Asynchrónne motory v priemyselnej praxi (3)

Spôsoby spúšťania asynchrónnych motorov

Rozbeh asynchrónneho motora priamym pripojením na sieť je spojený s prúdovým rázom v napájacej sieti a momentovým rázom na poháňanej mechanike. Vzhľadom na prúdový ráz preto možno takýmto spôsobom rozbiehať len motory do výkonu cca 5 kW. Pri spúšťaní motorov s väčším výkonom sa používajú rôzne spôsoby. Ich základným princípom je rozdelenie napájacieho napätia medzi motor a spúšťacie zariadenie tak, aby sa znížilo fázové napätie na motore v okamihu štartu motora, čím sa zníži aj záberový prúd motora, ktorý je priamo úmerný napájaciemu napätiu.

Existuje niekoľko spôsobov pripojenia asynchrónneho motora na napájaciu sieť a v tejto časti seriálu o asynchrónnych motoroch predstavíme tieto:

• priame pripojenie na sieť,
• prepínač hviezda – trojuholník,
• spúšťanie pomocou transformátora,
• symetrický statorový spúšťač,
• spúšťanie s rozbehovým motorom,
• odporové spúšťanie,
• mäkký spúšťač (softštartér).

Priame pripojenie asynchrónneho motora na napájaciu sieť

Priame pripojenie motora na sieť predstavuje najjednoduchší spôsob rozbehu asynchrónneho motora. Jeho veľkou nevýhodou je veľký záberový prúd, ktorý môže dosahovať až osemnásobok hodnoty nominálneho prúdu. Z toho dôvodu sa tento spôsob spúšťania asynchrónneho motora s kotvou nakrátko používa len pri motoroch s výkonom do 5 kW, pričom na takýto spôsob spúšťania musia byť dimenzované aj elektrické rozvody. Tento spôsob spúšťania sa využíva pri požiadavke spúšťania motora s plným zaťažením, pričom sa nekladie požiadavka na hladký rozbeh motora.

Spúšťanie asynchrónneho motora pomocou prepínača hviezda – trojuholník

Použitím prepínača hviezda – trojuholník dosiahneme zníženie hodnoty fázového napájacieho napätia na motore v okamihu rozbehu. Pri prevádzke na bežnej napájacej sieti 230/400 V je podmienkou, aby mal asynchrónny motor fázové vinutia dimenzované na 400 V. V takomto prípade bude pri rozbehu motora v zapojení do hviezdy na jednej fáze motora napätie 230 V. Znížením fázovej hodnoty napájacieho napätia znížime aj hodnotu záberového prúdu. Po poklese záberového prúdu v zapojení do hviezdy je motor prepnutý do zapojenia v trojuholníku, kde bude mať fázové napätie na vinutí motora už hodnotu 400 V (obr. 19).

Nevýhodou tohto spôsobu spúšťania je pokles hodnoty záberového momentu, nakoľko hodnota momentu motora závisí od kvadrátu hodnoty fázového napájacieho napätia. Tieto vzťahy sú vyjadrené rovnicou (16).

     (16)

Takýto spôsob spúšťania asynchrónnych motorov s kotvou nakrátko je vhodný pri motoroch do výkonu 100 kW. Spúšťanie motorov takýmto spôsobom je možné iba za podmienky, že záťažový moment bude menší ako moment motora v zapojení do hviezdy.

Pripojenie asynchrónneho motora na napájaciu sieť pomocou transformátora

Motory s kotvou nakrátko, ktorých výkon je vyšší ako 100 kW, môžeme spúšťať pomocou spúšťacieho autotransformátora, cez ktorý sa motor spúšťa zníženým napätím. Rovnako ako pri predchádzajúcom spôsobe spúšťania, aj pri tomto spôsobe moment motora klesá s kvadrátom napätia. Spúšťanie prebieha v troch krokoch. Zopnutím spínačov S1 a S3 je najprv pripojené statorové vinutie na znížené napätie U2. Po rozbehu motora na zníženom napätí sa rozpojí spínač S3, pričom vinutie transformátora pôsobí ako tlmivka. Následne v poslednom kroku za zopne spínač S2, čím sa statorové vinutie motora pripojí na plné napätie.

Pre prevod spúšťacieho transformátora platí:

     (17)

Potom pre moment motora pri zapojení so spúšťacím transformátorom (M_T) bude platiť:

     (18)

Pripojenie asynchrónneho motora na napájaciu sieť pomocou symetrického statorového spúšťača

Zapojením trojfázového symetrického odporu alebo tlmivky do série so statorovým vinutím asynchrónneho motora znížime prúdový náraz pri spúšťaní motora. Spúšťací odpor sa používa zvyčajne na spúšťanie motorov s menším výkonom, pri motoroch s väčším výkonom sa používa spúšťacia tlmivka.

Po pripojení spúšťača do série s motorom vznikne pripojením na sieť na odpore, resp. tlmivke spúšťača úbytok napätia, čím sa zníži svorkové napätie na motore. Zníženie napätia na motore má za následok zníženie záberového momentu motora. Následne s rastúcou uhlovou rýchlosťou klesá v obvode prúd, úbytok napätia na spúšťači sa znižuje a svorkové napätie motora sa plynulo zväčšuje. Pri návrhu spúšťača vychádzame z impedančných trojuholníkov zobrazených na obr. 21. Stanovíme si konštantu K, ktorá predstavuje násobok záberového prúdu, pričom platí, že K < 1. Pre záberový prúd pri použití statorového spúšťača môžeme uviesť:

     (19)

Zníženie záberového prúdu dosiahneme zväčšením impedancie asynchrónneho motora nakrátko Z_k na hodnotu:

     (20)

Ako vyplýva z impedančných trojuholníkov, veľkosť predradného odporu R_ds spúšťača určíme zo vzťahu:

     (21)

Resp. veľkosť potrebnej reaktancie X_ds spúšťacej tlmivky určíme zo vzťahu:

     (22)

Pripojenie asynchrónneho motora na napájaciu sieť pomocou rozbehového motora

Pri veľkých motoroch s kotvou nakrátko, ktorých výkon presahuje 1 MW, sa používa spúšťanie pomocou rozbehového motora, kde hlavný a rozbehový motor sú spolu mechanicky spojené. Ako rozbehové motory sa používajú krúžkové motory navrhnuté na krátkodobý chod. Pri tomto type spúšťania sa používajú dva základné spôsoby:

1. Ako prvý sa na napájaciu sieť pripojí rozbehový motor, ktorý roztočí hlavný motor približne na polovicu nominálnych otáčok a následne sa na sieť pripojí hlavný motor. Nevýhodou takéhoto spôsobu spúšťania je to, že pripojením statora hlavného motora na sieť vplyvom elektromagnetického prechodového javu, ktorý vznikne pri vytváraní točivého poľa, môže dôjsť k značnému prúdovému nárazu.
2. Hlavný a rozbehový motor sú zapojené do série, teda počas rozbehu slúži jeden motor druhému ako spúšťacia impedancia. Rozbehový motor má vplyvom zaradeného prídavného odporu v rotore oveľa väčšiu impedanciu nakrátko ako hlavný motor, takže v okamihu pripnutia na sieť je na statore rozbehového motora takmer plné napätie. Rozbehový motor, ktorý má nižší počet pólov, roztáča hlavný motor a po dosiahnutí synchrónnych otáčok hlavného motora jeho impedancia podstatne stúpne, čím na seba preberie väčšiu časť sieťového napätia. Následne sa rozbehový motor odpojí od napájacej siete, čím je hlavný motor pripojený na plné napätie siete bez prúdového nárazu.

Pripojenie asynchrónneho motora na napájaciu sieť pomocou odporového rotorového spúšťača

Tento spôsob spúšťania asynchrónnych motorov možno použiť iba pri motoroch s krúžkovým rotorom. Jeho princíp spočíva v zaradení odporu do obvodu rotora, čím zmäkčíme (sklopíme)

momentovú charakteristiku asynchrónneho motora podľa obr. 22. Zaradením odporu do rotora znížime záberový prúd motora, zmení sa sklz zvratu motora a záberový moment, pričom hodnota maximálneho momentu motora sa nezmení. Zmäkčenie charakteristiky zároveň spôsobí, že motor sa rozbieha na stabilnej časti charakteristiky.

Ako vidno z obr. 22, pri spúšťaní (vyradzovaním jednotlivých prídavných spúšťacích odporov) moment motora kolíše medzi krajnými hodnotami momentu M₁ < 0,85 · M_m a M₂ > M_p, kde M_m predstavuje maximálny moment motora a M_p záťažový moment motora.

Celkový odpor spúšťača sa vypočíta pomocou vzťahu:

     (23)

Celkový odpor je rozdelený na jednotlivé stupne spúšťača tak, aby bola pri spúšťaní zachovaná nerovnomernosť spúšťania λ.

     (24)

Hodnotu odporu v danom stupni m následne vypočítame ako:

     (25)

Počet stupňov potrebných na rozbeh asynchrónneho motora pri danej nerovnosti vypočítame podľa vzťahu:

     (26)

Tento spôsob spúšťania sa používa aj pri vysokonapäťových krúžkových motoroch, kde stator je dimenzovaný na napätie 6 kV a rotor na napätie od cca 600 V do 1 500 V. Asynchrónne krúžkové motory sa používajú tam, kde je potrebný veľký záberový moment pri malom záberovom prúde. Motory s menším výkonom sa používajú v pohonoch žeriavov, motory s väčším výkonom ako pohony mlynov a dopravníkov v ťažobnom priemysle a podobných aplikáciách.

Spúšťanie asynchrónneho motora pomocou mäkkého spúšťača

Mäkký spúšťač (softštartér) je zariadenie na plynulú zmenu napájacieho napätia asynchrónneho motora. Počas rozbehu generuje mäkký spúšťač napätie, ktoré sa postupne zvyšuje po nastaviteľnej rampe, až kým nedosiahne menovitú hodnotu. Mäkké spúšťače ponúkajú tieto základné funkcie:

• riadenie napätia motora (rozbehová/dobehová rampa),
• nastavenie prúdového obmedzenia počas rozbehu,
• brzdenie jednosmerným prúdom.

Bližšie sa téme mäkkého spúšťania asynchrónneho motora budeme venovať v nasledujúcich pokračovaniach tohto seriálu.

Zapojenie, istenie a ochrana motorov pripojených k sieti

Okrem spôsobu pripojenia asynchrónneho motora na sieť treba zabezpečiť aj jeho ochranu pred skratovým prúdom a preťažením. Ochrana motora pred skratom sa zabezpečuje pomocou poistky alebo ističa (magnetická spúšť), ochranu pred preťažením zabezpečuje prúdové relé (nie prúdový chránič) alebo istič (tepelná spúšť). Zapínanie a vypínanie motora zabezpečuje stýkač.

V praxi sa používajú nasledujúce kombinácie spúšťania:

• poistky, stýkač, tepelné relé,
• integrovaný motorový spúšťač.

V kombinácii poistka, stýkač, tepelné relé chránia motor pred skratom poistky a pred preťažením spínacie (tepelné) relé. Vybavovací prúd relé možno nastaviť v určitom rozsahu, takže jeden typ relé sa dá použiť pri motoroch v určitom rozsahu výkonu. Priradenie istenia a jeho hodnoty k motoru stanovuje výrobca motorov, no pokiaľ takýto údaj nie je k dispozícii, možno použiť orientačné údaje z tab. 1.

Tab. 1 Priradenie istenia k asynchrónnym motorom s kotvou nakrátko a menovitým napätím 400 V

Podľa veľkosti záťaže a dĺžky trvania rozbehu rozoznávame rozbeh ľahký, normálny a ťažký. Istenie motora nesmie zareagovať na záberový prúd, ktorý v prípade ťažkého rozbehu trvá aj niekoľko sekúnd. Pri ochrane motora je nutné ošetriť nasledujúce stavy:

• Preťaženie obvodu – je spôsobené mechanickým preťažením motora, zaregistrovať možno zvýšený odber prúdu v celej vetve. Motor, prívodné vodiče a tepelné relé sú nadmerne ohrievané. Pre napájací rozvod a rozvodňu to nie je výrazné preťaženie. Pri preťažení reaguje tepelné relé a cez stýkač vypína prívod k motoru. Tepelné relé istí prívod a motor, jeho charakteristika sa musí prispôsobiť prívodu a motoru.
• Skrat na motore – chránime napájaciu stranu (transformátor a prívod), prívod k motoru, tepelné relé, stýkač. Prívod vypína poistka.
• Skrat na kábli k motoru – chránime napájaciu stranu (transformátor a prívod) až po poistky. Prívod vypína poistka.
• Skrat na svorkovnici motora – chránime napájaciu stranu (transformátor a prívod), prívod k motoru, tepelné relé, stýkač – motor samotný nie je poškodený, skrat sa ho netýka. Prívod vypína poistka.

V bežnej prevádzke odoberá motor cca šesťnásobok IN pri štarte. Väčší prúd je spôsobený len skratom, ktorý treba vypnúť. Tepelné relé treba voliť tak, aby znieslo záberový prúd počas rozbehu motora. Existujú dva prístupy k výberu tepelného relé a poistky:

1. Technický prístup: tzv. plné vzájomné istenie relé a poistky. Pri zapôsobení relé (t. j. pri preťažení) sa nesmie pretaviť poistka (ani čiastočne) a pri skrate (t. j. pri pretavení poistky) sa zase nesmú poškodiť relé a stýkač. Výsledkom tohto prístupu je predimenzované relé a stýkač, ktoré musia vydržať bez poškodenia skratový prúd, čo je drahšie riešenie.
2. Ekonomický prístup: skrat sa v obvode vyskytuje výnimočne. Je preto lacnejšie použiť relé a stýkač na prevádzkové preťaženie. Ak náhodou ku skratu dôjde, je lacnejšie vymeniť oba prvky, ako montovať drahšie, ktorých predimenzovanie sa nevyužije.

Integrovaný motorový spúšťač predstavuje komplexné modulárne zariadenie, ktoré slúži predovšetkým na spínanie/pripájanie trojfázového asynchrónneho motora na napájaciu sieť, ale v závislosti od stupňa integrácie ponúka aj prídavné funkcie, napr.:

• prepäťovú ochranu,
• nadprúdovú ochranu,
• ochranu proti tepelnému preťaženiu,
• ochranu proti skratu,
• ochranu pri výpadku fázy a pod.

Jednotlivé funkcie môžu byť zabezpečené navzájom pospájanými samostatnými prvkami (poistky, stýkač, tepelné relé…) alebo integrovaným prístrojom. Ovládanie je možné ručne, elektronicky alebo cez priemyselnú zbernicu. Motorové spúšťače sa vyrábajú v širokej škále prúdových rozsahov od stoviek mA až po desiatky ampérov. Jednotlivé možnosti a parametre motorových spúšťačov závisia od konkrétneho typu a výrobcu konkrétneho spúšťača a niektoré z nich už boli predstavené aj v časopise ATP Journal, napr. elektronický motorový spúšťač PKE od firmy Moeller.

Moderné motorové spúšťače sú vybavené elektronickou ochranou, ktorá chráni motory (ako už bolo spomenuté) pred zničením pri spúšťaní, preťažení, skrate a výpadku fázy pri trojfázovom napájaní. Majú tepelnú spúšť na ochranu vinutia motora (nadprúdová ochrana) a elektromagnetickú spúšť (skratová ochrana). K motorovým spúšťačom sa môže štandardne pripájať príslušenstvo, ako je podpäťová, resp. vypínacia spúšť, pomocné kontakty a pomocné kontakty s indikáciou vypnutia. Veľkým plusom použitia elektroniky v motorových spúšťačoch je aj to, že motorové spúšťače môžu komunikovať s nadradenými systémami a odovzdávať im dôležité informácie, čo zabezpečí komfort pri riadení rôznych technologických procesov. Ďalšou významnou výhodou nových typov motorových spúšťačov je ich modularita a široký rozsah nastavenia prúdu [5], [6].

Literatúra

[1] Mohamed, E. El-Hawary: Principles of electric Machines with power Electronic Applications. Prentice-Hall International, Inc. 1987, USA.

[2] Timko, J. – Fedák, V.: Elektrické pohony. Košice: ES TU 1992. ISBN 80-7099-185-2.

[3] Zboray, L. – Ďurovský, F. – Tomko, J.: Regulované pohony. Košice: Vienala 2000. ISBN 80-88-922-13-5.

[4] Kříž, M.: Dimenzování a jištění elektrických zařízení. Tabulky a příklady. IN-EL Praha, 2001, knižnice Elektro, svazek 56. ISBN 80-86230-21-X.

[5] Nechala, M.: Spoľahlivá ochrana spúšťania motorov od firmy Moeller. In: ATP Journal, 2009, č. 2, s. 32 – 33.

[6] Nechala M.: Inteligentné riadenie a ochrana motorov. In: ATP Journal, 2009, č. 12, s. 18 – 19.

Kolektív autorov:
Peter Girovský et al.
peter.girovsky@tuke.sk