Softstart do silnika elektrycznego: zasada działania asynchronicznego silnika elektrycznego

Asynchroniczny silnik elektryczny ma możliwość niezależnego rozruchu dzięki interakcji między strumieniem wirującego pola magnetycznego a strumieniem uzwojenia wirnika, powodując w nim duży prąd. W rezultacie stojan pobiera duży prąd, który do czasu osiągnięcia przez silnik pełnej prędkości przekracza prąd znamionowy, co może prowadzić do przegrzania silnika i jego uszkodzenia. Aby temu zapobiec, wymagany jest softstarter silnika elektrycznego (SCD).

Zasada działania rozrusznika

Polega na tym, że urządzenie podczas rozruchu reguluje napięcie podawane na silnik, kontrolując charakterystykę prądu. W przypadku silników indukcyjnych moment rozruchowy jest w przybliżeniu proporcjonalny do kwadratu prądu rozruchowego. Jest proporcjonalny do przyłożonego napięcia. Moment obrotowy można również uznać za w przybliżeniu proporcjonalny do przyłożonego napięcia, w ten sposób regulując napięcie podczas rozruchu, prąd pobierany przez maszynę oraz jej moment obrotowy są kontrolowane przez urządzenie i mogą być zredukowany.

Używając sześciu tyrystorów w pokazanej konfiguracji, softstarter może: regulować napięcie dostarczane do silnika przy rozruchu od 0 woltów do nominalnej wartości liniowej Napięcie. Miękki rozruch silnika elektrycznego można przeprowadzić na trzy sposoby:

1. Bezpośredni start przy pełnym obciążeniu.
2. Stosowanie stopniowo obniżane.
3. Zastosowanie rozruchu uzwojenia częściowego za pomocą rozrusznika autotransformatorowego.

SCP może być dwojakiego rodzaju:

1. Otwórz kontrolę: napięcie rozruchowe jest podawane z opóźnieniem, niezależnie od prądu lub prędkości silnika. Dla każdej fazy, dwa SCR są najpierw opóźnione o 180 stopni dla odpowiednich cykli półfalowych (dla których wykonywany jest każdy SCR). Opóźnienie to stopniowo zmniejsza się w czasie, aż przyłożone napięcie osiągnie wartość nominalną. Znany jest również jako tymczasowy system stresu. Ta metoda w rzeczywistości nie kontroluje przyspieszenia silnika.
2. Monitorowanie w pętli zamkniętej: Monitoruje wszelkie charakterystyki mocy wyjściowej silnika, takie jak prąd lub prędkość. Napięcie początkowe jest odpowiednio zmieniane w celu uzyskania wymaganej odpowiedzi. Zatem zadaniem softstartu jest sterowanie kątem przewodzenia tyrystora i sterowanie napięciem zasilania.

Korzyści z miękkiego startu

Softstarty półprzewodnikowe wykorzystują urządzenia półprzewodnikowe do tymczasowego obniżenia parametrów na zaciskach silnika. Umożliwia to monitorowanie prądu silnika w celu zmniejszenia momentu obrotowego silnika. Sterowanie opiera się na kontroli napięcia na zaciskach silnika na dwóch lub trzech fazach.

Istnieje kilka powodów, dla których ta metoda jest preferowana w stosunku do innych:

1. Zwiększona wydajność: Sprawność systemu softstartu w stanie łagodnym wynika głównie ze stanu niskiego napięcia.
2. Kontrolowane uruchomienie: Parametry rozruchu można kontrolować, łatwo je zmieniając, co zapewnia, że ​​uruchamia się bez szarpnięć.
3. Kontrolowane przyspieszenie: Przyspieszenie silnika jest kontrolowane płynnie.
4. Niski koszt i rozmiar: Odbywa się to za pomocą przełączników półprzewodnikowych.

Komponenty półprzewodnikowe

Przełączniki zasilania, takie jak SCR, które są sterowane fazowo dla każdej części cyklu. W przypadku silnika trójfazowego do każdej fazy podłączone są dwa tyrystory. Przekaźniki łagodnego rozruchu silnika muszą mieć wartość znamionową co najmniej trzykrotnie większą niż napięcie sieciowe.

Przykład roboczy układu do silnika indukcyjnego trójfazowego. System składa się z 6 tyrystorów, układu sterowania logicznego w postaci dwóch komparatorów - LM324 i LM339 dla uzyskanie poziomu i napięcia rampy oraz optoizolator do sterowania przyłożeniem napięcia bramki do tyrystora na w każdej fazie.

W ten sposób, kontrolując czas trwania między impulsami lub ich opóźnienie, kontrolowany kąt tyrystora jest monitorowany, a zasilanie podczas fazy rozruchu silnika jest regulowane. Cały proces jest w rzeczywistości systemem sterowania w otwartej pętli, który kontroluje synchronizację impulsów wyzwalających bramkę dla każdego tyrystora.

Podstawy SCR

SCR (Silicon Controlled Rectifier) ​​to regulator mocy sterowany prądem stałym dużej mocy. Softstarty silników indukcyjnych SCR to czterowarstwowe krzemowe urządzenia półprzewodnikowe PNPN. Ma trzy zewnętrzne zaciski i wykorzystuje alternatywne symbole na rysunku 2 (a) i ma obwód zastępczy tranzystora na rysunku 2 (b).

Głównym zastosowaniem tyrystora jest przełącznik z anodą dodatnią względem katody, kontrolowany podczas uruchamiania maszyny.

Za pomocą tych diagramów można zrozumieć główne cechy SCR. Softstart silnika można włączyć i ustawić tak, aby działał jako krzemowy prostownik polaryzacji do przodu, przez krótkie przyłożenie do niego prądu bramki przez S2. SCR szybko (w ciągu kilku mikrosekund) automatycznie przełącza się w stan włączenia i pozostaje włączony nawet po wyjęciu silnika migawki.

To działanie jest pokazane na rysunku 2 (b) początkowy prąd bramki włącza Q1, a prąd kolektora Q1 włącza Q2, prąd kolektora Q2 utrzymuje Q1 nawet po odłączeniu napędu bramki. Potencjał nasycenia wynosi około 1 V i powstaje między anodą a katodą.

Do włączenia tyrystora wymagany jest tylko krótki impuls migawki. Po naprawieniu tyrystora można go ponownie wyłączyć, krótko zmniejszając jego prąd anodowy poniżej określonej wartości, zazwyczaj kilka miliamperów, w aplikacjach AC, wyłączenie następuje automatycznie w punkcie przecięcia zerowego w każdym pół cyklu.

Pomiędzy bramką a anodą tyrystora dostępny jest znaczny zysk, a niskie prądy bramkowe (zwykle kilka mA lub mniej) może kontrolować wysokie wartości prądu anodowego (do kilkudziesięciu wzmacniacze). Większość tyrystorów ma anody o wartości setek woltów. Charakterystyka bramki SCR jest podobna do charakterystyki złącza tranzystorowego - emitera tranzystora (patrz. Ryż. 2 lit. b).

Pomiędzy anodą a bramką tyrystora istnieje wewnętrzna pojemność (kilka pF), a wzrost napięcia pojawiający się na anodzie może spowodować przebicie bramki wystarczające do włączenia tyrystora. Ten „efekt prędkości” może być spowodowany przez stany nieustalone linii energetycznych itp. Problemy z efektem prędkości można przezwyciężyć, uruchamiając sieć wygładzającą CR między anodą a katodą, aby ograniczyć szybkość narastania do bezpiecznej wartości.

Praca ze zmienną prędkością

Napięcie sieciowe AC (rys. 5) jest prostowany za pomocą pasywnego mostka diodowego. Oznacza to, że diody są wyzwalane, gdy napięcie sieciowe jest większe niż napięcie w sekcji kondensatora. Powstały przebieg ma dwa impulsy podczas każdej połowy cyklu, po jednym dla każdego okna przewodzenia diody.

Przebieg pokazuje pewien ciągły prąd, gdy przewodnictwo przechodzi z jednej diody do drugiej. Jest to typowe, gdy jest używany w łączu DC przemiennika i występuje pewne obciążenie. Falowniki wykorzystują szeroką modulację impulsów do generowania sygnałów wyjściowych. Sygnał trójkąta jest generowany na częstotliwości nośnej, z jaką przełącza się falownik IGBT.

Ten przebieg jest porównywany z przebiegiem sinusoidalnym o częstotliwości podstawowej, który musi być doprowadzony do silnika. Wynikiem jest przebieg U pokazany na rysunku.

Wyjście falownika może mieć dowolną częstotliwość poniżej lub powyżej częstotliwości linii aż do granic falownika i/lub mechanicznych granic silnika. Należy zauważyć, że przemiennik zawsze pracuje w zakresie znamionowego poślizgu silnika.

Rozpocznij proces kontroli

Taktowanie SCR jest kluczem do kontrolowania napięcia wyjściowego softstartera. Podczas rozruchu logika softstartu określa, kiedy włączyć tyrystor. Nie włącza SCR w punkcie, w którym napięcie przechodzi z ujemnego na dodatnie, ale czeka chwilę po tym. Jest to dobrze znany proces zwany „stopniowym odzyskiwaniem” SCR. Punkt przełączania SCR jest ustawiony lub zaprogramowany tak, aby moment rozruchowy, prąd rozruchowy lub ograniczenie prądu były ściśle kontrolowane.

Wynikiem odzyskiwania stopnia tyrystora SCR jest niesinusoidalne podnapięcie na zaciskach silnika, jak pokazano na rysunkach. Ponieważ silnik jest indukcyjny, a prąd pozostaje w tyle za napięciem, tyrystor pozostaje włączony i przewodzi, aż prąd osiągnie zero. Dzieje się tak, gdy napięcie jest ujemne. Indywidualne wyjście napięciowe SCR.

W porównaniu z przebiegiem całkowitego napięcia można zauważyć, że napięcie szczytowe jest takie samo jak napięcie całkowite przebiegu. Jednak prąd nie wzrasta do tego samego poziomu, co przy przyłożeniu pełnego napięcia ze względu na indukcyjny charakter silników. Po przyłożeniu tego napięcia do silnika prąd wyjściowy wygląda jak na rysunku.

Ponieważ częstotliwość napięcia jest taka sama jak częstotliwość liniowa, częstotliwość prądu jest również taka sama. SCR stopniowo przechodzą do admitancji, a luki prądowe są wypełniane, aż przebieg będzie wyglądał tak samo jak silnik.

Charakterystyka silnika przy użyciu softstartu

Taki płynny rozruch asynchronicznego silnika elektrycznego, w przeciwieństwie do napędu prądu przemiennego, ma charakterystykę prądu w sieci, a prąd silnika jest zawsze taki sam. Podczas rozruchu zmiana prądu zależy bezpośrednio od wielkości przyłożonego napięcia. Moment obrotowy silnika zmienia się jako kwadrat przyłożonego napięcia lub prądu.

Najważniejszym czynnikiem przy ocenie jest moment obrotowy silnika. Standardowe silniki wytwarzają podczas rozruchu około 180% pełnego momentu obciążenia. Dlatego obniżenie wartości znamionowych o 25% będzie równe momentowi obrotowemu przy pełnym obciążeniu. Jeśli silnik podczas rozruchu pobiera 600% prądu pełnego obciążenia, prąd w tym obwodzie zmniejszy prąd rozruchowy z 600% do 450% obciążenia.

Schematy okablowania rozrusznika

Istnieją dwie opcje, za pomocą których rozrusznik uruchamia silnik elektryczny: obwód standardowy i wewnątrz trójkąta.

Schemat standardowy. Rozrusznik jest połączony szeregowo z napięciem sieciowym dostarczanym do silnika.

Wewnątrz trójkąta znajduje się kolejny obwód, zgodnie z którym podłączony jest rozrusznik, zwany wewnętrznym obwodem trójkąta. Na tym schemacie dwa kable łączące się z jednym z silników są podłączone bezpośrednio do zasilacza I/P, a drugi kabel będzie podłączony przez rozrusznik. Jedną z cech tego obwodu jest to, że rozrusznik może być używany do dużych silników, takich jak silniki o mocy 100 kW, ponieważ prądy fazowe są podzielone na 2 części.