softstarty - układy łagodnego rozruchu dla asynchronicznych

UKŁADY STEROWANIA SILNIKAMI – SOFTSTARTY
SOFTSTARTY UKŁADY ŁAGODNEGO ROZRUCHU
SILNIKÓW KLATKOWYCH AC.
DLA
ASYNCHRONICZNYCH
Silniki elektryczne prądu przemiennego stanowią obecnie największą grupę odbiorników
energii elektrycznej na świecie. W Polsce w ubiegłym dziesięcioleciu skonsumowały one ponad 50%
całej wyprodukowanej energii elektrycznej. Powodem tego jest szerokie zastosowanie napędów
silnikowych w przemysłowych procesach technologicznych i układach automatyki. Największym
problemem związanym ze sterowaniem trójfazowych silników prądu przemiennego (głównie
asynchronicznych silników klatkowych) była regulacja prędkości obrotowej oraz zmiana jego
momentu. Rozwiązania bazujące na układach mechanicznych nie zawsze dawały pożądane efekty i
związane były często z pewnymi ograniczeniami, a przede wszystkim nie były rozwiązaniami tanimi,
uniwersalnymi, nadającymi się do szerokiego stosowania. Stan ten został zmieniony z chwilą
pojawienia się technologii półprzewodnikowej i bazujących na niej urządzeniach; przemienników
częstotliwości i softstartów.
Warte zaznaczenia jest to, że w zakresie technologii półprzewodnikowej w ostatnim
dziesięcioleciu obserwuje się czterokrotny wzrost nakładów, które inwestorzy ponoszą na
modernizacje, wpływając na podniesienie jakości i niezawodności sterowania obciążeniami
elektrycznymi (silniki, elementy grzejne, oświetlenie, ... ). Oczywiście najszybciej nowe rozwiązania
doceniły kraje wysokorozwinięte, takie jak Japonia, Stany Zjednoczone, oraz Europa Zachodnia,
napędzając rozwój tej technologii, a tym samym wpływając na obniżanie kosztów wytwarzania
elementów energoelektronicznych. Obecnie jednak coraz większy udział w obrotach w tym segmencie
rynku zaczyna przypadać na kraje Dalekiego Wschodu (Tajlandia, Malezja, ...) oraz na Europę
Środkową.
TECHNOLOGIA PÓŁPRZEWODNIKOWA.
Elementy półprzewodnikowe mocy znajdują obecnie bardzo szerokie zastosowanie w
sterowaniu pracą silników prądu przemiennego. Można powiedzieć, że podstawowymi elementami
mocy stosowanymi w urządzeniach realizujących łagodne załączanie i hamowanie silników AC, to
tyrystory i/lub tyrystorowe moduły elektroizolowane, tranzystory mocy, oraz tranzystory z izolowaną
bramką IGBT (stosowane głównie w falownikach).
Duże możliwości, nowe funkcje i prosta współpraca z systemami komputerowymi tych sterujących
urządzeń mocy, przyczynia się do dużej popularności takich rozwiązań sterowania silnikami a coraz
większa konkurencja w tym segmencie rynku powoduje obniżanie ceny na te jednak złożone produkty.
UKŁADY DO ŁAGODNEGO ROZRUCHU I ZATRZYMYWANIA SILNIKÓW INDUKCYJNYCH TO
NAJLEPSZA OCHRONA PRZED PRZEDWCZESNYM ZUŻYWANIEM SIĘ UKŁADÓW
NAPĘDOWYCH.
Współczesne urządzenia napędowe powinny spełniać, w zależności od procesu
technologicznego i mocy silnika napędowego, wiele istotnych wymagań, spośród których jako
najważniejsze można wymienić:
•
przetwarzanie energii elektrycznej w mechaniczną z możliwie dużą sprawnością
•
regulacja bezstopniowa w szerokim zakresie takich wielkości jak prędkość kątowa, moment
obrotowy, przyspieszenie kątowe, przesunięcie kątowe i liniowe, współczynnik mocy silnika
napędowego
•
minimalizacja uchybu i czasu trwania procesów przejściowych przy zmianach wielkości
sterujących i zakłócających
•
maksymalne wykorzystanie mocy silnika przy równoczesnym ograniczeniu takich wielkości
jak napięcie, prąd, temperatura itp.
•
prosta obsługa i niezawodność pracy
Szybki rozwój energoelektroniki sprawił, że silniki prądu przemiennego, szczególnie klatkowe,
stanowią coraz częściej element wykonawczy napędów przemysłowych.
Rozruch bezpośredni lub rozruch typu gwiazda / trójkąt są nadal najczęściej stosowanym
rodzajem załączania silników. Pomimo udoskonaleń technicznych silników i styczników sterujących
ich pracą, udary występujące podczas gwałtownego załączania i wyłączania nie mogą być
wyeliminowane. Uszkodzenia łożysk, skrzyń biegów, przedwczesne zużycie, częste awarie pasów
przenoszących napędy czy też spadające produkty przy załączaniu urządzeń je transportujących są
jednymi z wielu niekorzystnych następstw tego popularnego rodzaju załączania.
SILNIKI ORAZ CAŁE INSTALACJE – DZIĘKI UKŁADOM DO ŁAGODNEGO ROZRUCHU I
ZATRZYMYWANIA – MOGĄ BEZAWARYJNE FUNKCJONOWAĆ ZNACZNIE DŁUŻEJ.
Załączanie asynchronicznych silników klatkowych jest najbardziej krytycznym ze stanów ich
pracy (nie licząc zablokowania wirnika). Niewielka rezystancja wirnika powoduje znaczny udar
prądowy podczas rozruchu silnika. W efekcie, jego moment rozruchowy jest niewielki, a możliwe
nawet ośmiokrotne przekroczenie znamionowego prądu silnika w czasie rozruchu, często powoduje
spadek napięcia w sieci. Co prawda, przeciążenie prądowe nie jest zależne od obciążenia silnika,
jednak wpływa ono na czas jego trwania. Wszystkie powyższe niekorzystne zjawiska występujące
przy rozruchu silników AC próbuje się zminimalizować poprzez zastosowanie przełączników „gwiazda
/ trójkąt” oraz przez stosowanie układów typu SOFTSTART.
Przełącznik „gwiazda / trójkąt” ogranicza wartość prądu rozruchu, jednak nie eliminuje
całkowicie udarów mechanicznych jakie mają miejsce bezpośrednio po załączeniu obciążenia oraz po
przełączeniu z ”gwiazdy” w „trójkąt”.
Przy wykorzystaniu układów typu SOFTSTART znacznie redukuje się prąd rozruchu oraz
udary mechaniczne silników, jego wału (wirnika), skrzyń biegów oraz pasów przenoszących napęd.
Żywotność urządzeń mechanicznych jest dzięki temu znacznie przedłużona.
Typowe aplikacje:
- pompy, kompresory
- pasy, taśmociągi
- podnośniki, windy
- dmuchawy, wentylatory
- mieszalniki
- drzwi garażowe
- elementy grzejne
- sterowanie oświetleniem
- itd.
Możliwości półprzewodnikowych urządzeń dedykowanych do sterowania silnikami AC, pozwalają
na załączanie i zatrzymywanie taśmociągu (przenośnika) w sposób łagodny i miękki. Umożliwia to
uniknięcie uszkodzeń produktów, co zdarza się przy załączaniu bezpośrednim lub przy rozruchu typu
gwiazda / trójkąt. W dodatku, ryzyko zużycia lub uszkodzenia części mechanicznych, łożysk, silników i
pasów przenoszących napęd, jest znacznie zredukowane.
Łagodne załączanie minimalizuje także szkody powodowane gwałtownymi zmianami ciśnienia w
systemie hydraulicznym pomp, które zdarzają się przy bezpośrednim ich załączaniu, gwałtownych
zatrzymaniach czy załączaniu typu „gwiazda / trójkąt”. W tego rodzaju obciążeniach również
maksymalny prąd rozruchowy może być zmniejszony a stany przejściowe, które mają miejsce
podczas przełączania typu „gwiazda / trójkąt” - są wyeliminowane.
UKŁADY DO ŁAGODNEGO ROZRUCHU I ZATRZYMYWANIA SILNIKÓW INDUKCYJNYCH.
Oferta firmy PATECH zawiera szeroką gamę układów do łagodnego rozruchu i zatrzymania 1 i
3-fazowych silników indukcyjnych, począwszy od softstartów z regulacją fazową napięcia w jednej
fazie do urządzeń realizujących sterowanie wartością skuteczną napięcia w 3 fazach.
Wszystkie urządzenia półprzewodnikowe (także softstarty) są produkowane przez firmę CARLOGAVAZZI z siedzibą w Szwajcarii, która posiada ogromne doświadczenie w technologii
półprzewodnikowej.
Układy sterowania silnikami są przeznaczone do łagodnego załączania 3-fazowych silników
indukcyjnych i mają za zadanie redukuję niekorzystnych zjawisk występujących podczas rozruchów
silników, które wpływają na żywotność tych urządzeń i jakość ich pracy.
ul. Osadników Wojskowych 40
68-200 Żary
tel : 068-4572225
fax: 068-4572226
www.pa-tech.pl
1 - fazowe sterowanie
+
-
• Niski koszt
2 - fazowe sterowanie
• Doskonała cena /
parametrów
• Soft Start / -Stop
• Redukcja prądu rozruchu
• Potrzebny dodatkowy
Stycznik i jego sterowanie
• Brak SOFT STOP’u
• Grzanie się silnika przy
• Asymetryczne napięcie na
Rozruchu
Wyjściu
• Duże odkształcenia
• Niewielkie nagrzewanie
momentu obrotowego
silnika podczas rozruchu
• Duża asymetria napięcia
wyjściowego
• Nieduże ograniczenie prądu
rozruchu
3 - fazowe sterownie
• Soft Start / -Stop
• Symetryczne napięcie
• Redukcja prądu rozruchu
• Większa cena
• Złożone sterowanie
Rozruszniki typu RSE
Najprostszym, a tym samym najtańszym urządzeniem,
przeznaczonym do łagodnego rozruchu silników jest softstart o symbolu
RSE-4012-BS.
Jest to urządzenie w obudowie kompaktowej o wymiarach 92 x 45 x 102,
przeznaczone do sterowania silnikami AC. Pozwala ono na dokonywanie
łagodnych załączeń silników pobierających prądy do 12A (także dla
silników 1-fazowych). Zarówno czas rozruchu jak i wartość początkowego
momentu rozruchowego mogą być niezależnie ustawione na
potencjometrach znajdujących się na płycie czołowej urządzenia.
(Redukcja momentu obrotowego przy ustawieniu rampy w jednej fazie ma
miejsce także dla aplikacji 3-fazowych).
Łagodny rozruch silnika polega na płynnej regulacji jego napięcia (jedna
faza). Po zakończeniu rozruchu złącze półprzewodnikowe jest
mostkowane (by-pass) przez przekaźnik elektromagnetyczny.
Wartość początkowego momentu obrotowego może być ustawiona za pomocą potencjometru w
granicach: 0...85% momentu znamionowego.
Czas trwania rozruchu również nastawiamy za pomocą drugiego potencjometru w przedziale:
0,5...5sek.
Zielona dioda LED wskazuje na obecność napięcia zasilania. Dwie żółte diody LED wskazują
odpowiednio: tryb pracy i rampę rozruchu (w czasie jej trwania).
Urządzenie steruje jedynie jedną fazą (L1). Fazy: L2/N i L3 są bezpośrednio połączone z
obciążeniem.
Sterownik nie izoluje silnika od sieci. Zatem, stycznik potrzebny jest tutaj jako włącznik ochronny
silnika.
Aby uchronić półprzewodnik przed przegrzaniem, należy zapewnić pewną przerwę między kolejnymi
rozruchami. W uproszczeniu można kierować się zasadą 1/10, która określa czas rozruchu, jako 1/10
czasu przerwy pomiędzy kolejnymi rozruchami.
Sposoby zabezpieczeń.
Zabezpieczenie przed przeciążeniem nie jest zintegrowane w tym urządzeniu i musi być ono
zainstalowane oddzielnie.
Indukcyjny silnik jednofazowy, z odpowiednio dobranym zabezpieczeniem przeciążeniowym,
nie powoduje zwarcia między liniami, ani bezpośrednio do ziemi tak jak niektóre inne rodzaje
obciążeń, np.: spirale grzewcze. W uszkodzonych silnikach zawsze część uzwojenia ogranicza prąd
zwarciowy.
Jeżeli silnik zainstalowany jest w warunkach, w których jego zasilanie nie może być zakłócone, jako
dopuszczalne zabezpieczenie przeciwzwarciowe stosuje się jednopolowy termiczno-magnetyczny
przekaźnik przeciążeniowo-zwarciowy.
Jeżeli istnieje ryzyko zwarcia na kablu, sterowniku lub obciążeniu, należy zastosować ultraszybki
bezpiecznik; np.: Ferraz 660 gRB 10-25 z gniazdem ST-10.
W przypadku sterowania silnikami 3-fazowymi, w czasie gdy silnik jest zatrzymany, stycznik
musi zapewniać rozłączenie wszystkich 3 faz od silnika. Jest to konieczne – istnieje bowiem
niebezpieczeństwo pracy silnika przy dwóch fazach.
Kolejnym urządzeniem w tej samej obudowie (92 x 45 x 102) jest układ
softstartu o symbolu: RSE 4012-B. Przeznaczony jest on do współpracy z
silnikami o mocach od 0,55kW do 7,5kW (przy nap. 600VAC). W
odróżnieniu od poprzedniego układu, sterowanie wartością skuteczną
napięcia na obciążeniu odbywa się w dwóch fazach (L1 i L2). Faza L3 jest
bezpośrednio połączona z obciążeniem. Zarówno czas rozruchu i
zatrzymania jak i wartość początkowego momentu rozruchowego mogą
być niezależnie ustawione na potencjometrach znajdujących się na płycie
czołowej urządzenia.
Po zakończeniu rozruchu złącza półprzewodnikowe (2) są
mostkowane (by-pass) przez przekaźniki elektromagnetyczne.
123-
Rampa rozruchu: czas 0,5-5s. Czas narostu napięcia obciążenia od zera do
wartości znamionowej.
Rampa zatrzymania: czas 0,5-5s. Czas redukcji napięcia obciążenia od
wartości znamionowej do zera.
Moment początkowy rozruchu: (0...85%) napięcia znamionowego, od którego
rozpoczyna się rampa rozruchu.
Sterowanie w dwóch fazach realizuje również układ:
RSE4025-C10. Posiada on dwukrotnie szerszą obudowę
(92 x 90 x 102) i pozwala na dokonywanie rozruchu
silników o mocach do 11kW (przy 400VAC) i 15kW (przy
zasilaniu 600VAC).
Zarówno czas rozruchu i zatrzymania jak i wartość
początkowego momentu rozruchowego mogą być
niezależnie ustawione na potencjometrach znajdujących
się na płycie czołowej urządzenia.
Wartość początkowego momentu obrotowego może być
ustawiona w granicach: 5...50% momentu znamionowego.
Czas trwania rozruchu możemy nastawić w przedziale:
0,5...10sek. Czas zatrzymania – w przedziale 0,5...20sek.
Dodatkowo układ ten posiada zabezpieczenia kolejności faz i przegrzania; Czerwona dioda
mruga, jeśli kolejność faz jest inna niż L1, L2, L3. W przypadku jeśli urządzenie zostanie przegrzane
dioda ta (czerwona) zapala się na stałe.
Po zakończeniu rozruchu złącza półprzewodnikowe (2) są mostkowane (by-pass) przez
przekaźniki elektromagnetyczne.
Alarmy:
W wersji z końcówką, w kodzie wykonań; -C10, urządzenie wyposażone jest w dwa przekaźniki
elektromagnetyczne, sygnalizujące: koniec rampy (rozruchu) – NO /normalnie otwarty oraz złą
kolejność faz lub przegrzanie – NC /normalnie zamknięty.
Przekroczenie temperatury: Urządzenie RSE nie rozpocznie (powtórnie) pracy jeśli temperatura jego
wewnętrznego radiatora przekroczy wartość ok. 100ºC.
Sterownik RSC-HD0M60
Drugą rodziną układów służących do łagodnego rozruchu 3-fazowych silników indukcyjnych
są softatarty o konstrukcji modułowej typu: RSC-HD0M60 + RSO-22..., RSO-4...., RSO-60... –
umożliwiające sterowanie fazowe napięcia we wszystkich trzech fazach.
Uniwersalny mikroprocesorowy moduł sterujący RSCHD0M60 współpracuje z modułami wyjściowymi RSO-22..,
RSO-4..., RSO-60... których dobór uwarunkowany jest mocą
sterowanego obciążenia.
Łagodny rozruch silnika i jego zatrzymanie polega na
płynnej regulacji fazowej jego napięcia w trzech fazach. Czas
rozruchu i zatrzymania nastawiany jest na oddzielnych
potencjometrach w granicach 0,5...30s. Moment początkowy
rozruchu ustawiany jest na trzecim potencjometrze w
granicach 10...75% momentu znamionowego.
Urządzenie wyposażone jest w wyjście dodatkowe, na którym po zakończeniu rozruchu wystawiany
jest sygnał dla wysterowania stycznika mostkującego złącza półprzewodnikowe. Podobnie po
rozpoczęciu hamowania, stycznik ten jest rozłączany z uwzględnieniem odpowiednich zależności
czasowych. Rozwiązanie to ogranicza znacznie wytwarzanie energii cieplnej w samym urządzeniu, co
pozwala na ograniczenie rozmiarów stosowanego radiatora lub nawet na całkowitą jego eliminację. Po
zakończeniu rozruchu moduł sterujący uaktywnia cewkę stycznika mostkującego. Stycznik
bocznikujący nie pracuje tu jako urządzenie załączające moc a jedynie jako łącznik. Stąd dobieramy
go do wartości znamionowej prądu obciążenia nie uwzględniając prądu rozruchu. Ogranicza to
znacznie koszty i rozmiar takiej aplikacji.
Przy stosowaniu urządzenia RSC/RSO, sterującego pracą silnika, powinien on być
zabezpieczony w standardowy sposób; zabezpieczenie termiczne (przekaźnik termiczny np. TT2X).
Jeśli zabezpieczenie zwarciowe jest wymagane, konieczne jest dobranie ultraszybkich bezpieczników
F1, F2, F3 (na każdą fazę), przy uwzględnieniu mocy modułu wyjściowego i sterowanego obciążenia.
Sterownik RSC-AAM60
Inną wersją modułu sterującego jest układ RSC-AAM60.
Podstawową różnicą pomiędzy tym układem / modułem
sterującym a modułem RSC-HD0M60 jest wejście sterujące
0...20mA lub 4...20mA. Te liniowe wejście analogowe
dedykowane jest przede wszystkim do współpracy ze
sterownikami programowalnymi PLC. Rozwiązanie to umożliwia
dowolne kształtowanie charakterystyki sterowania wartością
skuteczną napięcia na obciążeniu. Znajduje zastosowanie w
sterowaniu pracą pomp, wentylatorów, elementów grzejnych i w
regulacji natężenia oświetlenia.
Moduł tyrystorowy RSO
Moduły wyjściowe mocy współpracujące z modułami sterującymi standardowo zabezpieczone
są przed przepięciami za pomocą warystorów. Poniżej przestawiono zestawienie wyjściowych
modułów mocy RSO przeznaczonych do współpracy w mikroprocesorowymi modułami sterującymi
typu RSC-HD0M60 i RSC-AAM60.
NAPIĘCIE
OBCIĄŻENIA
PRĄD ZNAMIONOWY / FAZĘ KAT. AC1
MOC
SILNIKA
150-250
VAC
220-420
VAC
400-510
VAC
400-625
VAC
16A
25A
50A
90A
110A
RSO 2210
RSO 2225
RSO 2250
RSO 2290
RSO 22110
RSO 4010
RSO 4025
RSO 4050
RSO 4090
RSO 40110
RSO 4810
RSO 4825
RSO 4850
RSO 4890
RSO 48110
RSO 6050
RSO 6090
RSO 60110
11kW
15kW
22kW
2,2kW
4kW
Moduły wyjściowe RSO..110 jest przeznaczone są do sterowania silnikami o mocy do 22kW (400V).
RSO..110 doskonale sprawdzają się w aplikacjach, w których występują duże prądy udarowe. W
rozwiązaniach sterowania, gdzie odbiornik (silnik) pobiera prądy zbliżone do wartości znamionowych
dla modułu wyjściowego, należy szczególną uwagę zwrócić na zapewnienie odpowiedniego
chłodzenia urządzenia (radiator).
Przykład:
Silnik: 3kW
3 x 400VAC
Ta = 50ºC (temperatura otoczenia)
Czas rozruchu: 5s.
Jako moduły wyjściowe możemy zastosować: RSO 4050, RSO 4025, RSO 4010. Jednak jeśli
prąd rozruchu nie jest znany i wymagany jest duży margines bezpieczeństwa zastosujemy RSO 4050.
Dla mniejszych wartości prądu rozruchu można zastosować RSO 4010 lub RSO 4025. Dla RSO 4010
maksymalny prąd rozruchu (przez 5s.) wynosi 17A, dla RSO..25 prąd ten może osiągać wartość 39A
(przez 5s.).
W rozpatrywanej aplikacji prąd rozruchu wynosi 17A, zalecamy więc zastosować moduł wyjściowy
RSO..25 (ze względu na praktycznie nieograniczony czas rozruchu, jaki można uzyskać przy
zastosowaniu sterownika typu RSC-AAM60).
Maksymalna wartość rezystancji termicznej dla radiatora wynosi 1K/W, a moc rozpraszana – 25W.
Daje to:
Moduł wyjściowy: RSO4025,
Radiator: 1K/W.
AKCESORIA
Jak wcześniej nadmieniłem softstarty serii RSC-HD0M60 i RSC-AAM60 są urządzeniami o
budowie modułowej i w zależności od aplikacji; mocy silnika sterowanego, temperatury otoczenia,
częstości rozruchów, oraz czy zastosowano stycznik bocznikujący złącza półprzewodnikowe można
wyposażać je w kilka rodzajów radiatora, dodać wentylator, zaczep na szynę a także doposażyć w
zabezpieczenie termiczne montowane pomiędzy urządzeniem a radiatorem, reagujące – zależnie od
wersji – na progi temperaturowe: 70, 80 i 90 ºC.
W roku ubiegłym oferta softstartów produkowanych przez Carlo-Gavazzi poszerzyła się o
nowe urządzenia umożliwiające sterowanie silnikami do 45kW. Softstarty typu RSHR – 3 fazowe z
wbudowanym by-passem dedykowane do silników o mocach 11....22kW oraz typu RSMR – 3 fazowe
z wbudowanym wentylatorem, na moce od 37 do 45kW. Pełniejszy opis tych urządzeń pojawi się w
kolejnym artykule.
Ofertę urządzeń, służących do sterowania pracą silników
indukcyjnych, firmy Carlo-gavazzi. poszerzają układy nawrotne dla
silników o mocy do 3 kW, oraz hamulce dynamiczne umożliwiające
sterowaniem prądu hamującego do 60ADC.
Wszelkie informacje techniczne dotyczące powyższej oferty
oraz gamy akcesoriów przeznaczonych do softstartów oferowanych
przez PATECH można znaleźć w kartach katalogowych dla
poszczególnych urządzeń na stronie internetowej www.pa-tech.pl.
PAWEŁ PIECHOTA – PATECH.