Soft starter per un motore elettrico: il principio di funzionamento di un motore elettrico asincrono

Un motore elettrico asincrono ha la capacità di avviarsi indipendentemente a causa dell'interazione tra il flusso del campo magnetico rotante e il flusso dell'avvolgimento del rotore, causando un'elevata corrente al suo interno. Di conseguenza, lo statore assorbe una grande corrente che, quando il motore raggiunge la massima velocità, diventa superiore alla corrente nominale, il che può portare al surriscaldamento del motore e al suo danneggiamento. Per evitare ciò, è necessario un soft starter (SCD) del motore elettrico.

Il principio di funzionamento del motorino di avviamento

Consiste nel fatto che il dispositivo regola la tensione applicata al motore durante l'avviamento, controllando le caratteristiche della corrente. Per i motori a induzione, la coppia di spunto è approssimativamente proporzionale al quadrato della corrente di avviamento. È proporzionale alla tensione applicata. La coppia può essere considerata anche approssimativamente proporzionale alla tensione applicata, regolandosi così la tensione durante l'avviamento, la corrente assorbita dalla macchina e la sua coppia sono controllate dal dispositivo e possono essere ridotto.

Utilizzando sei SCR in una configurazione come mostrato, l'avviatore statico può regolare la tensione fornita al motore all'avviamento da 0 volt a nominale lineare voltaggio. L'avviamento graduale del motore elettrico può essere effettuato in tre modi:

1. Avviamento diretto utilizzando la tensione a pieno carico.
2. Applicando gradualmente declassato.
3. Applicazione di avviamento di un avvolgimento parziale utilizzando un avviatore autotrasformatore.

SCP può essere di due tipi:

1. Controllo aperto: la tensione di spunto viene applicata con un ritardo indipendentemente dalla corrente o dalla velocità del motore. Per ciascuna fase, i due SCR vengono prima ritardati di 180 gradi per i rispettivi cicli di semionda (per i quali viene eseguito ciascun SCR). Questo ritardo diminuisce gradualmente nel tempo fino a quando la tensione applicata raggiunge il valore nominale. È anche conosciuto come un sistema di stress temporaneo. Questo metodo non controlla effettivamente l'accelerazione del motore.
2. Monitoraggio ad anello chiuso: Monitora qualsiasi caratteristica dell'uscita del motore come la corrente o la velocità. La tensione di spunto viene variata di conseguenza per ottenere la risposta richiesta. Pertanto, il compito dell'avviatore statico è controllare l'angolo di conduzione dell'SCR e controllare la tensione di alimentazione.

Vantaggi dell'avvio graduale

Gli avviatori statici allo stato solido utilizzano dispositivi a semiconduttore per ridurre temporaneamente i parametri ai terminali del motore. Ciò consente di monitorare la corrente del motore per ridurre la coppia del limite del motore. Il controllo si basa sul controllo della tensione dei morsetti del motore su due o tre fasi.

Ci sono diversi motivi per cui questo metodo è preferito rispetto ad altri:

1. Maggiore efficienza: L'efficienza di un sistema di avviamento graduale a stato graduale è principalmente dovuta allo stato di bassa tensione.
2. Lancio controllato: I parametri di avviamento possono essere controllati modificandoli facilmente, il che garantisce un avvio senza strappi.
3. Accelerazione controllata: L'accelerazione del motore è controllata in modo uniforme.
4. Basso costo e dimensioni: Questo viene fatto usando interruttori a stato solido.

Componenti a stato solido

Interruttori di alimentazione come gli SCR che sono controllati in fase per ogni parte del ciclo. Per un motore trifase, due SCR sono collegati a ciascuna fase. I relè di avviamento graduale del motore devono essere classificati almeno tre volte la tensione di linea.

Esempio di funzionamento di un sistema per motore asincrono trifase. Il sistema è composto da 6 SCR, un circuito logico di controllo sotto forma di due comparatori - LM324 e LM339 per ottenere il livello e la tensione della rampa e un optoisolatore per controllare l'applicazione della tensione di gate all'SCR su ogni fase.

Pertanto, controllando la durata tra gli impulsi o il loro ritardo, viene monitorato l'angolo SCR controllato e viene regolata l'alimentazione durante la fase di avviamento del motore. L'intero processo è in realtà un sistema di controllo ad anello aperto che controlla la temporizzazione degli impulsi di attivazione del gate per ciascun SCR.

Nozioni di base sull'SCR

SCR (Silicon Controlled Rectifier) ​​è un regolatore di potenza controllato in CC ad alta potenza. Gli avviatori statici per motori a induzione SCR sono dispositivi a semiconduttore in silicio a quattro strati PNPN. Ha tre terminali esterni e utilizza simboli alternati in Figura 2 (a) e ha un circuito equivalente a transistor in Figura 2 (b).

L'utilizzo principale dell'SCR è come interruttore con anodo positivo rispetto al catodo, comandato all'accensione della macchina.

Le caratteristiche principali dell'SCR possono essere comprese utilizzando questi diagrammi. L'avviatore statico del motore può essere acceso e fatto agire come un raddrizzatore di polarizzazione diretta al silicio applicandovi brevemente una corrente di gate attraverso S2. L'SCR rapidamente (entro pochi microsecondi) si aggancia automaticamente allo stato di accensione e rimane attivo anche quando il motore della tapparella viene rimosso.

Questa azione è mostrata in Figura 2 (b) la corrente di gate iniziale accende Q1 e la corrente di collettore di Q1 accende Q2, la corrente di collettore di Q2 quindi mantiene Q1 anche quando l'azionamento del gate viene rimosso. Il potenziale di saturazione è di circa 1 V e si crea tra anodo e catodo.

È necessario solo un breve impulso dell'otturatore per accendere l'SCR. Una volta che l'SCR è stato fissato, può essere nuovamente spento riducendo brevemente la sua corrente anodica al di sotto di un certo valore, in genere pochi milliampere, nelle applicazioni CA, lo spegnimento avviene automaticamente nel punto di zero-cross su ciascuno mezzo ciclo.

È disponibile un guadagno significativo tra il gate e l'anodo dell'SCR e basse correnti di gate (solitamente pochi mA o meno) possono controllare alti valori di corrente anodica (fino a decine di amplificatori). La maggior parte degli SCR ha valori nominali dell'anodo di centinaia di volt. Le caratteristiche della porta SCR sono simili a quelle della giunzione del transistor - l'emettitore del transistor (vedi. Riso. 2 (b)).

Esiste una capacità interna (alcuni pF) tra l'anodo e il gate dell'SCR e la sovratensione che appare sull'anodo può causare un'apertura del gate sufficiente per accendere l'SCR. Questo "effetto velocità" può essere causato da transitori sulla linea di alimentazione, ecc. I problemi con l'effetto velocità possono essere superati eseguendo una rete di livellamento CR tra l'anodo e il catodo per limitare la velocità di aumento a un valore sicuro.

Funzionamento a velocità variabile

Tensione di rete CA (fig. 5) viene rettificato mediante un ponte a diodi passivo. Ciò significa che i diodi vengono attivati ​​quando la tensione di linea è maggiore della tensione ai capi della sezione del condensatore. La forma d'onda risultante ha due impulsi durante ogni semiciclo, uno per ogni finestra di conduzione del diodo.

La forma d'onda mostra una corrente continua mentre la conduzione si sposta da un diodo all'altro. Questo è tipico quando viene utilizzato nel collegamento CC di un azionamento ed è presente un carico. Gli inverter utilizzano un'ampia modulazione a impulsi per generare segnali di uscita. Il segnale triangolare viene generato alla frequenza portante con cui commuterà l'inverter IGBT.

Questa forma d'onda viene confrontata con una forma d'onda sinusoidale alla frequenza fondamentale che deve essere portata al motore. Il risultato è la forma d'onda U mostrata nella figura.

L'uscita dell'inverter può essere qualsiasi frequenza inferiore o superiore alla frequenza di linea fino ai limiti dell'inverter e/o ai limiti meccanici del motore. Si noti che l'azionamento funziona sempre entro il coefficiente di scorrimento del motore.

Avvia il processo di controllo

La temporizzazione SCR è la chiave per controllare l'uscita di tensione per un avviatore statico. Durante l'avvio, la logica dell'avviatore statico determina quando attivare l'SCR. Non accende l'SCR nel punto in cui la tensione passa da negativo a positivo, ma attende un po' di tempo dopo. Questo è un noto processo chiamato "ripristino graduale" dell'SCR. Il punto di commutazione SCR è impostato o programmato in modo che la coppia di avviamento, la corrente di avviamento o il limite di corrente siano strettamente controllati.

Il risultato del recupero a gradino SCR è una sottotensione non sinusoidale ai terminali del motore come mostrato nelle figure. Poiché il motore è induttivo e la corrente è in ritardo rispetto alla tensione, l'SCR rimane acceso e conduce fino a quando la corrente non raggiunge lo zero. Questo accade dopo che la tensione è diventata negativa. Uscita di tensione SCR individuale.

Rispetto alla forma d'onda della tensione totale, si può vedere che la tensione di picco è la stessa della tensione della forma d'onda totale. Tuttavia, la corrente non aumenta allo stesso livello di quando viene applicata la piena tensione a causa della natura induttiva dei motori. Quando questa tensione viene applicata al motore, la corrente di uscita appare come in figura.

Poiché la frequenza della tensione è la stessa della frequenza lineare, anche la frequenza della corrente è la stessa. Gli SCR passano gradualmente all'ammettenza, i vuoti di corrente vengono riempiti fino a quando la forma d'onda sembra uguale a quella del motore.

Caratteristiche del motore utilizzando un soft starter

Un avviamento così dolce di un motore elettrico asincrono, a differenza di un convertitore di frequenza, ha le caratteristiche della corrente nella rete e la corrente del motore è sempre la stessa. Durante l'avviamento, la variazione di corrente dipende direttamente dall'entità della tensione applicata. La coppia del motore varia come il quadrato della tensione o della corrente applicata.

Il fattore più importante nella valutazione è la coppia del motore. I motori standard producono circa il 180% della coppia a pieno carico all'avviamento. Pertanto, un declassamento del 25% sarà uguale alla coppia a pieno carico. Se il motore assorbe il 600% della corrente a pieno carico all'avvio, la corrente in questo circuito ridurrà la corrente di avviamento dal 600% al 450% del carico.

Schemi elettrici di avviamento

Ci sono due opzioni con cui il motorino di avviamento avvia il motore elettrico: il circuito standard e all'interno del delta.

Schema standard. L'avviatore è collegato in serie con la tensione di linea fornita al motore.

All'interno del triangolo, c'è un altro circuito in base al quale è collegato l'avviatore, chiamato circuito delta interno. In questo schema, due cavi che si collegano a uno dei motori sono collegati direttamente all'alimentazione I/P e l'altro cavo sarà collegato tramite l'avviatore. Una caratteristica di questo circuito è che l'avviatore può essere utilizzato per motori di grandi dimensioni come i motori da 100 kW, poiché le correnti di fase sono divise in 2 parti.