Главная / Аналитика - Электрические сети

Аналитика - Электрические сети

Как сберечь электродвигатель

21.09.12 07:36

Устройства плавного пуска электродвигателя, существенно продлевающие ему жизнь, - давно не в новинку. Однако по-прежнему на производстве нередко предпочитают обходиться без них. Мы решили разобраться: почему?

Устройство плавного пуска (УПП) позволяет «мягко» запускать асинхронные электродвигатели, и не случайно в английском языке оно получило название «софтстартер». При прямом пуске на двигатель из сети сразу подается рабочее напряжение сети, что вызывает лавинообразное нарастание тока и ударный механический момент. УПП позволяет плавно увеличить напряжение до номинального значения. В результате при пуске отсутствуют удары, рывки, снижаются электродинамические нагрузки на обмотки двигателя. Очевидно, что это продлевает срок службы электродвигателя и механических узлов электропривода: редукторов, муфт, валов, ремней, подшипников и т.д.

Достаточно часто УПП обладают и функцией плавного останова. Тиристоры, открытые во время работы двигателя, начинают постепенно снижать подаваемое напряжение, что позволяет останавливать механизмы, характеризующиеся высокими тормозящими моментами, без рывков. В более редких случаях УПП имеют дополнительные технологические функции: торможение постоянным током, толчковая скорость вперед/назад, возможность запуска в двух направлениях вращения (реверсивные УПП).

По мнению ряда специалистов, УПП с функцией энергосбережения и коррекции коэффициента мощности не только продлевают жизнь электродвигателю, но и снижают энергопотребление привода в тех случаях, когда технологический процесс предполагает пониженную нагрузку или холостой ход, либо когда электродвигатель выбран с запасом по мощности. Кроме того, УПП обеспечивают соблюдение технологии производства там, где это необходимо. К примеру, плавное начало движения конвейерной ленты препятствует падению вертикально стоящих на ней предметов. Ко всему прочему, использование УПП позволяет снизить нагрузку на подстанцию, питающую предприятие.

В целом плавный пуск показан практически всем приводам механизмов высокой инерционности – мельниц, центрифуг, дробилок и т.д. УПП рекомендуют использовать для запуска различного рода насосов, вентиляторов, воздуходувок, механизмов с механическими, ременными и цепными передачами.

Отчасти конкуренты УПП – это частотные преобразователи – устройства, плавно регулирующие скорость электродвигателя за счет создания на выходе электрического напряжения заданной частоты. (Поставка преобразователей.) Они обеспечивают более функциональное управление двигателем, но и стоят существенно дороже. Что предпочесть в конкретном случае, УПП или частотный преобразователь – тема отдельной статьи (а скорее всего и консультации со специалистом «по месту»), хотя вскользь мы коснемся этого вопроса.

Подробнее же остановимся на другом «конкуренте», которым является... отсутствие каких бы то ни было регулирующих параметры питающего напряжения устройств. Иными словами, прямой пуск.

УПП с функцией энергосбережения (фото ООО «Эффективные системы»)

Заторможенный прогресс

Большинство наших экспертов согласились с тем, что на сегодняшний день на отечественных предприятиях зачастую по-прежнему пользуются прямым пуском двигателей даже там, где показано применение УПП.

«Причина проста: стоимость устройств плавного пуска в 5-10 раз выше стоимости электромеханических пускателей, - считает Виталий Соколов, ведущий инженер компании «НПФ «Битек» (г. Екатеринбург). - Кроме того, устройства плавного пуска требуют более высокой квалификации обслуживающего персонала».

«Полагаю, причин отказа от УПП несколько, - развивает мысль Алексей Юшкин, генеральный директор компании «Эффективные системы» (г. Москва). - Основная - отсутствие мотивации вкладывать средства в то, что не приносит дохода в явном виде. По сути УПП рассматриваются как вспомогательное оборудование, эффект от установки которого просчитать «в лоб» не получается. Поэтому устанавливают их чаще всего в тех случаях, когда запуск мощных электродвигателей представляет серьезную проблему (критичная просадка напряжения в питающей сети, невозможность запустить привод от автономного источника питания, не имеющего достаточного запаса).

Вторая причина - отсутствие достаточной квалификации у персонала. Нам приходилось сталкиваться с тем, что главные энергетики не знакомы с подобным оборудованием; не видят принципиальной разницы между ним и, скажем, преобразователями частоты; имеют предубеждения против использования УПП, основанные на недостоверной информации.

В качестве третьей причины вижу незаинтересованность персонала в модернизации. Приходилось сталкиваться с тем, что, испытав наши устройства и получив положительный результат, главный энергетик говорил: «Да, все хорошо. Но зачем мне эта головная боль? Если установлю, к нему придется человека приставить - как бы на цветмет не стянули».

Ну и причина четвертая - порочная система закупок. В последнее время это проявляется не так часто, но все еще случается, что снабженцам выгоднее либо ввиду личной заинтересованности купить что-то подороже, например, преобразователь частоты, либо, наоборот, ввиду премирования за экономию средств, не купить вообще ничего».

В результате техническая безграмотность, нежелание или невозможность тратить деньги на УПП (особенно если запуск двигателя происходит нечасто) мешают производственникам решить массу проблем. Конечно, можно в моменты простоев на производстве лишний раз не останавливать мощные двигатели, чтобы не возникало потом проблем при запуске. Только вот будет ли такое решение экономичным – большой вопрос, а уж энергоэффективным оно точно не будет. Потому что стоимость израсходованной «благодаря» такому решению электроэнергии достаточно быстро превысит стоимость УПП.

Конструкция УПП (фото ООО «Эффективные системы»)

О вариантах исполнений

Устройства плавного пуска могут регулировать напряжение по одной, двум или трем фазам. УПП, работающие по одной фазе, пригодны в основном для смягчения пусковых ударов двигателей малых мощностей (до 11 кВт), аварийно остановить трехфазный двигатель им не под силу. Двухфазные УПП рассчитаны на более мощные двигатели (до 250 кВт и более), однако сохраняется проблема несимметричности: три фазы не удается питать одинаково. Поэтому наиболее совершенное решение – УПП с трехфазным регулированием. Поскольку элементная база постепенно дешевеет, такие устройства становятся все более доступными.

Другой вопрос, с которым сталкивается потребитель в процессе выбора УПП, какой предпочесть тип управления устройством – цифровой или аналоговый.

«Думаю, будущее за УПП с цифровым управлением, - считает Алексей Юшкин. - Себестоимость комплектующих для их производства практически не отличается, а возможностей у цифровых изделий гораздо больше».

«В настоящее время УПП с аналоговой схемой управления встречаются редко, - поясняет Виталий Соколов. - Практически все современные импортные и отечественные УПП используют микроконтроллеры. Аналоговыми по ошибке могут называть упрощенные импортные УПП, в которых параметры настраиваются потенциометрами, а цифровыми – УПП с дисплеем и клавиатурой. Однако разница только в способе настройки параметров и функциональности.

Использование дисплея и клавиатуры увеличивает стоимость УПП и поэтому применяется в основном в более дорогих устройствах, а в более простых моделях используют потенциометры или поворотные микропереключатели, сигналы с которых также обрабатываются микроконтроллером.

УПП с аналоговой схемой управления отечественного производства еще выпускают, и они отличаются увеличенными габаритами и меньшей функциональностью по сравнению с цифровыми. Преимуществ у аналоговых УПП практически нет, выше стоимость и габариты, ограничена функциональность и снижена надежность из-за повышенного количества микросхем и элементов».

Устройство плавного пуска, торможения и защиты реверсивное «БиСТАРТ-Р»
(фото ООО «НПФ «Битек»)

Нужен ли байпасный контактор?

Когда двигатель уже вышел на рабочий режим, напряжение к нему по-прежнему может подаваться через устройство плавного пуска. Но часто в схему питания включается так называемый «байпасный» (обходной) контактор, «разгружающий» УПП в периоды между разгоном и торможением двигателя. Мнения экспертов о необходимости применения обходного контактора несколько разошлись.

«Во всех ситуациях использование обходного контактора оправдано, - уверен Станислав Косчинский, руководитель лаборатории ЗАО «Электротекс» (г. Орел). – Во-первых, по тепловому режиму силовых модулей (тиристоров) типовые УПП (особенно самые компактные в своем классе) не рассчитаны на длительную работу на двигатель. Во-вторых, по моему мнению, КПД устройства с байпасным контактором выше, поскольку нет потерь в тиристорах в стационарном процессе. В-третьих, проще реализуются функции автоматического ввода резерва (АВР) и др. (Лучше, если при срабатывании АВР при пропадании сети двигатель будет питаться от контактора, чем от тиристорного преобразователя)».

«Использование обходного контактора необходимо для большинства УПП, - отмечает Алексей Юшкин. - Их тепловые режимы рассчитаны на достаточно ограниченное время запуска и ограниченное количество запусков в единицу времени. Исходя из этого, в целях экономии поверхность радиаторов охлаждения минимизирована. Такие УПП, не будучи зашунтированными, в большинстве случаев не смогут работать в продолжительном режиме - будет срабатывать защита по перегреву. Но наши устройства рассчитаны на тепловые режимы, позволяющие им быть включенными в сеть постоянно, потому что это необходимо для функции энергосбережения и коррекции коэффициента мощности.

Использование байпаса имеет смысл в тех случаях, когда режим энергосбережения не даст существенной выгоды, а стоимость контактора существенно меньше стоимости энергии, рассеянной на внутреннем сопротивлении полупроводниковых переходов силовой части устройства энергии, за разумный срок эксплуатации».

«Использование байпасного контактора целесообразно, если режим работы электродвигателя рассчитан на длительную работу и частоту включений менее пяти раз в час, - считает Виталий Соколов. - Благодаря шунтирующему контактору снижается нагрев и, следовательно, увеличивается ресурс силовых тиристоров, а также уменьшается тепловыделение УПП, что актуально при размещении в шкафу. Несмотря на улучшение условий коммутации байпасного контактора, в запыленных местах проблема с подгоранием контактов и необходимостью их обслуживания может сохраняться».

УПП 0,4 кВ (фото ЗАО «Электротекс»)

Тяжелый пуск

Способность УПП справиться с проблемой тяжелого пуска остается дискуссионным вопросом.

Принцип действия всех УПП основан на том, что механический момент пропорционален квадрату приложенного напряжения. Таким образом, чтобы снизить ударные механические нагрузки, нужно снизить напряжение. В случае тяжелых запусков велика вероятность того, что в какой-то момент времени механический момент нагрузки окажется больше механического момента, развитого электродвигателем под управлением УПП. В этом случае произойдет так называемое «опрокидывание двигателя» - он остановится, запуск не произойдет.

Поэтому часто для пуска тяжело нагруженных механизмов рекомендуют использовать частотные преобразователи, особенно в компаниях, которые выпускают и УПП, и преобразователи.

«Для тяжелого пуска, безусловно, лучше подойдут частотные преобразователи, - говорит Ян Сухих, эксперт управления по рынку «Промышленность» компании «Schneider Electric» (г. Москва). – Но чтобы принять правильное решение в конкретной ситуации, лучше все же связаться с производителем для консультации».

«В случаях, когда при прямом пуске электродвигатель запускается более 10-15 секунд из-за высокого момента нагрузки (а не из-за высокого момента инерции, как в вентиляторах и дымососах), использование УПП действительно может привести к нехватке момента для успешного запуска, - поясняет Виталий Соколов. - Особенно это актуально для асинхронных электродвигателей более 100 кВт, имеющих минимальный пусковой момент 90-100% от номинального. Решить проблему «тяжелого» пуска в этом случае возможно только использованием преобразователя частоты.

Если все же имеется возможность запуска от УПП с небольшим снижением момента, то необходимо использовать только УПП с коммутацией всех трех фаз, рассчитанные для тяжелых пусков (с токами до 500-550%). Для преодоления повышенного момента трогания может быть использована функция броска момента (kick start). Для защиты электродвигателя от перегрева рекомендуется использовать УПП, имеющий функцию тепловой математической модели электродвигателя. При этом тепловая защита автоматического выключателя может быть загрублена для предотвращения преждевременного срабатывания».

Аналогичного мнения придерживается и Александр Ситников, директор ООО «Звезда-Электроника» (Кировская обл.): «Ряд компаний, выпускающих УПП, утверждают, что им удалось справиться с проблемой тяжелого пуска двигателя, но я отношусь к таким заявлениям несколько скептически. Да, за счет определенных алгоритмов управления тиристорами можно добиться плавного разгона, но при этом пусковые токи двигателя будут близки к тем же значениям, что и при прямом пуске. На мой взгляд, в этом случае эффект плавного пуска наблюдается лишь частично, а такое свойство, как снижение пусковых токов, практически отсутствует. Все-таки для сильно нагруженных механизмов ничего лучше частотного привода еще не придумали».

Однако есть и исключения. Так в ООО «Эффективные системы» предлагают начать все же с приобретения УПП, так как по опыту производителя в большинстве случаев его оказывается достаточно для решения проблемы при запуске двигателя от стационарной сети. В случае неудачи, компания готова обменять УПП на частотный преобразователь с соответствующей доплатой. Тогда, используя более дорогостоящее решение, заказчик может быть уверен, что меньшими расходами нельзя обойтись.

Устройство плавного пуска высоковольтное 6-10 кВ
(фото ЗАО «Электротекс»)

«Часто УПП не справляются с тяжелыми запусками, потому что они просто повышают напряжение с некоего начального значения до максимального за установленное в процессе настройки время, - поясняет Алексей Юшкин. - Наши устройства имеют следящие цепи, которые «видят», что происходит с нагрузкой в каждый конкретный момент времени. Это позволяет программе в определенных пределах корректировать режим запуска таким образом, чтобы плавный запуск был произведен, если это в принципе возможно».

Также, по мнению А. Юшкина, справиться с тяжелым пуском помогает гибкость настройки устройств, которая позволяет учесть нюансы разгона различных приводов.

«Решить проблему тяжелого пуска с помощью УПП принципиально возможно путем изменения силовой структуры и реализации соответствующих алгоритмов управления, - говорит Станислав Косчинский. - Однако это ведет к увеличению цены УПП и потери конкурентных преимуществ перед преобразователями частоты. В рамках традиционной структуры УПП в общем случае решить проблему тяжелого пуска невозможно ни с помощью «кик старта», ни с помощью квазичастотного управления, ни с помощью других уловок. И все же частные случаи возможны как исключения», - добавляет эксперт.

Мысли о настоящем и будущем

В целом специалисты отмечают, что рынок устройств плавного пуска достаточно стабилен, и ждать прорывов, связанных с резким увеличением количества используемых УПП или появлением принципиально новых технических решений, не приходится.

«Сейчас на рынке растет количество моделей со встроенным шунтирующим контактором, - говорит Виталий Соколов. - Расширяется диапазон мощности УПП с коммутацией двух фаз до 110-250 кВт за счет улучшения алгоритма управления силовыми ключами (т.н. асимметричное управление). Происходит разделение модельных рядов у производителей: компактные УПП с двухфазным управлением для легких условий запуска и многофункциональные УПП с управлением в трех фазах для средних и тяжелых нагрузок. Нередко одинаковые модели УПП поставляются под разными торговыми марками».

УПП «Altistart» производства «Schneider Electric» (фото автора)

Эксперт отмечает, что у современных УПП совершенствуются алгоритмы запуска - управление моментом, адаптивное управление пуском. Уменьшается запас по току силовых приборов в новых моделях из-за использования встроенного байпаса и снижения допустимого числа пуска в час (не более 6-10).

Также В. Соколов прокомментировал соотношение российских и зарубежных производителей УПП на сегодняшний день и в перспективе: «Отечественные УПП по большей части уступают импортным аналогам по массогабаритным параметрам, и зачастую дороже. Однако в отечественном оборудовании, как правило, используется более высокий запас по току силовых приборов, вследствие чего срок их службы может быть заметно выше, чем у импортных. Кроме того, отечественное оборудование более адаптировано под российские условия эксплуатации (применение защитного покрытия печатных плат, адаптация для низких температур и т.д.).

И все же, поскольку ассортимент импортных УПП значительно шире, их доля на рынке скорее всего останется более высокой».

«В перспективе «западное» оборудование будет приобретаться в основном в комплекте со средствами комплексной автоматизации объектов, - прогнозирует Станислав Косчинский. – Отечественные УПП постепенно будут вытесняться с рынка китайскими производителями, продающими свои изделия через «подставные» российские компании».

Здесь стоит пояснить, что по мнению многих специалистов, проблему для развития рынка УПП (и электроэнергетического оборудования в целом) представляют недобросовестные производители, заявляющие, что их продукция российского производства - а на деле речь идет о китайских изделиях не самого высокого качества, выпускаемых под российской маркой.

«В связи с предстоящим вступлением в ВТО доля импортного оборудования может несколько возрасти, - предполагает Алексей Юшкин. - Но это не критично для российского рынка, и уход некоторых не слишком серьезных игроков не станет катастрофой. Вместо отечественного прибавится дополнительно какое-то количество импортного ширпотреба. В любом случае будущее за серьезными надежными изделиями, которые в состоянии решать задачи заказчика».

Екатерина Зубкова

На первой фото – УПП производства НПФ «Битек»

(С) Медиапортал сообщества ТЭК www.EnergyLand.info
Копирование возможно только для платных подписчиков
Кража контента приведет к пессимизации вашего MFA-сайта