Рассматриваемое в статье устройство позволяет производить безударный пуск и торможение трехфазного асинхронного электродвигателя, что увеличивает срок службы оборудования и снижает нагрузку на электросеть. Плавный пуск достигается путем изменения эффективного значения напряжения на обмотках двигателя с помощью тринисторов.
Устройства плавного пуска (далее — УПП) широко применяются в промышленности, на транспорте, в коммунальном и сельском хозяйстве. Основа трехфазных УПП — три пары включенных встречно-параллельно тринисторов, установленных в разрывы каждого из фазных проводов. Плавный пуск достигается за счет постепенного увеличения прикладываемого к обмоткам электродвигателя напряжения от некоторого начального значения до номинального. Для этого в течение некоторого времени, называемого временем пуска, постепенно увеличивается от минимального значения до максимального угол проводимости тринисторов. Обычно начальное напряжение невелико, поэтому крутящий момент на валу электродвигателя при пуске намного меньше, чем в номинальном режиме. При этом происходит плавное натяжение приводных ремней, входят в зацепление зубчатые колеса редуктора. В результате снижаются динамические нагрузки на детали привода, что способствует продлению срока службы механического оборудования, увеличению межремонтного периода.
Применение УПП позволяет снизить и пиковую нагрузку на электросеть, поскольку пусковой ток электродвигателя в этом случае превышает номинальный всего в 2...4 раза, а не в 5...7, как при прямом пуске. Это бывает важно при питании электропривода от источников ограниченной мощности, например, дизель-генераторных установок, устройств бесперебойного питания, маломощных трансформаторных подстанций (особенно в сельской местности). Снижение пускового тока продлевает и жизнь электрооборудования.
На рисунке изображена схема УПП, предназначенного для электродвигателей, питаемых от трехфазной сети 380 В, 50 Гц (фазы А, В, С), обмотки которых, соединенные "звездой", подключают к цепям L1—L3. Общую точку "звезды" соединяют с нейтралью сети (N). Максимальная мощность двигателя —4 кВт.
Тринисторы VS1—VS6 — недорогие 40TPS12 в корпусе ТО-247, допускающие прямой ток до 35 А. Параллельно тринисторам подключены демпфирующие RC-цепи R8C11, R9C12, R10C13, предотвращающие их ложные включения, а также варисторы RU1—RU3, поглощающие коммутационные импульсы амплитудой более 500 В.
Каждой парой встречно-параллельных тринисторов управляет хорошо известная радиолюбителям микросхема фазового регулятора КР1182ПМ1 (DA1— DA3). Конденсаторы С5—С10 обеспечивают формирование внутри микросхем пилообразного напряжения, синхронизированного с сетевым. Сравнивая пилообразное напряжение с действующим между выводами 3 и 6, каждая микросхема формирует сигналы включения соответствующих тринисторов.
Понижающий трансформатор Т1, выпрямитель на диодном мосте VD1 со сглаживающим конденсатором С4 и интегральный стабилизатор DA4 обеспечивают напряжение 12 В, необходимое для работы реле К1—КЗ.
После подачи силовым выключателем Q1 трехфазного напряжения при разомкнутом выключателе SA1 вал электродвигателя остается неподвижным, так как выводы 3 и 6 микросхем DA1 — DA3 зашунтированы резисторами R1— R3 через нормально замкнутые контакты реле, напряжение между этими выводами мало, импульсы, открывающие тринисторы, не формируются. В таком состоянии включен светодиод HL1, сигнализирующий о готовности УПП к работе.
При замыкании контактов выключателя SA1 напряжение 12В поступает на обмотки реле, их контакты размыкаются и начинается зарядка конденсаторов С1—СЗ током, генерируемым внутри микросхем. Тринисторы начинают открываться. По мере увеличения напряжения на конденсаторах С1—СЗ угол включенного состояния тринисторов постепенно растет и через некоторое время достигает максимума. По истечении этого времени разогнавшийся двигатель работает на полную мощность. О включении двигателя сигнализирует светодиод HL2.
Когда выключатель SA1 будет разомкнут, контакты реле вернутся в исходное замкнутое состояние и конденсаторы С1—СЗ за несколько секунд разрядятся почти до нуля, после чего открывающие тринисторы импульсы прекратятся. Двигатель плавно замедлит ход и остановится.
Поскольку во время пуска токи через обмотки двигателя несинусоидальны, полной компенсации фазных токов в нулевом проводе не происходит. В определенные моменты ток в этом проводе может оказаться значительным. А в установившемся режиме он значительно меньше, поскольку обусловлен лишь "перекосом" фаз и неидентичностью обмоток двигателя, и обычно не превышает 10 % номинального тока фазы.
Трансформатор Т1 — ТПГ-2 с напряжением вторичной обмотки 15 В, реле К1—КЗ — TRU-12VDC-SB-CL, конденсаторы С11—С13 — пленочные К73-17. В качестве выключателя SA1 можно использовать кнопку с фиксацией в нажатом состоянии.
Сечение проводов, соединяющих УПП с выключателем Q1 и с двигателем, должно соответствовать мощности последнего. Сечение нулевого провода должно быть таким же, как и фазных.
При работе с двигателем мощностью до 1,5 кВт и частоте пусков не более 10—15 в час на тринисторах VS1—VS6 рассеивается незначительная мощность, поэтому отводить тепло от них не требуется. При более частых пусках или более мощном двигателе тринисторы необходимо снабдить теплоотводами из алюминиевой полосы. Если теплоотвод общий, тринисторы должны быть надежно изолированы от него соответствующими прокладками. Для улучшения теплопередачи можно применить пасту КПТ-8.
Собранное устройство, прежде чем соединять его с электродвигателем, необходимо проверить, подключив к выходам три одинаковые лампы накаливания. Во время испытаний может выясниться, что лампы зажигаются и гаснут неодновременно. Это обусловлено разбросом характеристик микросхем DA1—DA3 и емкости конденсаторов С1—СЗ. Время выключения зависит и от сопротивления резисторов R1—R3. Рассогласование по времени более 30 % необходимо устранить подборкой упомянутых выше конденсаторов и резисторов.
Из-за разброса емкости конденсаторов С5—С10, входящих в цепи формирования пилообразного напряжения, возможно появление в фазных проводах постоянной составляющей тока, вызывающей нежелательное подмагничивание магнитопроводов двигателя и питающего его силового трансформатора. Практика показала, что такое влияние невелико, и мер по устранению этой составляющей принимать не требуется.