Asynchrónne motory v priemyselnej praxi (4)

Mäkký spúšťač

Vo viacerých aplikáciách asynchrónnych motorov (AM) v praxi nie je potrebné riadenie ich rýchlosti. Stačí, keď sa zabezpečí riadený rozbeh AM, a motor potom bude pracovať pripojený priamo na sieť. V minulom čísle boli spomenuté rôzne typy spúšťačov. Ich spoločnou nevýhodou je, že neumožňujú plynulú a riadenú zmenu napätia na motore. Túto nevýhodu odstraňuje tzv. mäkký spúšťač (angl. soft starter, nem. Sanftanlasser). Zníženie napätia na motore spôsobí zníženie prúdu a momentu počas rozbehu. Prehľad prúdových a momentových pomerov na motore počas rozbehu pri použití rôznych spôsobov spúšťania je v tab. 4.

Legenda: I_N/M_N – menovitý prúd/moment, I_z/M_z – záberový prúd/moment
Tab. 4 Prúdové a momentové pomery na motore pri rôznych spôsoboch spúšťania

Menič na mäkké spúšťanie AM je polovodičový menič napätia osadený tyristormi. Najčastejšie sa menič zapája do prívodných vodičov motora. Používa sa buď symetrické (obr. 23a, resp. 24a), alebo asymetrické zapojenie (obr. 23b, resp. 24b). Pri asymetrickom zapojení tečú vinutiami motora rôzne prúdy, takže vinutia sú nerovnomerne tepelne zaťažované. Vzhľadom na fakt, že mäkký spúšťač sa používa len krátkodobo pri rozbehu motora, nemusí to motoru prekážať. Uvedené zapojenie ponúkajú viacerí výrobcovia, no používa sa len pri AM s menším výkonom. Na spúšťanie motorov s väčším výkonom sa používa symetrické zapojenie, ktoré sa vyrába pre celý rozsah výkonov AM.

Mäkký spúšťač môžeme použiť pre AM zapojené do hviezdy (obr. 23) aj do trojuholníka (obr. 24). Ak zapojíme mäkký spúšťač dovnútra trojuholníka AM (tzv. zapojenie delta alebo in-delta), budú cez tyristory tiecť len fázové prúdy, ktoré sú cca 1,7-krát menšie ako združené (obr. 24c). Pri rovnakom výkone motora tak vystačíme s menším výkonom spúšťača. Nevýhodou zapojenia je fakt, že k motoru treba priviesť šesť vodičov, čo pri vyššom výkone a väčšej vzdialenosti meniča od motora prináša zvýšené náklady. Zapojenie sa preto s výhodou použije v aplikáciách, ktoré predtým využívali spúšťanie prepínačom hviezda/trojuholník, kde možno využiť jestvujúcu kabeláž.

Princíp činnosti mäkkého spúšťača

Mäkký spúšťač počas rozbehu AM generuje napätie, ktoré sa zvyčajne postupne zvyšuje po nastaviteľnej rampe, a za čas t_R dosiahne menovitú hodnotu. Používateľ môže nastaviť napätie na začiatku rozbehu U_start a čas nárastu napätia t_R. Zníženie napätia počas rozbehu spôsobí pokles prúdu a momentu motora. Prúd počas rozbehu bude priamoúmerný napätiu a moment bude úmerný kvadrátu napätia. V praxi to znamená, že pri znížení napätia na polovicu klesne záberový prúd na polovicu a moment na štvrtinu záberového momentu, ktorý by mal motor pri priamom pripojení na sieť (angl. Direct On Line – DOL). Ak sa napätie pri rozbehu zníži príliš, záberový moment nemusí stačiť na rozbeh pripojenej mechanickej záťaže. Porovnanie pomerov pri priamom pripojení na sieť s rozbehom pomocou mäkkého spúšťača je dokumentované na nasledujúcom príklade a na obr. 25. Po skončení rozbehu sa spúšťač zvyčajne preklenie stýkačom (angl. by-pass) a motor pracuje ďalej pripojený priamo na sieti.

Príklad: Porovnanie priameho pripojenia motora na sieť s rozbehom pomocou mäkkého spúšťača.

Motor má tieto menovité údaje: U_N = 400 V, P_N = 55 kW, I_N = 100 A, M_N = 355 Nm.

Pri priamom pripojení na sieť bude záberový prúd I_z ≈ 700 A a záberový moment M_z ≈ 700 Nm.

Pri rozbehu cez mäkký spúšťač:

– pri znížení napätia na 75 % UN, resp. 50 % U_N bude záberový prúd a moment nasledujúci:

U₁ = 0,75 U_N => I_{z_spúšťač} ≈ 0,70 x I_z = 490 A, M_{z_spúšťač} ≈ 0,49 x M_z = 343 Nm

U₁ = 0,5 U_N => I_{z_spúšťač} ≈ 0,5 x I_z = 350 A, M_{z_spúšťač} ≈ 0,25 x M_z = 175 Nm

Pri väčšine aplikácií sa pri zastavovaní pohonu vypne napájacie napätie a pohon sa nechá voľne dobehnúť, pričom je brzdený záťažovým momentom. Pri niektorých typoch pohonov je však výhodné, keď sa pri zastavovaní napätie na motore nevypína skokom, ale postupne sa znižuje. Odstránia sa tak náhle zmeny momentu motora, ktoré môžu spôsobiť problémy na poháňanej mechanike. Týka sa to napr. pohonu čerpadiel, kde pri náhlom vypnutí motora môžu vzniknúť rázy v potrubí, alebo pri pohone mechaniky s veľkým momentom zotrvačnosti cez samosvornú prevodovku (napr. závitovkovú), kde pri náhlom zastavení pohonného motora môže dôjsť k poškodeniu zubov prevodovky. Plynulé zníženie otáčok motora pri zastavovaní tieto problémy odstráni.

V nasledujúcej časti budú uvedené možnosti, ktoré riadenie napätia AM poskytuje. Nie všetky možnosti sú bežnou výbavou komerčných mäkkých spúšťačov. Preto treba pri výbere spúšťača pre danú aplikáciu overiť, čo daný typ spúšťača od konkrétneho výrobcu umožňuje.

Riadenie momentu motora

Ideálne nastavenie nárastu napätia pomocou mäkkého spúšťača je také, keď sa moment motora udržiava počas rozbehu cca o 15 % vyšší, ako je záťažový moment pohonu (obr. 26). To zabezpečí konštantný dynamický moment a plynulý rozbeh motora. Problémom je, že takéto nastavenie napätia vyžaduje jednak presnú znalosť priebehu záťažového momentu, jednak komplikovaný spôsob riadenia napätia spúšťača. Napätie spúšťača U₁ sa v tomto prípade nemení po jednoduchej rampe, ale počíta sa z upraveného vzťahu (8).

Žiadaná hodnota momentu sa môže meniť napr. po rampe. Pokiaľ to spúšťač umožňuje, tak po doplnení snímača otáčok je možné pomerne presné riadenie otáčok počas rozbehu motora. Treba si však uvedomiť, že kým otáčky motora nedosiahnu sklz zvratu („koleno“ na momentovej charakteristike), motor odoberá prúd, ktorý je podstatne vyšší ako jeho menovitý prúd. Preto nie je dlhodobá prevádzka v tejto oblasti možná. Riadenie momentu motora pomocou mäkkého spúšťača preto nenahrádza riadenie momentu pomocou frekvenčného meniča, keď sa pracuje v okolí menovitých hodnôt prúdu motora na stabilnej časti momentovej charakteristiky.

Riadenie napätia spúšťača podľa upravenej rovnice (8) je označované ako riadenie momentu (torque control). Nie je štandardnou výbavou komerčných mäkkých spúšťačov a poskytujú ho len niektorí výrobcovia.

Riadenie napätia motora

Základnou funkciou, ktorú poskytujú mäkké spúšťače od všetkých výrobcov, je riadenie napätia po rampe. Na spúšťači sa dá nastaviť napätie na začiatku rozbehu U_start a čas t_R, za ktorý výstupné napätie spúšťača dosiahne plnú (menovitú) hodnotu (obr. 27). Okamžitý moment motora v tomto prípade nebude riadený, ale bude závisieť od okamžitej hodnoty napätia v danom pracovnom bode podľa rovnice (8). Niektorí výrobcovia aj tento spôsob riadenia nepresne označujú ako riadenie momentu.

Ďalšou možnosťou, ktorú bežné mäkké spúšťače poskytujú, je obmedzenie prúdu počas rozbehu. Spúšťač bude riadiť výstupné napätie tak, aby prúd motora v určitom pásme počas rozbehu neprekročil nastavenú hodnotu (obr. 28). Niektoré spúšťače umožňujú aj obmedzenie veľkosti napätia počas rozbehu.

Pri spúšťaní ťažkých pohonov, napr. mlynov, je na začiatku rozbehu nutné prekonať zvýšený záťažový moment spôsobený zvýšeným trením v ložiskách pohonu („prilepený“ pohon). Na to sa využíva krátkodobé zvýšenie momentu na začiatku rozbehu (tzv. odtrhový moment). Po prekonaní začiatočného trenia je možné napätie na motore znížiť a postupne ho zvyšovať po rampe (obr. 29).

Kombináciou nastavenia rampy nárastu napätia a uvedených obmedzení je možné priblížiť sa k optimálnemu priebehu momentu motora počas rozbehu. Niektorí výrobcovia ponúkajú programy, ktoré uľahčia nastavenie napäťovej rampy a prúdového obmedzenia pre daný typ motora a mechanickej záťaže.

Na obr. 27 až 29 sú ilustrované rôzne možnosti nastavenia meničov pre mäkké spúšťanie. 

Legenda k obr. 27 – 29: U_start – napätie na začiatku rozbehu, U_N – napätie siete, U_odtrh – zvýšené napätie na „odlepenie“ pohonu, U_lim – obmedzenie napätia, I_start – prúd na začiatku rozbehu, I_z – záberový prúd pri priamom pripojení na sieť, I_lim – obmedzenie prúdu, t_r – doba nárastu rampy napätia, t_lim – doba s obmedzeným napätím, t_odtrh – doba trvania U_odtrh

Brzdenie jednosmerným prúdom

Z meniča napätia možno vytvoriť usmerňovač tak, že sa riadia len tie tyristory, ktoré prepúšťajú cez AM prúd jedným smerom. Pri elektrickom brzdení AM sa skráti čas zastavenia pohonu oproti voľnému dobehu. Viac podrobností o brzdení AM jednosmerným prúdom (angl. DC-braking) uvedieme pri frekvenčných meničoch.

Režim „úspora energie“

Točivý moment motora sa vytvára vzájomným pôsobením magnetického toku stroja a prúdom rotora. Veľkosť magnetického toku závisí od pripojeného napätia, pričom frekvencia napájacieho napätia je konštantná, a veľkosť prúdu rotora od záťažového momentu. Straty stroja sú spôsobené magnetizačným prúdom, ktorý generuje tok stroja, a momentotvornou zložkou prúdu, ktorá je úmerná rotorovému prúdu. Ak znížime napájacie napätie, klesne tok stroja a narastie rotorový prúd, aby sa dosiahol rovnaký moment stroja. Pre určitý moment motora existuje optimálna kombinácia oboch zložiek prúdu, pri ktorej sú straty v motore minimálne. Tento režim však možno prevádzkovať len pri čiastočnom zaťažení motora (do cca 1/3 M_N). Znížením tokotvornej a zvýšením momentotvornej zložky prúdu sa zároveň zlepší účinník stroja.

Aplikácia režimu nevyžaduje žiadne zmeny zapojenia meniča napätia. Menič v tomto prípade nie je preklenutý bajpasovým stýkačom, ale je trvale v prevádzke. Vzhľadom na obmedzené možnosti použitia tejto metódy ju ponúkajú len niektorí výrobcovia.

Základné funkcie komerčných meničov na mäkké spúšťanie

Priemyselne vyrábané meniče na mäkké spúšťanie sú riadené mikroprocesorom, príp. signálovým procesorom, a vybavené týmito základnými funkciami:

• generovanie napäťovej rampy pri rozbehu, prípadne dobehu motora,
• nastavenie prúdového obmedzenia počas rozbehu,
• krátkodobé zvýšenie napätia na začiatku rozbehu motora – „odtrhový“ moment,
• ovládanie premosťovacieho stýkača (bajpas),

Niektoré meniče ponúkajú ešte tieto doplnkové funkcie:

• brzdenie AM jednosmerným prúdom,
• optimalizácia príkonu motora v režime „úspora energie“ (angl. saving energy),
• riadenie momentu motora po rampe.

Prítomnosť mikropočítača v riadení mäkkého spúšťača umožňuje doplniť ďalšie doplnkové a diagnostické funkcie, ktoré sú bežné pri nových výkonových meničoch. Nie všetky, ktoré sú ďalej uvedené, sú bežnou výbavou mäkkých spúšťačov. Ide o nasledujúce doplnkové funkcie:

• programovateľné analógové a binárne vstupy a výstupy, ktoré zjednodušia ovládanie spúšťača, príp. jeho zaradenie do nadradeného automatizovaného systému,
• rozhranie na komunikáciu s nadradeným riadiacim systémom cez niektorú z priemyselných zberníc,
• viac skupín parametrov, ktoré umožnia napr. postupné spúšťanie motorov s rôznym výkonom jedným spúšťačom,
• nastavenie viacerých rozbehových a dobehových rámp,
• rozhranie na pripojenie snímača otáčok k spúšťaču,
• možnosť kaskádového rozbehu viacerých motorov – v tomto prípade sa spúšťačom postupne rozbiehajú jednotlivé AM; po rozbehnutí AM sa spúšťač preklenie bajpasovým stýkačom,
• pripojí priamo na sieť a spúšťač sa použije na rozbeh ďalšieho motora,
• zohriatie vinutí motora jednosmerným prúdom, aby sa zabránilo oroseniu vinutí pri prevádzke.

Diagnostické funkcie:

• sledovanie dôležitých veličín, napr. výstupného prúdu a príkonu motora, frekvencie siete, napájacieho napätia, výpadku fázy siete, účinníka,
• kontrola oteplenia motora pomocou výpočtu tepelného integrálu motora I2t, počtu rozbehov a/alebo signálu z teplotného snímača vo vinutí motora,
• kontrola teploty chladiča meniča.

Dimenzovanie meničov na mäkké spúšťanie

Mäkký spúšťač je určený predovšetkým na zabezpečenie rozbehu AM. Po rozbehu sa menič preklenie stýkačom a vyradí sa z činnosti. Preto je zvyčajne dimenzovaný na krátkodobú prevádzku, počas ktorej umožní preťažovanie až šesťnásobkom menovitého prúdu spúšťača. V katalógových údajoch výrobcu býva uvedené povolené preťaženie spúšťača v tvare (I_max/t_rN) pre trvalé zaťaženie S1, keď je rozbeh len občasný (napr. 300 % I_N/60 s). Pokiaľ ponúknutá kombinácia nevyhovuje, možno aktuálne preťaženie prepočítať. Musí byť splnená podmienka:

     (27)

kde I_z je aktuálny maximálny záberový prúd a t_r – skutočná doba rozbehu, ktorá sa určí analýzou rozbehu.

Pokiaľ sa nepoužíva premosťovací stýkač, bude mäkký spúšťač trvale v činnosti. Preto musí platiť:

     (28)

kde I_{N_spúšťač} je menovitý prúd spúšťača a I_{N_motor} menovitý prúd motora.

Pre zaťaženie S4 s častým rozbehom býva uvádzaný menovitý zaťažovateľ z_N a dovolený počet rozbehov (zvyčajne za 1 hodinu). Pre iný zaťažovateľ musí platiť, že stredný výkon (prúd) s týmto zaťažovateľom je menší ako stredný výkon (prúd) s menovitým zaťažovateľom. Podobne sa kontroluje doba rozbehu a počet rozbehov.

Príklad zapojenia mäkkého spúšťača je na obr. 30. Celá vetva je pred skratom chránená poistkami F1. Keďže AM môže pracovať pripojený priamo k sieti, je nutné vetvu vybaviť tepelnou ochranou motora F2. Poistky F3 chránia tyristory v mäkkom spúšťači, preto musia byť rýchle, určené na ochranu polovodičov typu gR alebo aR. Mäkký spúšťač G1 sa po rozbehu preklenie bajpasovým stýkačom KM.

Vzhľadom na skutočnosť, že menič pre mäkký spúšťač monitoruje veľkosť prúdu, ktorý cez mäkký spúšťač, príp. aj motor tečie, môže funkciu niektorých ochranných prvkov prevziať, takže ich nie je nutné inštalovať. Konkrétne zapojenie treba overiť podľa dokumentácie príslušného spúšťača.

Literatúra

Katalógy výrobcov: ABB, Siemens, VYBO Electric, Venio, Vonsch

Peter Girovský
František Ďurovský
Želmíra Ferková
Ján Kaňuch
Marek Pástor
Katedra elektrotechniky a mechatroniky
FEI TU Košice
peter.girovsky@tuke.sk