Sanftanlasser für einen Elektromotor: das Funktionsprinzip eines asynchronen Elektromotors

Ein asynchroner Elektromotor hat die Fähigkeit, aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Drehfeldfluss und dem Rotorwicklungsfluss unabhängig zu starten und einen hohen Strom darin zu verursachen. Infolgedessen zieht der Stator einen großen Strom, der, wenn der Motor die volle Drehzahl erreicht, den Nennstrom überschreitet, was zu einer Überhitzung des Motors und seiner Beschädigung führen kann. Um dies zu verhindern, ist ein Elektromotor-Softstarter (SCD) erforderlich.

Das Funktionsprinzip des Anlassers

Es besteht darin, dass das Gerät die beim Starten an den Motor angelegte Spannung regelt und die Stromcharakteristik steuert. Bei Asynchronmotoren ist das Anlaufdrehmoment ungefähr proportional zum Quadrat des Anlaufstroms. Sie ist proportional zur angelegten Spannung. Das Drehmoment kann auch als ungefähr proportional zur angelegten Spannung betrachtet werden, also sich einstellen die Spannung beim Anlauf, die Stromaufnahme der Maschine und ihr Drehmoment werden vom Gerät geregelt und können reduziert.

Durch die Verwendung von sechs SCRs in einer Konfiguration wie gezeigt kann der Softstarter regulieren Sie die dem Motor beim Start zugeführte Spannung von 0 Volt bis zum Nennwert linear Stromspannung. Der Sanftanlauf des Elektromotors kann auf drei Arten erfolgen:

1. Direktstart mit Volllastspannung.
2. Anwendung schrittweise herabgestuft.
3. Anwendung zum Starten einer Teilwicklung mit einem Autotransformator-Starter.

SCP kann von zwei Arten sein:

1. Steuerung öffnen: die Anlaufspannung wird unabhängig von Motorstrom oder -drehzahl zeitverzögert angelegt. Für jede Phase werden die beiden SCRs zunächst um 180 Grad für die jeweiligen Halbwellenzyklen (für die jeder SCR durchgeführt wird) verzögert. Diese Verzögerung nimmt mit der Zeit allmählich ab, bis die angelegte Spannung den Nennwert erreicht. Es wird auch als temporäres Stresssystem bezeichnet. Dieses Verfahren steuert nicht die Beschleunigung des Motors.
2. Closed-Loop-Überwachung: Überwacht alle Eigenschaften des Motorausgangs wie Strom oder Drehzahl. Die Startspannung wird entsprechend variiert, um die erforderliche Reaktion zu erhalten. Somit besteht die Aufgabe des Softstarters darin, den Leitungswinkel des SCR zu steuern und die Versorgungsspannung zu steuern.

Vorteile des Sanftanlaufs

Halbleiter-Softstarter verwenden Halbleiterbauelemente, um Parameter an den Motorklemmen vorübergehend herabzusetzen. Dadurch kann der Motorstrom überwacht werden, um das Drehmoment der Motorgrenze zu reduzieren. Die Steuerung basiert auf der Spannungssteuerung der Motorklemmen auf zwei oder drei Phasen.

Es gibt mehrere Gründe, warum diese Methode anderen vorgezogen wird:

1. Erhöhte Effizienz: Die Effizienz eines Soft-State-Softstartersystems beruht hauptsächlich auf dem Niederspannungszustand.
2. Kontrollierter Start: Die Startparameter können durch einfaches Verändern kontrolliert werden, wodurch ein ruckfreier Start gewährleistet wird.
3. Kontrollierte Beschleunigung: Die Beschleunigung des Motors wird sanft gesteuert.
4. Niedrige Kosten und Größe: Dies geschieht mit Halbleiterschaltern.

Halbleiterkomponenten

Leistungsschalter wie SCRs, die für jeden Teil des Zyklus phasengesteuert sind. Bei einem Drehstrommotor werden an jede Phase zwei SCRs angeschlossen. Sanftanlaufrelais des Motors müssen mindestens das Dreifache der Netzspannung bemessen sein.

Funktionsbeispiel eines Systems für einen Drehstrom-Asynchronmotor. Das System besteht aus 6 SCRs, einer Steuerlogik in Form von zwei Komparatoren - LM324 und LM339 für Erhalten des Pegels und der Spannung der Rampe und eines Opto-Isolators, um das Anlegen der Gate-Spannung an den SCR zu steuern jede Phase.

Somit wird durch Steuern der Dauer zwischen den Impulsen oder deren Verzögerung der gesteuerte SCR-Winkel überwacht und die Stromversorgung während der Motorstartphase geregelt. Der gesamte Prozess ist eigentlich ein Open-Loop-Steuerungssystem, das die Zeitsteuerung der Gate-Triggerimpulse für jeden SCR steuert.

SCR-Grundlagen

SCR (Silicon Controlled Rectifier) ​​ist ein DC-gesteuerter Hochleistungs-Leistungsregler. SCR-Induktionsmotor-Softstarter sind PNPN-Vierschicht-Silizium-Halbleiterbauelemente. Er hat drei externe Anschlüsse und verwendet alternative Symbole in Abbildung 2 (a) und hat eine Transistor-Ersatzschaltung in Abbildung 2 (b).

Die Hauptanwendung des SCR ist als Schalter mit einer positiven Anode in Bezug auf die Kathode, die beim Starten der Maschine gesteuert wird.

Anhand dieser Diagramme können die Hauptmerkmale des SCR verstanden werden. Der Sanftanlasser des Motors kann eingeschaltet und als Silizium-Vorspannungsgleichrichter in Vorwärtsrichtung verwendet werden, indem kurzzeitig ein Gate-Strom über S2 angelegt wird. Der SCR rastet schnell (innerhalb weniger Mikrosekunden) automatisch in den Ein-Zustand ein und bleibt auch dann eingeschaltet, wenn der Verschlussmotor entfernt wird.

Diese Aktion ist in Abbildung 2 (b) gezeigt. Der anfängliche Gatestrom schaltet Q1 ein und der Kollektorstrom von Q1 schaltet Q2 ein, der Kollektorstrom von Q2 hält dann Q1, selbst wenn die Gateansteuerung entfernt wird. Das Sättigungspotential beträgt ungefähr 1 V und wird zwischen Anode und Kathode erzeugt.

Zum Einschalten des SCR ist nur ein kurzer Verschlussimpuls erforderlich. Sobald der SCR fixiert ist, kann er wieder ausgeschaltet werden, indem sein Anodenstrom kurzzeitig unter einen bestimmten Wert reduziert wird. typischerweise einige Milliampere; bei Wechselstromanwendungen erfolgt die Abschaltung automatisch am Nulldurchgangspunkt bei jedem halber Zyklus.

Zwischen Gate und Anode des SCR ist eine signifikante Verstärkung und niedrige Gate-Ströme verfügbar (normalerweise ein paar mA oder weniger) können hohe Werte des Anodenstroms (bis zu zehn Verstärker). Die meisten SCRs haben Anodenwerte von Hunderten von Volt. Die Eigenschaften des SCR-Gates ähneln denen des Transistorübergangs - dem Emitter des Transistors (siehe. Reis. 2(b)).

Zwischen der Anode und dem Gate des SCR existiert eine interne Kapazität (einige pF), und die an der Anode auftretende Stoßspannung kann einen ausreichenden Gate-Durchbruch verursachen, um den SCR einzuschalten. Dieser „Geschwindigkeitseffekt“ kann durch Stromleitungstransienten usw. verursacht werden. Die Probleme mit dem Geschwindigkeitseffekt können überwunden werden, indem ein CR-Glättungsnetzwerk zwischen Anode und Kathode betrieben wird, um die Anstiegsgeschwindigkeit auf einen sicheren Wert zu begrenzen.

Betrieb mit variabler Geschwindigkeit

AC-Netzspannung (Abb. 5) wird mit einer passiven Diodenbrücke gleichgerichtet. Dies bedeutet, dass die Dioden zünden, wenn die Netzspannung größer als die Spannung am Kondensatorabschnitt ist. Die resultierende Wellenform weist während jedes Halbzyklus zwei Impulse auf, einen für jedes Diodenleitungsfenster.

Die Wellenform zeigt einen kontinuierlichen Strom, wenn sich die Leitung von einer Diode zur nächsten bewegt. Dies ist typisch, wenn es im Zwischenkreis eines Antriebs verwendet wird und eine gewisse Last vorhanden ist. Wechselrichter verwenden eine breite Pulsmodulation, um Ausgangssignale zu erzeugen. Das Dreiecksignal wird mit der Trägerfrequenz erzeugt, bei der der IGBT-Wechselrichter schaltet.

Diese Wellenform wird mit einer sinusförmigen Wellenform bei der Grundfrequenz verglichen, die zum Motor getrieben werden muss. Das Ergebnis ist die in der Abbildung gezeigte U-Wellenform.

Der Umrichterausgang kann eine beliebige Frequenz unterhalb oder oberhalb der Netzfrequenz bis zu den Grenzen des Umrichters und / oder der mechanischen Grenzen des Motors sein. Beachten Sie, dass der Antrieb immer innerhalb des Motorschlupfwertes läuft.

Steuerungsprozess starten

Das SCR-Timing ist der Schlüssel zur Steuerung des Spannungsausgangs für einen Softstarter. Während des Startvorgangs bestimmt die Softstarterlogik, wann der SCR eingeschaltet werden soll. Es schaltet den SCR nicht an dem Punkt ein, an dem die Spannung von negativ auf positiv übergeht, sondern wartet eine Weile danach. Dies ist ein wohlbekannter Prozess, der als "graduelle Wiederherstellung" des SCR bezeichnet wird. Der SCR-Schaltpunkt wird so eingestellt oder programmiert, dass das Startdrehmoment, der Startstrom oder die Stromgrenze streng kontrolliert wird.

Das Ergebnis der SCR-Stufenwiederherstellung ist eine nicht-sinusförmige Unterspannung an den Motorklemmen, wie in den Abbildungen gezeigt. Da der Motor induktiv ist und der Strom der Spannung nacheilt, bleibt der SCR eingeschaltet und leitet, bis der Strom Null erreicht. Dies geschieht, nachdem die Spannung negativ geworden ist. Individueller SCR-Spannungsausgang.

Im Vergleich zur Gesamtspannungswellenform ist ersichtlich, dass die Spitzenspannung gleich der Gesamtwellenformspannung ist. Aufgrund der induktiven Natur der Motoren steigt der Strom jedoch nicht auf das gleiche Niveau wie bei Anlegen der vollen Spannung. Wenn diese Spannung an den Motor angelegt wird, sieht der Ausgangsstrom wie in der Abbildung aus.

Da die Frequenz der Spannung der linearen Frequenz entspricht, ist auch die Frequenz des Stroms gleich. Die SCRs gehen allmählich in die Admittanz über, die Stromlücken werden aufgefüllt, bis die Wellenform der des Motors gleicht.

Motorkennlinie bei Verwendung eines Softstarters

Ein solcher sanfter Anlauf eines asynchronen Elektromotors hat im Gegensatz zu einem Drehstromantrieb die Eigenschaften des Stroms im Netz und des Motorstroms sind immer gleich. Beim Anlauf hängt die Stromänderung direkt von der Höhe der angelegten Spannung ab. Das Motordrehmoment variiert als das Quadrat der angelegten Spannung oder des angelegten Stroms.

Der wichtigste Faktor bei der Bewertung ist das Motordrehmoment. Standardmotoren erzeugen beim Anlauf ca. 180 % des Volllastdrehmoments. Daher entspricht ein Derating von 25 % dem Volllastdrehmoment. Wenn der Motor beim Anlauf 600 % des Volllaststroms aufnimmt, reduziert der Strom in diesem Stromkreis den Anlaufstrom von 600 % auf 450 % der Last.

Schaltpläne für Anlasser

Es gibt zwei Möglichkeiten, mit denen der Anlasser den Elektromotor startet: die Standardschaltung und im Dreieck.

Standardschema. Der Starter ist in Reihe mit der dem Motor zugeführten Netzspannung geschaltet.

Innerhalb des Dreiecks gibt es eine weitere Schaltung, nach der der Starter angeschlossen ist, die als interne Dreieckschaltung bezeichnet wird. In diesem Diagramm werden zwei Kabel, die mit einem der Motoren verbunden sind, direkt an die I / P-Stromversorgung angeschlossen, und das andere Kabel wird über den Starter angeschlossen. Ein Merkmal dieser Schaltung ist, dass der Starter für große Motoren wie 100 kW-Motoren verwendet werden kann, da die Phasenströme in 2 Teile aufgeteilt werden.