SOFTSTARTY - UKŁADY ŁAGODNEGO ROZRUCHU DLA ASYNCHRONICZNYCH SILNIKÓW KLATKOWYCH AC.

Transkrypt

1 UKŁADY STEROWANIA SILNIKAMI SOFTSTARTY SOFTSTARTY - UKŁADY ŁAGODNEGO ROZRUCHU DLA ASYNCHRONICZNYCH SILNIKÓW KLATKOWYCH AC. Silniki elektryczne prądu przemiennego stanowią obecnie największą grupę odbiorników energii elektrycznej na świecie. W Polsce w ubiegłym dziesięcioleciu skonsumowały one ponad 50% całej wyprodukowanej energii elektrycznej. Powodem tego jest szerokie zastosowanie napędów silnikowych w przemysłowych procesach technologicznych i układach automatyki. Największym problemem związanym ze sterowaniem trójfazowych silników prądu przemiennego (głównie asynchronicznych silników klatkowych) była regulacja prędkości obrotowej oraz zmiana jego momentu. Rozwiązania bazujące na układach mechanicznych nie zawsze dawały pożądane efekty i związane były często z pewnymi ograniczeniami, a przede wszystkim nie były rozwiązaniami tanimi, uniwersalnymi, nadającymi się do szerokiego stosowania. Stan ten został zmieniony z chwilą pojawienia się technologii półprzewodnikowej i bazujących na niej urządzeniach; przemienników częstotliwości i softstartów. Warte zaznaczenia jest to, że w zakresie technologii półprzewodnikowej w ostatnim dziesięcioleciu obserwuje się czterokrotny wzrost nakładów, które inwestorzy ponoszą na modernizacje, wpływając na podniesienie jakości i niezawodności sterowania obciążeniami elektrycznymi (silniki, elementy grzejne, oświetlenie,... ). Oczywiście najszybciej nowe rozwiązania doceniły kraje wysokorozwinięte, takie jak Japonia, Stany Zjednoczone, oraz Europa Zachodnia, napędzając rozwój tej technologii, a tym samym wpływając na obniżanie kosztów wytwarzania elementów energoelektronicznych. Obecnie jednak coraz większy udział w obrotach w tym segmencie rynku zaczyna przypadać na kraje Dalekiego Wschodu (Tajlandia, Malezja,...) oraz na Europę Środkową. TECHNOLOGIA PÓŁPRZEWODNIKOWA. Elementy półprzewodnikowe mocy znajdują obecnie bardzo szerokie zastosowanie w sterowaniu pracą silników prądu przemiennego. Można powiedzieć, że podstawowymi elementami mocy stosowanymi w urządzeniach realizujących łagodne załączanie i hamowanie silników AC, to tyrystory i/lub tyrystorowe moduły elektroizolowane, tranzystory mocy, oraz tranzystory z izolowaną bramką IGBT (stosowane głównie w falownikach). Duże możliwości, nowe funkcje i prosta współpraca z systemami komputerowymi tych sterujących urządzeń mocy, przyczynia się do dużej popularności takich rozwiązań sterowania silnikami a coraz większa konkurencja w tym segmencie rynku powoduje obniżanie ceny na te jednak złożone produkty. UKŁADY DO ŁAGODNEGO ROZRUCHU I ZATRZYMYWANIA SILNIKÓW INDUKCYJNYCH TO NAJLEPSZA OCHRONA PRZED PRZEDWCZESNYM ZUŻYWANIEM SIĘ UKŁADÓW NAPĘDOWYCH. Współczesne urządzenia napędowe powinny spełniać, w zależności od procesu technologicznego i mocy silnika napędowego, wiele istotnych wymagań, spośród których jako najważniejsze można wymienić: przetwarzanie energii elektrycznej w mechaniczną z możliwie dużą sprawnością regulacja bezstopniowa w szerokim zakresie takich wielkości jak prędkość kątowa, moment obrotowy, przyspieszenie kątowe, przesunięcie kątowe i liniowe, współczynnik mocy silnika napędowego minimalizacja uchybu i czasu trwania procesów przejściowych przy zmianach wielkości sterujących i zakłócających maksymalne wykorzystanie mocy silnika przy równoczesnym ograniczeniu takich wielkości jak napięcie, prąd, temperatura itp. prosta obsługa i niezawodność pracy Szybki rozwój energoelektroniki sprawił, że silniki prądu przemiennego, szczególnie klatkowe, stanowią coraz częściej element wykonawczy napędów przemysłowych. Rozruch bezpośredni lub rozruch typu gwiazda / trójkąt są nadal najczęściej stosowanym rodzajem załączania silników. Pomimo udoskonaleń technicznych silników i styczników sterujących

2 ich pracą, udary występujące podczas gwałtownego załączania i wyłączania nie mogą być wyeliminowane. Uszkodzenia łożysk, skrzyń biegów, przedwczesne zużycie, częste awarie pasów przenoszących napędy czy też spadające produkty przy załączaniu urządzeń je transportujących są jednymi z wielu niekorzystnych następstw tego popularnego rodzaju załączania. SILNIKI ORAZ CAŁE INSTALACJE DZIĘKI UKŁADOM DO ŁAGODNEGO ROZRUCHU I ZATRZYMYWANIA MOGĄ BEZAWARYJNE FUNKCJONOWAĆ ZNACZNIE DŁUŻEJ. Załączanie asynchronicznych silników klatkowych jest najbardziej krytycznym ze stanów ich pracy (nie licząc zablokowania wirnika). Niewielka rezystancja wirnika powoduje znaczny udar prądowy podczas rozruchu silnika. W efekcie, jego moment rozruchowy jest niewielki, a możliwe nawet ośmiokrotne przekroczenie znamionowego prądu silnika w czasie rozruchu, często powoduje spadek napięcia w sieci. Co prawda, przeciążenie prądowe nie jest zależne od obciążenia silnika, jednak wpływa ono na czas jego trwania. Wszystkie powyższe niekorzystne zjawiska występujące przy rozruchu silników AC próbuje się zminimalizować poprzez zastosowanie przełączników gwiazda / trójkąt oraz przez stosowanie układów typu SOFTSTART. Przełącznik gwiazda / trójkąt ogranicza wartość prądu rozruchu, jednak nie eliminuje całkowicie udarów mechanicznych jakie mają miejsce bezpośrednio po załączeniu obciążenia oraz po przełączeniu z gwiazdy w trójkąt. Przy wykorzystaniu układów typu SOFTSTART znacznie redukuje się prąd rozruchu oraz udary mechaniczne silników, jego wału (wirnika), skrzyń biegów oraz pasów przenoszących napęd. Żywotność urządzeń mechanicznych jest dzięki temu znacznie przedłużona. Typowe aplikacje: - pompy, kompresory - pasy, taśmociągi - podnośniki, windy - dmuchawy, wentylatory - mieszalniki - drzwi garażowe - elementy grzejne - sterowanie oświetleniem - itd. Możliwości półprzewodnikowych urządzeń dedykowanych do sterowania silnikami AC, pozwalają na załączanie i zatrzymywanie taśmociągu (przenośnika) w sposób łagodny i miękki. Umożliwia to uniknięcie uszkodzeń produktów, co zdarza się przy załączaniu bezpośrednim lub przy rozruchu typu gwiazda / trójkąt. W dodatku, ryzyko zużycia lub uszkodzenia części mechanicznych, łożysk, silników i pasów przenoszących napęd, jest znacznie zredukowane. Łagodne załączanie minimalizuje także szkody powodowane gwałtownymi zmianami ciśnienia w systemie hydraulicznym pomp, które zdarzają się przy bezpośrednim ich załączaniu, gwałtownych zatrzymaniach czy załączaniu typu gwiazda / trójkąt. W tego rodzaju obciążeniach również maksymalny prąd rozruchowy może być zmniejszony a stany przejściowe, które mają miejsce podczas przełączania typu gwiazda / trójkąt - są wyeliminowane. UKŁADY DO ŁAGODNEGO ROZRUCHU I ZATRZYMYWANIA SILNIKÓW INDUKCYJNYCH. Oferta firmy PATECH zawiera szeroką gamę układów do łagodnego rozruchu i zatrzymania 1 i 3-fazowych silników indukcyjnych, począwszy od softstartów z regulacją fazową napięcia w jednej fazie do urządzeń realizujących sterowanie wartością skuteczną napięcia w 3 fazach. Wszystkie urządzenia półprzewodnikowe (także softstarty) są produkowane przez firmę CARLO- GAVAZZI z siedzibą w Szwajcarii, która posiada ogromne doświadczenie w technologii półprzewodnikowej. Układy sterowania silnikami są przeznaczone do łagodnego załączania 3-fazowych silników indukcyjnych i mają za zadanie redukuję niekorzystnych zjawisk występujących podczas rozruchów silników, które wpływają na żywotność tych urządzeń i jakość ich pracy. ul. Osadników Wojskowych Żary tel : fax:

3 1 - fazowe sterowanie 2 - fazowe sterowanie 3 - fazowe sterownie + Niski koszt Doskonała cena / parametrów Soft Start / -Stop Redukcja prądu rozruchu Soft Start / -Stop Symetryczne napięcie Redukcja prądu rozruchu - Potrzebny dodatkowy Stycznik i jego sterowanie Brak SOFT STOP u Grzanie się silnika przy Rozruchu Duże odkształcenia momentu obrotowego Duża asymetria napięcia wyjściowego Nieduże ograniczenie prądu rozruchu Asymetryczne napięcie na Wyjściu Niewielkie nagrzewanie silnika podczas rozruchu Większa cena Złożone sterowanie Rozruszniki typu RSE Najprostszym, a tym samym najtańszym urządzeniem, przeznaczonym do łagodnego rozruchu silników jest softstart o symbolu RSE-4012-BS. Jest to urządzenie w obudowie kompaktowej o wymiarach 92 x 45 x 102, przeznaczone do sterowania silnikami AC. Pozwala ono na dokonywanie łagodnych załączeń silników pobierających prądy do 12A (także dla silników 1-fazowych). Zarówno czas rozruchu jak i wartość początkowego momentu rozruchowego mogą być niezależnie ustawione na potencjometrach znajdujących się na płycie czołowej urządzenia. (Redukcja momentu obrotowego przy ustawieniu rampy w jednej fazie ma miejsce także dla aplikacji 3-fazowych). Łagodny rozruch silnika polega na płynnej regulacji jego napięcia (jedna faza). Po zakończeniu rozruchu złącze półprzewodnikowe jest mostkowane (by-pass) przez przekaźnik elektromagnetyczny. Wartość początkowego momentu obrotowego może być ustawiona za pomocą potencjometru w granicach: % momentu znamionowego. Czas trwania rozruchu również nastawiamy za pomocą drugiego potencjometru w przedziale: 0,5...5sek. Zielona dioda LED wskazuje na obecność napięcia zasilania. Dwie żółte diody LED wskazują odpowiednio: tryb pracy i rampę rozruchu (w czasie jej trwania). Urządzenie steruje jedynie jedną fazą (L1). Fazy: L2/N i L3 są bezpośrednio połączone z obciążeniem. Sterownik nie izoluje silnika od sieci. Zatem, stycznik potrzebny jest tutaj jako włącznik ochronny silnika. Aby uchronić półprzewodnik przed przegrzaniem, należy zapewnić pewną przerwę między kolejnymi rozruchami. W uproszczeniu można kierować się zasadą 1/10, która określa czas rozruchu, jako 1/10 czasu przerwy pomiędzy kolejnymi rozruchami.

4 Sposoby zabezpieczeń. Zabezpieczenie przed przeciążeniem nie jest zintegrowane w tym urządzeniu i musi być ono zainstalowane oddzielnie. Indukcyjny silnik jednofazowy, z odpowiednio dobranym zabezpieczeniem przeciążeniowym, nie powoduje zwarcia między liniami, ani bezpośrednio do ziemi tak jak niektóre inne rodzaje obciążeń, np.: spirale grzewcze. W uszkodzonych silnikach zawsze część uzwojenia ogranicza prąd zwarciowy. Jeżeli silnik zainstalowany jest w warunkach, w których jego zasilanie nie może być zakłócone, jako dopuszczalne zabezpieczenie przeciwzwarciowe stosuje się jednopolowy termiczno-magnetyczny przekaźnik przeciążeniowo-zwarciowy. Jeżeli istnieje ryzyko zwarcia na kablu, sterowniku lub obciążeniu, należy zastosować ultraszybki bezpiecznik; np.: Ferraz 660 grb z gniazdem ST-10. W przypadku sterowania silnikami 3-fazowymi, w czasie gdy silnik jest zatrzymany, stycznik musi zapewniać rozłączenie wszystkich 3 faz od silnika. Jest to konieczne istnieje bowiem niebezpieczeństwo pracy silnika przy dwóch fazach. Kolejnym urządzeniem w tej samej obudowie (92 x 45 x 102) jest układ softstartu o symbolu: RSE 4012-B. Przeznaczony jest on do współpracy z silnikami o mocach od 0,55kW do 7,5kW (przy nap. 600). W odróżnieniu od poprzedniego układu, sterowanie wartością skuteczną napięcia na obciążeniu odbywa się w dwóch fazach (L1 i L2). Faza L3 jest bezpośrednio połączona z obciążeniem. Zarówno czas rozruchu i zatrzymania jak i wartość początkowego momentu rozruchowego mogą być niezależnie ustawione na potencjometrach znajdujących się na płycie czołowej urządzenia. Po zakończeniu rozruchu złącza półprzewodnikowe (2) są mostkowane (by-pass) przez przekaźniki elektromagnetyczne. 1- Rampa rozruchu: czas 0,5-5s. Czas narostu napięcia obciążenia od zera do wartości znamionowej. 2- Rampa zatrzymania: czas 0,5-5s. Czas redukcji napięcia obciążenia od wartości znamionowej do zera. 3- Moment początkowy rozruchu: (0...85%) napięcia znamionowego, od którego rozpoczyna się rampa rozruchu. Sterowanie w dwóch fazach realizuje również układ: RSE4025-C10. Posiada on dwukrotnie szerszą obudowę (92 x 90 x 102) i pozwala na dokonywanie rozruchu silników o mocach do 11kW (przy 400) i 15kW (przy zasilaniu 600). Zarówno czas rozruchu i zatrzymania jak i wartość początkowego momentu rozruchowego mogą być niezależnie ustawione na potencjometrach znajdujących się na płycie czołowej urządzenia. Wartość początkowego momentu obrotowego może być ustawiona w granicach: % momentu znamionowego. Czas trwania rozruchu możemy nastawić w przedziale: 0,5...10sek. Czas zatrzymania w przedziale 0,5...20sek. Dodatkowo układ ten posiada zabezpieczenia kolejności faz i przegrzania; Czerwona dioda mruga, jeśli kolejność faz jest inna niż L1, L2, L3. W przypadku jeśli urządzenie zostanie przegrzane dioda ta (czerwona) zapala się na stałe. Po zakończeniu rozruchu złącza półprzewodnikowe (2) są mostkowane (by-pass) przez przekaźniki elektromagnetyczne.

5 Alarmy: W wersji z końcówką, w kodzie wykonań; -C10, urządzenie wyposażone jest w dwa przekaźniki elektromagnetyczne, sygnalizujące: koniec rampy (rozruchu) NO /normalnie otwarty oraz złą kolejność faz lub przegrzanie NC /normalnie zamknięty. Przekroczenie temperatury: Urządzenie RSE nie rozpocznie (powtórnie) pracy jeśli temperatura jego wewnętrznego radiatora przekroczy wartość ok. 100ºC. Sterownik RSC-HD0M60 Drugą rodziną układów służących do łagodnego rozruchu 3-fazowych silników indukcyjnych są softatarty o konstrukcji modułowej typu: RSC-HD0M60 + RSO-22..., RSO-4..., RSO umożliwiające sterowanie fazowe napięcia we wszystkich trzech fazach. Uniwersalny mikroprocesorowy moduł sterujący RSC- HD0M60 współpracuje z modułami wyjściowymi RSO-22.., RSO-4..., RSO których dobór uwarunkowany jest mocą sterowanego obciążenia. Łagodny rozruch silnika i jego zatrzymanie polega na płynnej regulacji fazowej jego napięcia w trzech fazach. Czas rozruchu i zatrzymania nastawiany jest na oddzielnych potencjometrach w granicach 0,5...30s. Moment początkowy rozruchu ustawiany jest na trzecim potencjometrze w granicach % momentu znamionowego. Urządzenie wyposażone jest w wyjście dodatkowe, na którym po zakończeniu rozruchu wystawiany jest sygnał dla wysterowania stycznika mostkującego złącza półprzewodnikowe. Podobnie po rozpoczęciu hamowania, stycznik ten jest rozłączany z uwzględnieniem odpowiednich zależności czasowych. Rozwiązanie to ogranicza znacznie wytwarzanie energii cieplnej w samym urządzeniu, co pozwala na ograniczenie rozmiarów stosowanego radiatora lub nawet na całkowitą jego eliminację. Po zakończeniu rozruchu moduł sterujący uaktywnia cewkę stycznika mostkującego. Stycznik bocznikujący nie pracuje tu jako urządzenie załączające moc a jedynie jako łącznik. Stąd dobieramy go do wartości znamionowej prądu obciążenia nie uwzględniając prądu rozruchu. Ogranicza to znacznie koszty i rozmiar takiej aplikacji. Przy stosowaniu urządzenia RSC/RSO, sterującego pracą silnika, powinien on być zabezpieczony w standardowy sposób; zabezpieczenie termiczne (przekaźnik termiczny np. TT2X). Jeśli zabezpieczenie zwarciowe jest wymagane, konieczne jest dobranie ultraszybkich bezpieczników F1, F2, F3 (na każdą fazę), przy uwzględnieniu mocy modułu wyjściowego i sterowanego obciążenia. Sterownik RSC-AAM60 Inną wersją modułu sterującego jest układ RSC-AAM60. Podstawową różnicą pomiędzy tym układem / modułem sterującym a modułem RSC-HD0M60 jest wejście sterujące mA lub mA. Te liniowe wejście analogowe dedykowane jest przede wszystkim do współpracy ze sterownikami programowalnymi PLC. Rozwiązanie to umożliwia dowolne kształtowanie charakterystyki sterowania wartością skuteczną napięcia na obciążeniu. Znajduje zastosowanie w sterowaniu pracą pomp, wentylatorów, elementów grzejnych i w regulacji natężenia oświetlenia. Moduł tyrystorowy RSO Moduły wyjściowe mocy współpracujące z modułami sterującymi standardowo zabezpieczone są przed przepięciami za pomocą warystorów. Poniżej przestawiono zestawienie wyjściowych modułów mocy RSO przeznaczonych do współpracy w mikroprocesorowymi modułami sterującymi typu RSC-HD0M60 i RSC-AAM60.

6 NAPIĘCIE OBCIĄŻENIA PRĄD ZNAMIONOWY / FAZĘ KAT. AC1 16A 25A 50A 90A 110A RSO 2210 RSO 2225 RSO 2250 RSO 2290 RSO RSO 4010 RSO 4025 RSO 4050 RSO 4090 RSO RSO 4810 RSO 4825 RSO 4850 RSO 4890 RSO RSO 6050 RSO 6090 RSO MOC SILNIKA 2,2kW 4kW 11kW 15kW 22kW Moduły wyjściowe RSO..110 jest przeznaczone są do sterowania silnikami o mocy do 22kW (400V). RSO..110 doskonale sprawdzają się w aplikacjach, w których występują duże prądy udarowe. W rozwiązaniach sterowania, gdzie odbiornik (silnik) pobiera prądy zbliżone do wartości znamionowych dla modułu wyjściowego, należy szczególną uwagę zwrócić na zapewnienie odpowiedniego chłodzenia urządzenia (radiator). Przykład: Silnik: 3kW 3 x 400 Ta = 50ºC (temperatura otoczenia) Czas rozruchu: 5s. Jako moduły wyjściowe możemy zastosować: RSO 4050, RSO 4025, RSO Jednak jeśli prąd rozruchu nie jest znany i wymagany jest duży margines bezpieczeństwa zastosujemy RSO Dla mniejszych wartości prądu rozruchu można zastosować RSO 4010 lub RSO Dla RSO 4010 maksymalny prąd rozruchu (przez 5s.) wynosi 17A, dla RSO..25 prąd ten może osiągać wartość 39A (przez 5s.). W rozpatrywanej aplikacji prąd rozruchu wynosi 17A, zalecamy więc zastosować moduł wyjściowy RSO..25 (ze względu na praktycznie nieograniczony czas rozruchu, jaki można uzyskać przy zastosowaniu sterownika typu RSC-AAM60). Maksymalna wartość rezystancji termicznej dla radiatora wynosi 1K/W, a moc rozpraszana 25W. Daje to: Moduł wyjściowy: RSO4025, Radiator: 1K/W. AKCESORIA Jak wcześniej nadmieniłem softstarty serii RSC-HD0M60 i RSC-AAM60 są urządzeniami o budowie modułowej i w zależności od aplikacji; mocy silnika sterowanego, temperatury otoczenia, częstości rozruchów, oraz czy zastosowano stycznik bocznikujący złącza półprzewodnikowe można wyposażać je w kilka rodzajów radiatora, dodać wentylator, zaczep na szynę a także doposażyć w zabezpieczenie termiczne montowane pomiędzy urządzeniem a radiatorem, reagujące zależnie od wersji na progi temperaturowe: 70, 80 i 90 ºC. W roku ubiegłym oferta softstartów produkowanych przez Carlo-Gavazzi poszerzyła się o nowe urządzenia umożliwiające sterowanie silnikami do 45kW. Softstarty typu RSHR 3 fazowe z wbudowanym by-passem dedykowane do silników o mocach kW oraz typu RSMR 3 fazowe z wbudowanym wentylatorem, na moce od 37 do 45kW. Pełniejszy opis tych urządzeń pojawi się w kolejnym artykule. Ofertę urządzeń, służących do sterowania pracą silników indukcyjnych, firmy Carlo-gavazzi. poszerzają układy nawrotne dla silników o mocy do 3 kw, oraz hamulce dynamiczne umożliwiające sterowaniem prądu hamującego do 60ADC. Wszelkie informacje techniczne dotyczące powyższej oferty oraz gamy akcesoriów przeznaczonych do softstartów oferowanych przez PATECH można znaleźć w kartach katalogowych dla poszczególnych urządzeń na stronie internetowej PAWEŁ PIECHOTA PATECH.