Zastosowanie układów łagodnego rozruchu SIRIUS 3RW30 i 3RW40 w podstawowych aplikacjach

Układy łagodnego rozruchu przeznaczone są do współpracy z silnikami asynchronicznymi klatkowymi. Ich głównym zadaniem jest ograniczanie udarów mechanicznych i elektrycznych powstających podczas rozruchu silnika. W artykule tym porównano rozruch realizowany z wykorzystaniem układów łagodnego rozruchu do innych typowych układów stosowanych w przemyśle. Omówiono funkcje oraz przeznaczenie układów łagodnego rozruchu Sirius serii 3RW30 i 3RW40 firmy Siemens.

Dobór układu rozruchowego do silnika asynchronicznego klatkowego związany jest z mocą i prędkością znamionową danego silnika, jego przeznaczeniem, z którego będzie wynikał charaktery rozruchu (czas rozruchu oraz przebieg momentu obciążenia), częstotliwością rozruchów oraz ewentualnymi wymaganiami co do regulacji prędkości rozruchowej (w tym przypadku zastosowanie mają przekształtniki częstotliwości, które nie będą omawiane w tym opracowaniu).

Do rozruchu silników, dla których nie wymaga się regulacji prędkości obrotowej (z pominięciem silników wielobiegowych), najczęściej wykorzystuje się układy rozruchu bezpośredniego, rozruchu gwiazda-trójkąt i układy łagodnego rozruchu. Softstarty, w przeciwieństwie do układów rozruchu bezpośredniego lub gwiazda-trójkąt, ograniczają udary mechaniczne i elektryczne, które mogą prowadzić do degradacji układu mechanicznego oraz generować niekorzystne zakłócenia po stronie instalacji zasilającej.

Układy łagodnego rozruchu są to urządzenia półprzewodnikowe, w których w czasie rozruchu (oraz w zależności od wersji urządzenia również w czasie zatrzymania), prąd przepływa przez odpowiednio sterowane elementy półprzewodnikowe – tyrystory.

W zależności od wersji urządzenia, możemy wyróżnić dwa typy konstrukcji softstartu:
- układy łagodnego rozruchu sterowane w dwóch fazach (środkowa faza zwarta),
- układy łagodnego rozruchu sterowane w trzech fazach

Na powyższych schematach ideowych przedstawiono budowę stopnia mocy urządzeń. Warto zwrócić uwagę na obecność styków obejściowych (tzw. bypassów). Styki te są zamykane po rozruchu, w wyniku czego przewodzą prąd elektryczny w czasie normalnej pracy napędu elektrycznego. Dzięki stykom obejściowym jesteśmy w stanie zminimalizować straty powstające w urządzeniu – styki mają znacznie niższą rezystancję niż przewodzący tyrystory.

Przykładowo, dla układu łagodnego rozruchu serii 3RW40 o mocy nominalnej 55 kW starty podczas pracy wynoszą około 21 W, natomiast w czasie rozruchu sięgają wartości 768, z czego większość musi zostać wytracona na radiatorze.

Z budową urządzenie nieodzownie związany jest sposób podłączenia. W przypadku urządzeń sterowanych w 2 fazach mamy możliwość podłączenia tylko w standardowej konfiguracji, natomiast urządzenia sterowane w 3 fazach pozwalają dodatkowo na podłączenie w wewnętrznym trójkącie. Ideowy schemat tych dwóch typów połączenia pokazano poniżej.

Podstawową zaletą podłączenia w wewnętrznym trójkącie jest mniejsza wartość prądu przepływająca przez tyrystory. Przekłada się to bezpośrednio na możliwość zastosowania urządzenia o mniejszej mocy znamionowej – urządzenie serii 3RW52 o mocy nominalnej 160 kW może pracować z silnikami 315 kW w przypadku podłączenia w wewnętrznym trójkącie. Układami łagodnego rozruchu sterowanymi w trzech fazach są urządzenia serii Sirius 3RW52 i 3RW55 (oraz 3RW55 w wersji przeznaczonej do bezpośredniego realizowania funkcji bezpieczeństwa).

Podstawowym sposobem sterowania rozruchem realizowanym przez układy łagodnego rozruchu serii 3RW30 jest rampa napięciowa. Softstart serii 3RW30 pozwala na parametryzację wartości początkowej (wyrażonej w procentach napięcia zasilania – od 40 do 100 %) oraz czasu trwania (do 20 sekund) rampy napięciowej. W czasie trwania rampy napięciowej (rozruchowej) w przypadku serii 3RW30 prąd nie jest ograniczany przez układ sterowania. Ograniczenie prądu związane jest bezpośrednio z niższą wartością napięcia zasilania. W przypadku serii 3RW30 bardzo ważna jest świadoma parametryzacja, urządzenie to nie mierzy prądu w obwodzie silnika, przez co niewłaściwy dobór nastaw może prowadzić do uszkodzenia styków obejściowych przez zbyt duży prąd, który przez nie przepłynie w momencie zamknięcia. Trzeba podkreślić, że w przypadku serii Sirius 3RW30 czas trwania rozruchu realizowany przez softstart jest tożsamy z nastawionym czasem dla rampy napięciowej. Z prostszą budową bezpośrednio związana jest też niższa cena. Urządzenia serii Sirius 3RW30 dedykowane są do podstawowych aplikacji, takich jak np. pompy (nie wymagające funkcji rampy wybiegowej), pompy ciepła, pompy hydrauliczne, prasy, przenośniki.

Zakres mocy dla serii Sirius 3RW30 to 1,1 do 55 kW (wartość podana dla napięcia międzyfazowego 400 V / 50 Hz, obsługiwany zakres napięcia międzyfazowego 200…480 V 50/60Hz). Urządzenia w zależności od wersji mogą być sterowane napięciem 24 V UC lub 110-230 V UC.

Zasadniczą różnicą w konstrukcji urządzeń serii Sirius 3RW40 są wbudowane przekładniki wykorzystywane do realizacji funkcji ograniczenia prądu oraz do zabezpieczenia przeciążeniowego. Seria 3RW40, podobnie jak i wszystkie wyższe serie, umożliwia realizację funkcji przekaźnika przeciążeniowego, dzięki czemu możemy zrezygnować z członu przeciążeniowego w wyłączniku silnikowym lub zabezpieczyć odpływ tylko zwarciowo za pomocą niepełnozakresowych wkładek bezpiecznikowych (tematyka zabezpieczeń układów łagodnego rozruchu zostanie poruszona w dalszej części artykułu).

Pomiar prądu zabezpiecza również styki obejściowe, które zamykane są dopiero po rzeczywistym zakończeniu rozruchu, a nie tak jak w przypadku 3RW30, po upływie czasu rampy napięciowej.

Softstart kontroluje również temperaturę radiatora, dzięki czemu zabezpiecza tyrystory przed uszkodzeniem termicznym spowodowanym zbyt dużą ilością cykli łączeniowych w jednostce czasu.

Seria 3RW40 na ściance czołowej oprócz pokręteł związanych z parametryzacją rampy napięciowej (wartość początkowa i czas) ma zabudowane pokrętła do:
- wybrania klasy dla wbudowanego zabezpieczenia przeciążeniowego (klasa 10, 15 i 20 oraz wyłączenie funkcji przekaźnika przeciążeniowego),
- ustawienia wartości nominalnej prądu silnika,
- ustawienia wartości maksymalnej dla funkcji ograniczenia prądu (w odniesieniu do prądu nominalnego układu łagodnego rozruchu),
- ustawienia czas trwania rampy wybiegowej (od 0 do 20 s).

Seria Sirius 3RW40 dostępna jest w zakresie mocy nominalnych od 5,5 do 250 kW (wartość podana dla napięcia międzyfazowego 400 V / 50 Hz, obsługiwany zakres napięcia międzyfazowego 200…480 V lub 400…600 V 50/60Hz) z tą uwagą, że aktualnie w zakresie mocy 75 – 315 kW proponowane są urządzenia serii Sirius 3RW50. Wielkości od 75 do 250 kW z serii 3RW40 zostaną wycofane z oferty z początkiem października 2022. Napięcie sterownicze w zależności od wersji to 24 lub 110…230 V UC.

Softstarty Sirius 3RW40 mają szerszy zakres zastosowania. Sprawdzą się w typowych aplikacjach charakterystycznych dla rozruchu lekkiego, takich jak: pompy, przenośniki, schody ruchome, kompresory, małe wentylatory i wentylatory promieniowe oraz w zależności od specyfiki danego odbioru, można rozważyć ich zastosowanie przy cięższych rozruchach odbiorników, takich jak: mieszadła, ekstrudery i obrabiarki.

Poniżej przedstawiono przykładowe przebiegi charakterystyki momentu obrotowego i prądu w funkcji prędkości obrotowej.

Na lewej części wykresu znajduje się przebieg charakterystyki momentu. Z punktu widzenia możliwości przeprowadzenia rozruchu, ważne jest, aby przebieg momentu na wale silnika przyjmował wartości większe od przebiegu zapotrzebowania na moment od strony obciążenia. Zbytnie ograniczenie momentu może powodować utknięcie silnika. Na wartość momentu generowanego podczas rozruchu przekładać się będzie wartość prądu, a dokładniej wartość, do jakiej ten prąd ograniczymy (lub jaka będzie wynikała z rampy napięciowej). Różnica pomiędzy momentem na wale a momentem obciążenia związana będzie z wartością przyśpieszenia. Czym różnica ta jest większa, tym rozruch jest krótszy.

Dobór odpowiedniego urządzenia zależeć będzie od charakterystyki obciążenia. Dla wszystkich urządzeń w danych katalogowych podano szczegółowe informacje o maksymalnym prądzie przy założonej klasie wyzwalania wraz z możliwą ilością cykli rozruchowych w jednostce czasu (na godzinę).

Poniżej fragment katalogu SIRIUS IC 10 z informacjami technicznymi o parametrach technicznych 3RW40:

Przykładowo dla układu łagodnego rozruchu Sirius 3RW4038 możliwy jest  rozruch silnika w klasie wyzwalania 10 o prądzie nominalnym 72 A przy założonej temperaturze otoczenia 40 °C. Natomiast dla klasy wyzwalania 20 wartość prądu spada do 50 A. Przez klasę wyzwalania rozumiemy odpowiedni przedział czasu w jakim wyzwoli zabezpieczenie przeciążeniowe dla dane krotności prądu.

W przypadku wątpliwości co do doboru odpowiedniego układu łagodnego rozruchu można skorzystać z programu Siemens STS – Simulation Tool for Soft Starter, który w łatwy sposób pozwoli na dobór urządzenia do konkretniej aplikacji. Zachęcamy również do kontaktu z naszym działem doradztwa technicznego.

Softstarty Sirius 3RW3 mają budowę podobną do typowego stycznika. Softstart zasilamy od strony zacisków 1L1, 3L2, 5L3. Silnik podłączamy do zacisków 2T1, 4T2, 6T3. Zaciski A1 i A2 służą do przyłączenia napięcia sterowniczego o odpowiednim dla danej wersji poziomie (24 V UC lub 110…230 V UC). Zacisk 1 służy do uruchomienia silnika – po podaniu napięcia na to wejście, rozpoczyna się rozruch silnika.

Wyjście przekaźnikowe 13-14 informuje o tym, że silnik pracuje – tj. rozpoczęto lub zrealizowano rozruch. Wyjście to jest załączane w momencie podania komendy start na wejscie 1. W związku, z czym może być wykorzystane np. do załączenia stycznika liniowego w torze zasilania lub do podtrzymania komendy start – realizacji funkcji prostego przerzutnika SR, jak na poniższym schemacie. W torze sterowniczym można zastosować również przełącznik bistabilny, który będzie podawał komendę start w sposób ciągły.

Diagnostyka w przypadku serii 3RW30 realizowana jest z poziomu dwóch diód (DEVICE i STATE/BYPASSED/FAILURE) umieszczonych na ściance czołowej. Można z nich odczytać informacje o rozruchu, pracy urządzenia, błędy związane z przekroczeniem wartości prądu dla softstartu czy zanikiem napięcia zasilania lub obciążenia.

 W przypadku softstartów serii 3RW40 mamy do dyspozycji większą ilość wyjść.

Wyjścia 13 – 14 oraz 23 – 24 informują o stanie pracy urządzena. Pierwsze z nich w zależności od potrzeb może być skonfigurowane na dwa sposoby.

Jako wyjście ON – informujące o tym, że silnik jest w fazie rozruchu i pracuje (konfiguracja domyślna) lub jako wyjście RUN które będzie załączone również podczas trwania rampy wybiegowej (może wtedy służyć np. do sterowania stycznikiem liniowym).

Wyjście 23-24 jest zamykane w momencie zamknięcia styków obejściowych – czyli jego stan sygnalizuje moment, w którym zakończył się rozruch.

Należy zwrócić uwagę, że zaciski 14 / 24 są wspólne dla obydwóch wyjść.

Kolejnym wyjściem jest wyjście przełączane CO 95-96/98 FAILURE / OVERLOAD informujące o ewentualnych błędach związanych z pracą urządzenia.

Seria 3RW40 może również realizować funkcję przekaźnika termistorowego. Odpowiednie wersje mają wejścia T11/T21, T12, T22, służące do podłączenia termistora lub termostatu wbudowanego w uzwojenia silnika. Funkcja przekaźnika termistorowego pozwala na jeszcze lepsze zabezpieczenie silnika przed uszkodzeniem termicznym uzwojeń w skutek przegrzania.

Układy łagodnego rozruchu mają też bardziej rozbudowane funkcje diagnostyczne. Z poziomu 4 diod LED zabudowanych na ściance czołowej możemy odczytać szczegółowe informacje o stanie napędu. Urządzenie oferuje trzy sposoby resetowania błędów - reset automatyczny, reset zdalny i reset manualny.

Reset automatyczny – urządzenie resetuje błędy po wstępnie ustalonym czasie – np. błąd związany z zadziałaniem funkcji przekaźnika przeciążeniowego resetowany jest po 5 minutach. UWAGA – reset automatyczny spowoduje powtórny rozruch silnika, jest dopuszczalny wszędzie tam, gdzie nie stwarza dodatkowego zagrożenia.

Reset zdalny – realizowany jest poprzez zdjęcie napięcia zasilania.

Reset manualny – wymaga fizycznego wciśnięcia przycisku reset na ściance czołowej urządzenia (konfiguracja fabryczna).

Sposób podłączenia softstartu serii 3RW40 nie różni się znacząco od pokazanego w przypadku serii 3RW30.

Na powyższym schemacie zamieszczono przykład ilustrujący sposób sterowania hamulcem – wyjście 13 – 14, pracujące w trybie ON aktywuje hamulec po zdjęciu sygnału start (wejście 1). Proszę zwrócić uwagę, że w takim przypadku nie ma możliwości zastosowania rampy wybiegowej.

W przypadku funkcji bezpieczeństwa nie rozpatrujemy układu łagodnego rozruchu jako elementu wchodzącego w skład SRP/CS (elementów systemu sterowania związanych z bezpieczeństwem). Najczęściej stosowany stop kategorii 0 (czyli zdjęcie momentu i zatrzymanie napędu wybiegiem) realizowane jest przez jeden lub dwa styczniki włączone w obwód prądowy. Ilość styczników związana jest z wymaganym poziomem PL / SIL dla danej funkcji bezpieczeństwa. Najczęściej do poziomu PL c / SIL 1 wystarczający okazuje się jeden stycznik, natomiast z wykorzystaniem dwóch styczników możemy osiągnąć PL e / SIL 2. W ofercie dostępne są również styczniki z dedykowanym wejściem FPLC-IN, które pozwalają na osiągnięcie poziomu SIL 2 (ale PL c – różnica jest związana z trochę innym podejściem dwóch norm tj. PN-EN 62061 i PN-EN ISO 13849-1).

Warto podkreślić, że firma Siemens jako pierwsza wprowadziła do sprzedaży układ łagodnego rozruchu umożliwiający realizację funkcji bezpieczeństwa – softstart serii 3RW55 w wersji fail-safe.

Z punktu widzenia bezpieczeństwa elektrycznego niezmiernie istotne jest odpowiednie zabezpieczenie odpływu silnikowego. W zależności od zastosowanego zabezpieczenia możliwa jest realizacja dwóch typów koordynacji.

Typ koordynacji 1 to taki, który w przypadku zwarcia po stronie silnika, dopuszcza trwałe uszkodzenie układu łagodnego rozruchu.

Typ koordynacji 2 nie dopuszcza trwałego uszkodzenia układu łagodnego rozruchu.

Różnica bierze się z konstrukcji poszczególnych typów zabezpieczeń. Na wykresie przedstawiono przebieg charakterystyki dla bezpiecznika szybkiego i wyłącznika silnikowego. W przypadku zwarcia szczególnie istotna staje się prawa część charakterystyki (linami czerwonymi zaznaczono te same poziomy wartości).

Bezpiecznik szybki (wykres po lewej stronie) znacznie lepiej ogranicza prąd zwarcia, przez co prąd przepływający przez tyrystory nie zdąży ich termicznie uszkodzić termicznie.

W danych katalogowych umieszczono szczegółowe informacje na temat odpowiednich typów zabezpieczeń. Wkładki szybkie, jak i dedykowane wyłączniki, zostały dobrane na podstawie badań laboratoryjnych.

Należy mieć na uwadzę, że zwarcia w obwodach silnikowych nie są częste. Od strony formalnej, wyłącznik silnikowy jest też dobrym rozwiązaniem. Trzeba jednak pamiętać, że w przypadku zwarcia możemy uszkodzić układ łagodnego rozruchu.

Zapraszamy do zapoznania się również z innymi oferowanymi przez nas produktami.

W przypadku dodatkowych pytań, zapraszamy do kontaktu.