Значение асинхронных двигателей на любом производстве переоценить невозможно. Они обеспечивают функционирование оборудования, совершенно различного по мощности (от вентиляторов камер до дробилок), режиму работы (питающие насосы работают без остановки, а насосные станции пожаротушения могут почти не включаться) и требованиям к безопасности (взрывозащищенное и искробезопасное исполнение позволяют использовать асинхронные двигатели во взрывоопасных производственных зонах). Двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором отличаются простотой конструкции, невысокой стоимостью и являются самыми распространенными электрическими машинами. Согласно экспертным оценкам асинхронные двигатели потребляют до 53% всей вырабатываемой энергии.
Управление асинхронными двигателями определяется спецификой применения и требованиями к работе оборудования. Так, двигатель вентилятора должен включаться по сигналу от термодатчика, насосный двигатель — изменять скорость вращения для поддержания давления, а двигатель в составе систем, оборудованных запорно-регулирующей арматурой, — обеспечивать работу установки и контроль за состоянием арматуры. Чем выше требования к управляемому оборудованию, тем сложнее схема управления двигателем и конструкция шкафа управления.
Одно из распространенных применений асинхронных двигателей — насосы и насосные станции, активно используемые в производствах, где требуется перекачивание рабочих жидкостей, и решающие важные технологические задачи. Надежность и экономичность насосных установок серьезно влияют на показатели эффективности производства, и в свою очередь зависят от качества управления их работой. Как выбрать оптимальную схему управления для двигателей насосов и насосных станций, говорим сегодня.
Прежде всего, надо понять, как можно запускать двигатели и управлять ими. Условно по способам управления их можно разделить на три вида:
- прямой пуск и работа двигателя с постоянной производительностью;
- использование устройств плавного пуска (УПП) для разгона и дальнейшая работа двигателя с постоянной производительностью;
- использование преобразователей частоты (частотно-регулируемых приводов — ЧРП) для оптимального разгона и изменения производительности в зависимости от условий работы.
Рассмотрим каждый из способов.
Прямой пуск
Прямой пуск применяется в основном для маломощных двигателей — простой и надежный способ.
Для двигателей средней и большой мощности с тяжелыми условиями запуска необходимо ограничивать пусковой ток, поэтому для них используют пуск по схеме «звезда-треугольник».
При схеме «звезда–треугольник» двигатель должен быть таким, чтобы номинальное напряжение питания при включении его обмоток «треугольником» было 380 В. В этом случае двигатель запускается в два шага. На шаге разгона обмотки включаются «звездой».
Таким образом, получается, что 380 В подается на схему, которая для нормальной работы требует напряжения около 660 В. Так как двигатель в «звезде» работает при пониженном напряжении, разгон (выход на рабочие обороты) получается относительно плавным.
На втором шаге обмотки включаются «треугольником», и двигатель выходит на свою номинальную мощность. Минус этого способа — разгон получается ступенчатым, а пусковые токи все же могут принимать большое значение в сравнении с пуском от УПП или ЧРП.
Подключение двигателей по схеме «звезда» и «треугольник»
Использование устройств плавного пуска
На электроприводе насосных агрегатов при пуске с повышенным моментом и резкой остановке насосных установок в сети возникают гидравлические удары, которые могут повредить запорно-регулирующую арматуру, контрольно-измерительные приборы, трубопровод. Плавный пуск и остановка агрегатов позволяет избежать этих проблем, обеспечить это может устройство плавного пуска (УПП). Устанавливать УПП следует на двигателях средней и большой мощности. Но надо помнить, что устройства в лучшем случае снижают пусковой ток в 2,5 раза.
Одиночный насос
При более высоких требованиях к пусковым токам двигателей и/или наличии переменной нагрузки необходимо использовать преобразователь частоты.
Использование преобразователей частоты
Насосная станция из четырех насосов
Преобразователь частоты, помимо преимуществ УПП, обладает еще рядом полезных возможностей:
1. Каскадный режим работы. При запуске частотный преобразователь регулирует сначала двигатель одного насоса, пытаясь достичь заданного давления. Если производительности первого насоса не хватает, то ЧРП, управляя контакторами двигателей, отключает двигатель первого насоса от преобразователя, затем немедленно подключает его к сети и работает на полную мощность. В то же время, включается контактор, питающий второй насос от преобразователя частоты. Сам преобразователь частоты начинает отрабатывать пуск двигателя: выполняется плавная раскрутка и вход в режим регулирования. Таким образом, суммируя мощности двигателей, получаем широкий диапазон регулирования параметров системы.
2. Рассмотренная схема позволяет подключать три, четыре и более насосов, без использования внешних логических контроллеров.
3. Возможность использования схем с переключением насосов. Это помогает уменьшить износ оборудования и выполнять одинаковую наработку часов оборудования. Кроме того, схема с переключением насосов легко позволяет вводить аварийный резерв, так как все насосы постоянно находятся в рабочем и готовом состоянии.
Использование частотно регулируемых приводов — это наиболее совершенное техническое решение настоящего времени. Поэтому они активно внедряются как при новом строительстве промышленных объектов, так и при реконструкции существующего производства. Последнее особенно актуально для нашей страны, так как оборудование многих производств устарело и требует замены двигателей или их модернизации посредством установки ЧРП.
Как правило, установка ЧРП себя оправдывает, тем не менее его выбор к применению должен быть обоснован, так как цена ЧРП может превышать стоимость самого двигателя в разы.
Как и любая другая электроустановка, двигатель требует выполнения защиты. Различают несколько видов защит.
Внешняя защита
Как правило, внешняя совмещает в себе защиту от короткого замыкания и перегрузки по току. Реализуют её, в основном, на специальных автоматах защиты электродвигателя или контакторах с тепловым реле. Основное преимущество этих аппаратов заключается в точной настройке теплового расцепителя, что позволяет уберечь двигатель при заклинивании подшипника, при перегрузке механизма в целом с дальнейшим ростом токов. Использование обычных автоматических выключателей нежелательно.
Что касается преобразователей частоты, то согласно рекомендациям многих заводов-производителей защищать их по току следует быстродействующими предохранителями. Но такое решение не всегда удобно, поэтому допускается защищать ЧРП автоматическим выключателем. Важно правильно подобрать его номинальные значения в соответствии с UL 508, параграф 45.8.4, часть «а»: для трехфазных приводов номинальный ток автоматического выключателя должен быть 1,6-2,6 кратным к входному току преобразователя частоты, это связано с длительным увеличением тока до 160 % от номинального во время разгона двигателя.
Внутренняя защита
Внутренней защитой выступает тепловая защита двигателя. Реализуется с помощью теплового датчика — термистора, встраиваемого в обмотки статора двигателя. В этом случае в шкаф управления потребуется установка дополнительного реле, которое будет контролировать состояние теплового датчика и в случае недопустимого перегрева воздействовать на аппарат управления двигателя и отключать его. Если двигатель управляется от ЧРП, то сигнал от терморезистора РТС можно завести на аналоговый вход ЧРП с заданием уставки срабатывания. Также в роли тепловой защиты могут выступать биметаллические пластины, устанавливаемые в двигатели. Своим контактом она разрывает цепь управления и останавливает двигатель.
Шкафы управления насосами
Дополнительные защиты
В роли дополнительной защиты может выступать датчик сухого хода. В тех системах, где используется насос с «мокрым» ротором, и его работа не допускается без рабочей среды — устанавливают датчик «сухого хода». Его работа реализуется с помощью реле протока и реле времени, которое позволяет совершить пуск пока рабочая среда не начнет двигаться и не включит реле протока.
Защита минимального напряжения (ЗМН). При возникновении КЗ на линии, отходящей от шин РП, происходит снижение напряжения. Возникает самозапуск всех двигателей, подключенных к РП, тем самым усугубляя ситуацию. При снижении напряжения ниже 55-65 % от номинального напряжения, самозапуск может не произойти. Для того, чтобы дать возможность самозапуститься ответственным двигателям, ЗМН отключает неответственные двигатели.
Как правило, реализуется это при помощи реле контроля фаз. Соответственно, схема управления контактором должна осуществляться при помощи реле с фиксацией команд управления.
Схема управления. Полезные советы
При выборе оптимальной схемы управления необходимо обратить внимание на ряд немаловажных моментов:
- Оперативное питание вторичных цепей управления лучше всего осуществлять по отдельной линии от источника бесперебойного питания. Но такая возможность есть не всегда, и тогда оперативное питание надо брать непосредственно от силового ввода питания в шкаф.
- При наличии возможности управления двигателем из нескольких мест (местное, дистанционное) обычно устанавливается переключатель, дающий возможность управлять из того или иного места. В таких случаях схему строить следует таким образом, чтобы команда на отключение выполнялась в любом случае, вне зависимости от положения переключателя режимами управления.
- Шкафы управления, оборудованные ЧРП, обязательно должны иметь активную вентиляцию. Приточный вентилятор лучше располагать в нижней части шкафа, а вытяжную решетку в верхней. Приток воздуха создает внутри избыточное давление чистого воздуха и предотвращает попадание грязного через возможные дефекты корпуса. Если шкафов будет несколько, и они будут располагаться в один ряд, то вентилятор и решетку надо располагать на дверце. Мощность вентилятора должна выбираться исходя из тепловыделения ЧРП. Следует отметить, что заводские характеристики вентилятора даются для свободного потока воздуха, при установке фильтра производительность падает на 25-30 %, также производительность будет падать по мере засорения фильтра, поэтому необходимо делать соответствующий запас при выборе вентилятора.
- Не стоит забывать, что в некоторых случаях требуется амперметр, показывающий ток двигателя, и преобразователь для передачи данных в АСУ ТП.
- Во многих случаях требуется передача данных в АСУ ТП, поэтому необходимо предусмотреть дополнительные клеммы для подключения аналоговых входов/выходов ЧРП и датчиков, сухих контактов реле и контактора, аварийных контактов срабатывания защит и пр.
- При работе насосного агрегата может возникнуть неисправность или аварийная ситуация, поломка насоса или двигателя, отклонения параметров работы от нормы, опасная для персонала ситуация. В таком случае требуется экстренное отключение установки, для чего необходимо предусмотреть аварийную кнопку. Таких кнопок может быть несколько: на самом щите управления и непосредственно у насоса. Лучше, чтобы это была красная кнопка-грибок.
Дополнительная сложность в организации управления асинхронными двигателями обусловлена тем, что большинство представленных на рынке шкафов управления — это готовые универсальные решения, при построении которых не учитываются индивидуальные особенности производственного цикла, особенности подключаемых двигателей, требования, предъявляемые к надежности аппаратуры со стороны Заказчика, а также принцип «подобия», предполагающий максимальное приближение готового изделия к уже установленным на объекте шкафам. Поэтому в процессе монтажа и наладки приходится в большинстве случаев вносить множество изменений, что повышает риски поломки оборудования и увеличивает уровень ответственности подрядчика и требования к квалификации специалистов-наладчиков.
Компоновочные решения при проектировании шкафов управления насосами
Вообще, учитывая масштаб задач, которые решаются с применением асинхронных двигателей, и стоимость оборудования в случае применения ЧРП или УПП, первое, в чем следует убедиться при выборе поставщика оборудования для управления двигателем, — это компетенция исполнителя. Неважно, с кем вы работаете — производителем или интегратором — главное, чтобы ваш партнер смог обеспечить квалифицированную поддержку, подобрать нужный способ управления с учетом требований производства, а также выстроить надежную системы защиты.
