Realizacja funkcji miękkiego startu

Wysoki prąd rozruchowy oraz zużycie mechaniczne – to dwie najpoważniejsze przyczyny powstawania uszkodzeń w silnikach elektrycznych. Ochrona napędów przed uszkodzeniami silnika polega na wymuszaniu powolnego startu i zatrzymywania mechanizmu napędzającego. Pomaga również wykorzystanie odpowiednich materiałów zmniejszających intensywność zużywania się części. Jeśli nie możemy zastosować napędu o zmiennej prędkości ruchu, wtedy uderzenia występujące podczas startu i zatrzymywania napędu złagodzi zastosowanie specjalnego „mechanizmu miękkiego startu”, czyli specjalnego rozrusznika*.

Tego typu rozwiązania są szczególnie przydatne w przenośnikach, wentylatorach, pompach oraz wielu innych urządzeniach, których uruchamianie oraz zatrzymywanie odbywa się przy dużych prędkościach. W takich sytuacjach mamy do czynienia z występowaniem w mechanicznym urządzeniu naprężeń mogących spowodować uszkodzenie samego napędu, maszyny, a nawet przemieszczanego wyrobu. W przypadku innych zastosowań napędów, takich jak ruchome schody bądź chodniki, użycie mechanizmu miękkiego startu pozwala na oszczędność energii.  

Jak działa mechanizm miękkiego startu

Każdy zwykły mechanizm załączający w momencie rozpoczynania ruchu podaje do uzwojenia silnika pełne napięcie z sieci zasilającej. Dla silnika jest to, można powiedzieć, szok. Zastosowany zamiast wyłącznika mechanizm miękkiego startu wymusza na wstępie ograniczenie napięcia zasilania do znacznie niższej wartości. Następnie pozwala na jego wzrost stosownie do potrzeb napędzanego urządzenia**.

Douglas Yates, specjalista North America Motion Controls (należy do koncernu Danfoss) wyjaśnia, że specjalne napędy o zmiennej prędkości z natury rzeczy regulują prędkość pracy silnika. Nie potrafi tego dokonać mechanizm miękkiego startu i dlatego służy do tego inna metoda. Chodzi o wbudowany, sterowany prostownik krzemowy, czyli tyrystor. Kombinacja tyrystora z diodą lub dwóch tyrystorów to dla trójfazowych silników elektrycznych rozwiązanie typowe. Przy tym należy zwrócić uwagę na fakt, że układ tyrystor – dioda wymaga wyższych prądów startowych, generuje więcej energii cieplnej i wprowadza do sieci niepożądane zakłócenia harmoniczne. Pod tym względem układ dwóch tyrystorów jest zdecydowanie korzystniejszy.  

Rodzaje mechanizmów miękkiego startu

Konstrukcyjne rozwiązania zespołów realizujących funkcję miękkiego startu różnią się w zależności od ilości faz oraz otwartą lub zamkniętą pętlą sterowania.
D. Yates wyjaśnia:

  • Zespół jednofazowy steruje początkowym momentem obrotowym, lecz nie ogranicza prądu rozruchowego. Z tego powodu nie jest właściwym rozwiązaniem dla urządzeń o krótkich cyklach pracy lub o dużej bezwładności.
  • Zespół dwufazowy ma stałe połączenia z obwodami faz silnika (nie przerywa obwodów). Ten rodzaj budowy wymaga zastosowania wyłącznika termicznego lub automatycznego, aby ochronić silnik.
  • Zespół trójfazowy ma pełne sterowanie wszystkich faz. Zapewnia całkowite panowanie nad kształtowaniem wielkości prądu i momentu obrotowego.
  • Zespół z otwartą pętlą sterowania ze swej natury nie ma pętli sprzężenia zwrotnego. Pracuje więc według z góry określonej sekwencji zmiany napięcia i nie jest w stanie chronić silnika.
  • Zespół z zamkniętą pętlą sterowania zapewnia nie tylko ochronę silnika. Realizuje też inne funkcje, na przykład pozwala użytkownikowi na wybranie maksymalnej, lecz bezpiecznej wartości prądu rozruchowego.  

Kierunki rozwoju

Najnowsze rodzaje mechanizmu miękkiego startu oferują:

  • mniejsze rozmiary urządzenia (ze względu na powszechne stosowanie elektroniki półprzewodnikowej) ułatwiają montaż w maszynie lub szafce sterowniczej,
  • szeroki wachlarz wyboru wartości prądów i napięć, tak w jednym modelu, jak w palecie modeli,
  • lepsze czujniki dla celów ochrony i diagnostyki, które pomagają w eliminowaniu niesprawności wyłączników,
  • możliwość wcześniejszego przygotowania do rozmaitych zastosowań w razie wymogu szczególnych zmian prądu rozruchowego lub ograniczenia momentu obrotowego,
  • wykonania z zamkniętą pętlą obwodu sterującego, ze wskazówkami dla operatora lub sygnalizacją aktualnego stanu urządzenia,
  • łatwiejsze nastawianie przy użyciu pokrętła (nie wymagają uprzedniego zaprogramowania),
  • możliwość komunikowania się z urządzeniem,
  • rozszerzoną ofertę sposobu montażu, rodzajów obudowy, możliwość wyposażenia w bezpieczny wyłącznik wysokonapięciowy,
  • wielość certyfikatów i świadectw dopuszczenia do użytkowania.  

Mark T. Hoske  

Artykuł pod redakcją inż. Józefa Czarnula, specjalisty automatyka z wieloletnim doświadczeniem

  * Dla większości czytelników słowo rozrusznik skojarzy się przede wszystkim z rozrusznikiem samochodowym, który nie ma żadnej z cech mechanizmu miękkiego startu. Z tego powodu redaktor polskiego wydania unika w całym artykule określenia rozrusznik.

  ** Pierwszym etapem na drodze rozwojowej urządzeń rozruchowych były wyłączniki rozruchowe. Były to 2- lub 3-położeniowe łączniki stopniujące (poprzez dodatkowe oporności) napięcie zasilania lub też przełączniki gwiazda-trójkąt przy trójfazowym zasilaniu.