1. Technologie softstartów
Terminem „softstart” określana jest szeroka grupa urządzeń służących do rozruchu silników elektrycznych, charakteryzująca się dużą różnorodnością rozwiązań technologicznych.
W technologiach tych występują znaczne różnice w zastosowanych metodach sterowania
i wynikających z tego korzyściach. Softstarty możemy podzielić na następujące kategorie zastosowań:
- sterowanie momentem
- sterowanie z otwartą pętlą napięcia
- sterowanie z zamkniętą pętlą napięcia
- sterowanie z zamkniętą pętlą prądu
Kontrolery momentu
Ten typ zapewnia redukcję tylko momentu rozruchowego. Najczęściej urządzenia zapewniają tylko kontrolę jednej fazy (rzadziej dwiema fazami). Skutkiem tego jest brak kontroli nad prądem rozruchowym, który występuje w bardziej zaawansowanych rozwiązaniach softstartów. Jednofazowe kontrolery momentu muszą być używane wraz ze stycznikiem i zabezpieczeniem przeciążenia silnika. Są one odpowiednie dla niewymagających aplikacji z małą lub średnią liczbą rozruchów. Sterowanie trójfazowe powinno być używane dla aplikacji z dużą liczbą rozruchów lub aplikacji z wysoką bezwładnością obciążenia, ponieważ jednofazowe kontrolery podnoszą temperaturę silnika podczas startu. Dzieje się tak, ponieważ prawie pełny prąd przy znamionowym napięciu przepływa przez uzwojenia silnika i nie może być kontrolowany przez kontroler jednofazowy. Ten przepływ prądu dla okresów dłuższych niż rozruch bezpośredni podnosi temperaturę silnika. Dwufazowe kontrolery momentu muszą być używane z zabezpieczeniem przeciążeniowym, ale mogą także startować i zatrzymywać silnik bez użycia stycznika, jakkolwiek napięcie jest obecne na silniku nawet, kiedy nie pracuje.
Kontrolery z otwartą pętlą napięcia
Kontrolują wszystkie trzy fazy i zapewniają korzyści elektryczne i mechaniczne normalnie oferowane w softstartach. Te systemy kontrolują napięcia zasilające silnik w pożądany sposób, ale nie otrzymujemy sygnału sprzężenia zwrotnego prądu rozruchu. Kontrola procesu rozruchu jest prowadzona przez użytkownika poprzez zmianę parametrów takich jak, początkowe napięcie, czas rozruchu i podwójny czas rozruchu. Dostępna jest także funkcja łagodnego zatrzymania, która zwykle wydłuża czasy zatrzymania silnika. Kontrolery z otwartą pętlą napięcia muszą być używane z zabezpieczeniem przeciążenia silnika i w razie potrzeby wraz ze stycznikiem sieciowym. Jak z tego wynika są to pojedyncze urządzenia, które musimy zintegrować z innymi elementami aby skompletować pełny układ softstartu.
Kontrolery z zamkniętą pętlą napięcia
Urządzenia te są modyfikacją kontrolerów otwartej pętli napięcia. Otrzymują sygnał sprzężenia zwrotnego o prądzie rozruchowym silnika i używają go do zatrzymania narastania napięcia rozruchowego, gdy wartość prądu rozruchowego przekroczy limit, jaki został zaprogramowany przez użytkownika. Nastawy użytkownika są takie same jak dla kontrolerów z otwartą pętlą napięcia, lecz dodatkowo posiadają nastawę limitu prądu. Informacje o prądzie silnika są często użyteczne dla podstawowych funkcji zabezpieczeń działających w oparciu o prąd. Należą do nich zabezpieczenia: przeciążeniowe, podprądowe, asymetria faz, nagłe przeciążenie itp. Te systemy składają się na kompletny softstart silnika zapewniając kontrolę nad rozruchem i zatrzymaniem silnika oraz jego zabezpieczeniem.
Kontrolery z zamkniętą pętlą prądu
Tą grupę stanowią najbardziej zaawansowane z softstartów. Odwrotnie niż w systemach bazujących na napięciu, technologia zamkniętej pętli prądowej używa prądu jako podstawowego sygnału odniesienia. Przewagą tego rozwiązania jest dokładna kontrola prądu rozruchu oraz łatwość jego nastawy. Wiele z nastaw użytkownika wymaganych przez systemy z zamkniętą pętlą napięcia mogą być automatycznie wykonane przez systemy bazujące na prądzie. Urządzenia IMS2, są softstartami z zamknięta pętlą prądu.
2. Redukcja napięcia rozruchu
Rozruch silników indukcyjnych poprzez bezpośrednie zasilanie napięciem znamionowym powoduje powstanie dużego początkowego prądu rozruchowego LRC (Locked Rotor Current), który wytwarza początkowy moment rozruchowy LRT (Locked Rotor Torque). Gdy silnik przyspiesza maleje prąd, natomiast moment wzrasta do wartości momentu krytycznego, po czym maleje przy znamionowej prędkości obrotowej silnika. Obie te wielkości i ich ukształtowanie zależą od konstrukcji silnika i są przedstawione na poniższym wykresie.
Silniki z niemal identyczną charakterystyką prędkościową często zmieniają swe właściwości w warunkach początkowych. Zakres prądu rozruchowego może zawierać się od 500% do 900% prądu znamionowego silnika, natomiast moment silnika od 70% do około 230% momentu znamionowego silnika FLT (Full Load Torque). Charakterystyka prądu i momentu przy znamionowym napięciu silnika ustawiają granice, dla których może być dokonywane zmniejszanie napięcia początkowego. Dla instalacji, w których istotne jest zmniejszenie prądu rozruchowego lub zwiększenie momentu rozruchowego, bardzo ważne jest zapewnienie, że silnik ma charakterystyki z niskim początkowym prądem rozruchowym LRC i wysokim początkowym momencie rozruchowym LRT. Kiedy zmniejszamy napięcie startowe, moment rozruchowy silnika będzie się zmniejszał zgodnie z poniższym wzorem:
Prąd początkowy może być zmniejszony jedynie do punktu gdzie wynikowy moment jeszcze przewyższa moment wymagany przez obciążenie.
Poniżej tego punktu silnik przestaje przyspieszać i układ silnik/obciążenie nie osiągnie pełnej prędkości. Najczęściej używane sposoby rozruchu poprzez zmniejszenie napięcia to:
- rozruch gwiazda/trójkąt
- autotransformator
- rezystory rozruchowe
- softstarty
3. Rozruch Gwiazda/Trójkąt
Jest najtańszą metodą zmniejszenia napięcia, lecz jego możliwości są ograniczone.
Dwa najbardziej znaczące ograniczenia to:
- nie mamy żadnej kontroli nad poziomem redukcji wartości prądu i momentu, są one ustalone przy jednej trzeciej pełnego poziomu napięcia.
- w warunkach normalnych występuje bardzo duży prąd i moment do czasu przejścia z gwiazdy w trójkąt. Wpływa to na mechaniczny i elektryczny „stres” silnika, który w konsekwencji może doprowadzić do uszkodzenia urządzenia. Występuje tu także stan przejściowy polegający na tym, że w momencie przełączenia silnik pracuje jako prądnica, generując napięcie o amplitudzie takiej jak napięcie zasilania. To napięcie występuje nawet, gdy silnik jest przełączany na układ trójkąta i może być przesunięte w fazie. Wynikiem tego jest prąd do dwóch razy większy od początkowego prądu rozruchowego i moment do czterech razy większy od początkowego momentu rozruchowego.
4. Autotransformator
Oferuje większą kontrolę niż metoda Gwiazda/Trójkąt, jakkolwiek zmiana napięcia odbywa się tu skokowo. Ograniczenia tej metody to:
- moment przejściowy występuje przy przełączaniu między napięciami
- ograniczona możliwość zmiany napięcia limituje zdolność dokładnej regulacji prądu rozruchowego
- wysoka cena autotransformatorów jest odpowiednia dla częstych i ciężkich warunków rozruchowych
- nie możemy zapewnić efektywnego zmniejszania napięcia dla obciążeń ze zmiennymi warunkami rozruchu. Na przykład przenośnik taśmowy
- może zaczynać pracę załadowany lub nie załadowany. Rozruch za pomocą autotransformatora może być optymalizowany tylko dla jednego warunku.
5. Rozruch przez rezystory rozruchowe
Zapewnia większą kontrolę nad tym procesem niż rozruch gwiazda/trójkąt. Jednak charakterystyka tej metody wprowadza następujące ograniczenia efektywności rozruchu:
- trudny do optymalizacji start, ponieważ wartość rezystancji musi być obliczona podczas produkcji i nie można jej zmienić łatwo w późniejszym okresie.
- słaba efektywność przy częstych rozruchach, ponieważ wartość rezystancji zmienia się wraz ze zmianą temperatury rezystora podczas rozruchu. Z tego powodu wymagany jest długi okres chłodzenia między rozruchami.
- niedogodności przy tzw. ciężkich lub długich rozruchach z powodu zmiany wartości rezystancji wraz ze zmianą temperatury rezystora.
- brak zapewnienia efektywnej zmiany redukcji napięcia dla rozruchów ze zmiennymi warunkami obciążenia.
6. Softstarty
Najbardziej zaawansowane urządzenia redukujące napięcie rozruchu. Oferują one najlepszą kontrolę nad prądem i momentem jak również zaawansowane funkcje ochrony silnika i interfejs użytkownika. Najważniejsze zalety softstartów to:
- prosta i elastyczna kontrola nad wartościami prądu i momentu rozruchowego
- płynna charakterystyka regulacji napięcia i prądu
- możliwość częstych rozruchów
- zdolność wytrzymywania zmiennych warunków rozruchowych
- sterowanie łagodnym zatrzymaniem z wydłużeniem czasu zatrzymania silnika
- kontrola zatrzymania redukująca czasy zatrzymania silnika.
7. Typowe prądy rozruchu
Powyższa tabela przedstawia prądy rozruchowe odpowiednie dla większości aplikacji i ma znaczenie czysto poglądowe. Wymagania dotyczące momentu rozruchowego, obciążenia silników i maszyn zmieniają się i dla większej dokładności należy dobrać odpowiednie parametry dla danej aplikacji.
Przeczytaj: Rozruch silników asynchronicznych klatkowych soft startem >
