Пускатели двигателей: типы, функции и пусковые схемы

Типы пускателей двигателей и методы пуска

Что такое пускатель двигателя?

Пускатель двигателя — электрическое устройство для безопасного пуска и остановки двигателя. Похож на реле: коммутирует питание ВКЛ/ВЫКЛ, но дополнительно обеспечивает защиту от низкого напряжения и перетока.

Основные функции:

• Безопасный пуск двигателя
• Безопасная остановка
• Реверс направления вращения
• Защита от низкого напряжения и перетока

Пускатель состоит из двух главных компонентов:

• Электромагнитный контактер: коммутирует питание двигателя замыканием/размыканием контактов.
• Схема защиты от перегрузки: защищает двигатель от перегрузки. Большой ток через ротор может повредить обмотки и другие приборы. Датчик тока разрывает питание.

Зачем нужен пускатель с двигателем?

Пускатель необходим для асинхронного двигателя из-за низкого импеданса ротора. Импеданс ротора зависит от скольжения — относительной скорости ротора и статора. Импеданс обратно пропорционален скольжению.

При пуске скольжение = 1 (останов), импеданс минимален, потребляется огромный пусковой ток (inrush current). Он намагничивает воздушный зазор, индуцирует ЭДС в роторе, создает магнитное поле и крутящий момент. По мере разгона скольжение падает, ток уменьшается.

Пусковой ток в 5-8 раз превышает номинальный. Такой ток может сжечь обмотки и вызвать глубокую прсадку напряжения в сети, повреждая другие приборы.

Чтобы защитить двигатель, пускатель ограничивает начальный ток на короткое время при пуске, а по набору скорости восстанавливает нормальное питание. Также защищает от низкого напряжения и перетока в работе.

Малые двигатели <1 л.с. имеют высокий импеданс и выдерживают пусковой ток без пускателя, но им нужна защита от перетока, которую дает ДОЛ (DOL — прямое включение).

Как работает пускатель?

Пускатель — устройство управления для ручного или автоматического включения/выключения двигателя замыканием/размыканием контактов.

Ручной пускатель для малых двигателей: ручная ручка переключает контакты в ВКЛ/ВЫКЛ. Недостаток — после сбоя питания нужно включать вручную. Это может привести к протеканию больших токов. Поэтому ручные пускатели не рекомендуются там, где есть автоматические с защитой.

Автоматические пускатели с электромагнитными реле и контактерами коммутируют двигатель. Когда ток проходит через катушку контактера, она возбуждается, создает ЭМП, притягивает/отталкивает контакты, соединяя обмотки с сетью.

Кнопки Пуск/Стоп, подключенные к двигателю и пускателю, служат для ВКЛ/ВЫКЛ. Нажатие Стоп развозбуждает катушку, контакты возвращаются пружинами в исходное положение — двигатель остановлен. При отключении питания или ручном выключении двигатель не самовозвратно запускается, пока не нажмут кнопку Пуск. На схеме показана работа ДОЛ пускателя.

Типы пускателей по методам пуска

В промышленности используются различные методы пуска асинхронных двигателей.

• Пускатель полного напряжения (прямого включения / Across The Line)

Прямое подключение двигателя к сети с полным напряжением. Для низкомощных двигателей, не вызывающих большую прсадку. Применяются там, где двигатель работает в одном направлении.

• Реверсивный пускатель полного напряжения

Направление 3-фазного асинхронного двигателя меняется перестановкой любых двух фаз. Пускатель содержит два механически заблокированных магнитных контактера с переставленными фазами для прямого и обратного хода. Для приложений, требующих работы в обе стороны.

• Многоскоростной пускатель

Для изменения скорости АС двигателя меняют частоту питания или число полюсов (переключением обмоток). Такие пускатели задают несколько заранее выбранных скоростей.

• Пускатель с пониженным напряжением (Reduced Voltage Starter)

Самый частый метод — снижение напряжения при пуске для ограничения пускового тока, повреждающего обмотки и вызывающего прсадку напряжения. Для высокомощных двигателей.

Основываясь на методах выше, в промышленности применяют следующие типы пускателей:

Типы пускателей двигателей:

Рассмотрим типы и методы пуска с плюсами и минусами.

1. Прямой пуск (DOL — Direct Online)
2. Пускатель с активным сопротивлением в статоре
3. Пускатель с роторным сопротивлением (коллекторный/скользящий)
4. Автотрансформаторный пускатель
5. Звезда-треугольник (Star-Delta)
6. Мягкий пускатель (Soft Starter)
7. Частотообразователь (VFD — Variable Frequency Drive)

Пускатели делятся на два основных класса:

• Ручной пускатель

Работает вручную, не требует навыков. Кнопка ВКЛ/ВЫКЛ размыкает/замыкает цепь механическим переключателем. Дают защиту от перегрузки, но НЕ имеют защиту от низкого напряжения (LVP) — не разрывают цепь при пропадании питания. Опасно для некоторых применений: двигатель самовозвратно запустится при возврате питания. Для маломощных двигателей. ДОЛ — ручной пускатель с защитой от перегрузки.

• Магнитный пускатель

Самый распространенный тип для высокомощных АС двигателей. Работает электромагнитно как реле. Дает более низкое и безопасное пусковое напряжение, защиту от низкого напряжения и перетока. При пропадании питания автоматически разрывает цепь. В отличие от ручных — автоматическое и дистанционное управление без оператора.

Магнитный пускатель состоит из двух цепей:

• Силовая цепь: питание двигателя. Состоит из силовых контактов, включающих/выключающих питание от сети к двигателю через тепловое реле.
• Управляющая цепь: управляет контактами силовой цепи. Электромагнитная катушка возбуждается/развозбуждается, притягивая/отталкивая контакты. Обеспечивает дистанционное управление.

Пускатель прямого включения (DOL)

DOL — простейший пускатель, соединяющий двигатель напрямую с сетью. Состоит из магнитного контактера, соединяющего двигатель с линией, и теплового реле для защиты от перетока. Нет снижения напряжения для безопасного пуска. Поэтому двигатели с такими пускателями — ниже 5 л.с. Две кнопки Пуск/Стоп. Ключ ВКЛ/ВЫКЛ может быть любого типа: поворотной, рычажный, плавающий и т.д.

Нажатие Пуск возбуждает катушку, контактеры замыкаются. Нажатие Стоп развозбуждает катушку, контакты размыкаются. Нормально замкнутые контакты теплового реле удерживают катушку контактера. При срабатывании реле катушка развозбуждается, цепь разрывается.

Преимущества DOL:

• Очень простая и дешевая конструкция.
• Легко понять и эксплуатировать.
• Высокий пусковой момент за счет большого пускового тока.

Недостатки DOL:

• Высокий пусковой ток может повредить обмотки.
• Высокий пусковой ток вызывает прсадку напряжения в сети.
• Не подходит для мощных двигателей.
• Может сократить срок службы двигателя.

Пускатель с активным сопротивлением в статоре

Использует метод снижения напряжения (RVS). Внешнее сопротивление последовательно включается в каждую фазу статора 3-фазного асинхронного двигателя. Резистор снижает линейное напряжение (и пусковой ток) на статоре.

Изначально переменный резистор в макс. положении — макс. сопротивление. Напряжение на двигателе минимально (безопасный уровень) из-за падения на резисторе. Низкое напряжение статора ограничивает пусковой ток. По разгону резистор уменьшают, фазы статора напрямую соединяют с сетью.

Ток пропорционален напряжению, момент — квадрату тока. Падение напряжения в 2 раза снижает момент в 4 раза. Пусковой момент очень мал и требует поддержания.

Преимущества:

• Гибкость пусковых характеристик.
• Переменное напряжение дает плавный разгон.
• Можно подключать к звезде или треугольнику.

Недостатки:

• Резисторы рассеивают мощность.
• Очень низкий пусковой момент из-за снижения напряжения.
• Резисторы дорогие для больших двигателей.

Пускатель с роторным сопротивлением (скользящий/коллекторный)

Работает по методу полного напряжения. Только для двигателей с кольцевым ротором (скольжения) — поэтому называется пускателем двигателя с кольцевым ротором.

Внешние резисторы подключаются к ротору по схеме «звезда» через контакты скольжения. Резисторы ограничивают ток ротора и увеличивают момент. Это снижает пусковой ток статора. Улучшает коэффициент мощности.

Резисторы используются только при пуске и убираются при достижении номинальной скорости.

Преимущества:

• Низкий пусковой ток при полном напряжении.
• Высокий пусковой момент — пуск под нагрузкой.
• Улучшает коэффициент мощности.
• Широкий диапазон регулировки скорости.

Недостатки:

• Только для двигателей с кольцевым ротором.
• Ротор дороже и тяжелее.

Автотрансформаторный пускатель

Использует автотрансформатор как понижающий трансформатор для снижения напряжения на статоре при пуске. Подключается и к звезде, и к треугольнику.

Вторичная обмотка автотрансформатора соединена с каждой фазой двигателя. Множественные отпаи автотрансформатора дают долю номинального напряжения. При пуске реле в начальном положении — отпай с пониженным напряжением. Реле переключает отпаи, повышая напряжение с ростом скорости. В конце — полное номинальное напряжение.

По сравнению с другими методами снижения напряжения дает более высокое напряжение при заданном пусковом токе. Обеспечивает лучший пусковой момент.

Преимущества:

• Лучший пусковой момент.
• Для пуска больших двигателей с значительной нагрузкой.
• Ручное управление скоростью.
• Гибкость пусковых характеристик.

Недостатки:

• Большие габариты автотрансформатора — много места.
• Сложная и относительно дорогая схема.

Пускатель «звезда-треугольник» (Star-Delta)

Распространенный промышленный метод для больших двигателей. Обмотки 3-фазного асинхронного двигателя переключаются между звездой и треугольником.

Для пуска двигатель соединяют в звезду через трехполюсный двухпозиционный реле. Фазное напряжение в звезде снижается в √3 раз, пусковой ток и момент — до 1/3 от номинала.

При разгоне таймер переключает звезду статора в треугольник — полное напряжение на обмотках. Двигатель работает на номинальной скорости.

Преимущества:

• Простая и дешевая конструкция.
• Не требует обслуживания.
• Низкий пусковой ток.
• Для пуска больших асинхронных двигателей.
• Лучше для длительного разгона.

Недостатки:

• Только для двигателей с обмоткой треугольник.
• Много проводов/соединений.
• Низкий пусковой момент, который нельзя удержать.
• Ограниченная гибкость пусковых характеристик.
• Механический рывок при переключении звезда-треугольник.

Мягкий пускатель (Soft Starter)

Тоже использует снижение напряжения. Применяет полупроводниковые ключи (ТРИАК) для управления напряжением и пусковым током асинхронного двигателя.

Фазовый ТРИАК дает переменное напряжение. Напряжение меняется изменением угла открывания (угла управления) ТРИАКа. Угол минимален — пониженное напряжение. Угол растет — напряжение плавно растет. При макс. угле — полное линейное напряжение, двигатель на номинальной скорости.

Обеспечивает плавное нарастание напряжения, тока и момента. Нет механического рывка — плавная работа, продлевает срок службы.

Преимущества:

• Лучшее управление пусковым током и напряжением.
• Плавный разгон, нет рывков.
• Снижает импульсы мощности в системе.
• Продлевает срок службы.
• Выше КПД, меньше обслуживания.
• Малые габариты.

Недостатки:

• Дороже.
• Тепловые потери.

Частотообразователь (VFD — Variable Frequency Drive)

Как мягкий пускатель, VFD меняет и напряжение, и частоту тока. Основное назначение — регулировка скорости асинхронного двигателя, так как она зависит от частоты.

Переменный ток сети выпрямляется в постоянный через выпрямители. Чистый постоянный ток инвертируется в переменный с регулируемой частотой и напряжением через ШИМ на силовных транзисторах (IGBT).

Дает полный контроль скорости от 0 до номинальной. Регулировка скорости с переменным напряжением дает лучший пусковой ток и разгон.

Преимущества VFD:

• Плавный разгон больших двигателей.
• Полный контроль скорости с плавным разгоном и торможением.
• Продлевает срок службы за счет отсутствия электрических и механических напряжений.
• Прямой и обратный ход.

Недостатки VFD:

• Дорог, если не нужен контроль скорости.
• Тепловыделение.
• VFD создают гармоники в сети, влияют на электронику и коэффициент мощности.