iн двигателя) | Примечания |
|---|---|---|
| Мельница шаровая/стержневая, пуск под номинальной нагрузкой (заполненная мелющими телами) | 1.5 — 1.7 | Наиболее тяжелый режим. Требует обязательного применения функции Kick Start. |
| Мельница шаровая/стержневая, пуск без нагрузки (без материала и тел) | 1.3 — 1.5 | Более щадящий режим, но инерция барабана остается высокой. |
| Мельница вертикальная (VSM) | 1.4 — 1.6 | Учитывается момент трения в вертикальной оси и инерция стола. |
Базовая последовательность настройки включает:
Ответ: Нет, категорически не рекомендуется. Софтстартер не является частотным преобразователем и не может создать повышенный момент на низких скоростях для «срыва» заклинившего барабана. Попытка такого пуска приведет к длительному протеканию ограниченного, но все равно значительного тока (на уровне Current Limit), что вызовет перегрев двигателя и срабатывание защит. Для таких ситуаций требуется предварительная механическая расклинка или применение ЧПП с векторным управлением.
Ответ: Выбор зависит от задач и бюджета. Софтстартер решает задачи плавного пуска и останова, защиты от пусковых токов и рывков. Он проще и дешевле. ЧПП обеспечивает полноценное регулирование скорости в широком диапазоне, высокий пусковой момент на низких оборотах и возможность точного позиционирования. Если требуется только плавный пуск/останов и работа на фиксированной скорости – УПП оптимален. Если нужна регулировка скорости помола, работа ниже номинальной скорости или требуется очень высокий момент на старте – необходим ЧПП.
Ответ: Количество допустимых пусков в час (Starts Per Hour, SPH) – критический параметр, указанный в каталоге на УПП. Для мощных приводов (свыше 500 кВт) это значение может составлять 2-6 пусков в час. Ограничение связано с тепловыделением на тиристорах во время длительного разгона. Превышение указанного количества ведет к перегреву и аварийному отключению. Для режимов с частыми пусками требуется выбор УПП с завышенным токовым номиналом или активной системой охлаждения.
Ответ: В большинстве случаев, при правильном первоначальном выборе и настройке, этого не требуется. Алгоритм регулирования по току автоматически адаптирует время разгона под нагрузку: при большей загрузке разгон будет длиться дольше при сохранении установленного лимита тока. Однако, если загрузка изменяется кардинально (например, пуск полностью пустой vs. полностью загруженной мельницы), может потребоваться корректировка времени разгона и параметров Kick Start для оптимального процесса.
Ответ: Окупаемость складывается из снижения затрат на ремонт механики и электрооборудования, а также из экономии на штрафах за просадки напряжения. При среднем количестве пусков 2-4 в сутки срок окупаемости качественного УПП для такой мельницы обычно составляет от 6 месяцев до 2 лет. Основная экономия достигается за счет многократного увеличения ресурса редуктора, муфт и подшипников двигателя, стоимость ремонта которых чрезвычайно высока.
Применение устройств плавного пуска для привода мельничного оборудования перешло из категории рекомендуемых мер в разряд обязательных стандартов эксплуатации. Корректный выбор, основанный на учете момента инерции и условий пуска, грамотная настройка параметров разгона и защит, а также правильная силовая схема с байпасным контактором обеспечивают надежный, долговечный и экономичный пуск мельницы. УПП эффективно решает проблемы высоких пусковых токов и механических ударов, что напрямую влияет на снижение эксплуатационных расходов, сокращение простоев и увеличение межремонтного периода всего мельничного агрегата.