1. Johdatus taajuusmuuttajiin (taajuusmuuttajat) Nykyaikaisen teollisen valvonnan alalla ...
LUE LISÄÄPienjännitepehmokäynnistin on elektroninen moottorin ohjauslaite, joka nostaa asteittain AC-oikosulkumoottoriin syötettyä jännitettä käynnistyksen aikana - sen sijaan, että se syöttäisi välittömästi täyttä verkkojännitettä, kuten perinteinen suorakäynnistin (DOL) tekee. Säätämällä nopeutta, jolla jännite nousee nollasta täyteen syöttöjännitteeseen, pehmokäynnistin rajoittaa käynnistysvirtaa ja mekaanista iskua, jotka tapahtuvat moottorin käynnistyksen aikana, ja suojaa sekä moottoria että siihen kytkettyä mekaanista kuormaa äkilliseen täyden jännitteen kytkeytymiseen liittyviltä rasituksilta.
Kun tavallinen oikosulkumoottori käynnistetään linjan poikki ilman virtaa rajoittavaa laitetta, se ottaa tyypillisesti 6-8 kertaa sen täyden kuorman nimellisvirran useiden sekuntien ajan, kunnes se saavuttaa toimintanopeuden. Suurissa moottoreissa tämä piikki voi olla 10 kertaa täyskuormitusvirta tai enemmän. Tämä ylijännite rasittaa moottorin käämityksiä resistiivisen kuumennuksen kautta, aiheuttaa voimakkaan vääntömomentin akselikytkimiin, vaihteistoihin, hihnoihin ja käyttölaitteisiin ja aiheuttaa syöttöverkkoon jännitepiikkejä, jotka voivat vaikuttaa muihin kytkettyihin kuormiin ja herkkiin laitteisiin, jotka jakavat saman sähköinfrastruktuurin.
A pienjännitepehmokäynnistin ratkaisee kaikki nämä ongelmat yhdessä kompaktissa laitteessa. Käyttämällä sarjaa peräkkäisiä tyristoreita (piiohjattuja tasasuuntaajia tai SCR:itä), jotka on kytketty kuhunkin vaiheeseen, se lisää asteittain tyristorien sytytyskulmaa käynnistysjakson aikana, mikä nostaa moottorille toimitettua RMS-jännitettä ohjatussa rampissa. Tuloksena on tasainen, säädettävä kiihtyvyys, joka rajoittaa käynnistysvirran valittavaan täyskuormitusvirran kerrannaiseen, vähentää mekaanisen iskun lähelle nollaa ja eliminoi jännitehäiriöt syöttöverkossa – pidentää moottorin käyttöikää, suojaa käyttäviä laitteita ja pienentää sähkönkulutusmaksuja samanaikaisesti.
Vaihtovirtapehmokäynnistimen toimintaperiaate perustuu tyristorien vaihekulman säätöön moottoriin toimitetun jännitteen aaltomuodon säätelemiseksi. Tavallisessa kolmivaiheisessa pehmokäynnistimessä kolme paria peräkkäisiä tyristoreita on kytketty sarjaan kunkin kolmen syöttövaiheen kanssa. Jokainen tyristoripari ohjaa yhtä puolijaksoa AC-aaltomuodosta vastaavassa vaiheessa - yksi tyristori johtaa positiivisen puolijakson ja toinen negatiivisen puolijakson.
Käynnistysrampin aikana pehmokäynnistimen ohjauselektroniikka laukaisee tyristorit asteittain aikaisemmin kussakin puolijaksossa – parametria kutsutaan laukaisukulmaksi tai johtumiskulmaksi. Rampin alussa laukaisukulma on suuri (tyristorit syttyvät syklin myöhään), mikä tarkoittaa, että jokaisesta puolijaksosta suoritetaan vain pieni osa ja moottoriin saapuva tehollinen RMS-jännite on alhainen. Rampin edetessä sytytyskulma pienenee (tyristorit syttyvät asteittain aikaisemmin), johtaen enemmän jokaisesta puolijaksosta ja lisäämällä moottoriin toimitettua tehollista jännitettä. Käynnistysrampin lopussa tyristorit laukeavat mahdollisimman aikaisessa vaiheessa jokaisen puolijakson aikana, jolloin moottorille saadaan lähes täysi syöttöjännite.
Kun moottori on saavuttanut täyden nopeuden, useimmat nykyaikaiset pienjännitepehmokäynnistimet sulkevat sisäisen tai ulkoisen ohituskontaktorin, joka yhdistää moottorin suoraan syöttöjohtoon ohittaen tyristorit kokonaan. Tämä on tärkeä ominaisuus, koska tyristorit tuottavat lämpöä johtumisen aikana – moottorin jatkuva pyörittäminen tyristoreiden läpi niiden ohittamisen sijaan vaatisi huomattavaa lämpöhäviötä ja lyhentäisi pehmokäynnistimen käyttöikää. Ohituskontaktori eliminoi tämän ongelman, jolloin pehmokäynnistin pystyy käsittelemään vain käynnistys- ja pysäytyssekvenssit moottorin käydessä täydellä teholla suorasyötöllä tasaisen toiminnan aikana.
Yksi moottorinohjaustekniikan useimmin kysytyistä kysymyksistä on, milloin käyttää pehmokäynnistintä suorakäynnistimeen verrattuna taajuusmuuttajaan. Jokaisella laitteella on omat ominaisuudet ja rajoitukset, ja väärän sovelluksen valitseminen johtaa joko ylisuunnitteluun ja tarpeettomiin kustannuksiin tai alimäärittelyyn ja toimintaongelmiin.
DOL-käynnistin kytkee moottorin suoraan syöttöjännitteeseen, kun se on kytkettynä ilman virtarajoitusta. Se on yksinkertaisin, halvin ja luotettavin moottorin käynnistystapa – mutta myös häiritsevin. DOL-käynnistys soveltuu pienille moottoreille (yleensä alle 5–7,5 kW riippuen syöttökapasiteetista), sovelluksille, joissa liitetty kuorma kestää täyden vääntömomentin iskuja käynnistyksen yhteydessä, ja järjestelmiin, joissa sähkönsyöttö on riittävän vahva absorboimaan käynnistysvirran ilman merkittävää jännitteen laskua. Suuremmissa moottoreissa tai herkissä sovelluksissa DOL-käynnistystä ei yleensä voida hyväksyä syöttöverkon tai mekaanisen kestävyyden kannalta.
Pienjännitepehmokäynnistin on oikea valinta, kun ensisijainen vaatimus on rajoittaa käynnistysvirtaa ja mekaanista iskua moottorin käynnistyksen ja pysäytyksen aikana, mutta säädettävää nopeudensäätöä normaalikäytön aikana ei tarvita. Se on huomattavasti halvempi kuin vastaavan arvoinen VFD, tuottaa vähemmän lämpöä, sillä on pienempi harmoninen särövaikutus syöttöverkkoon vakaan toiminnan aikana (koska ohituskontaktori on suljettu), ja se on yksinkertaisempi konfiguroida ja ottaa käyttöön. Pehmokäynnistimet ovat ihanteellisia pumppuihin, kompressoreihin, puhaltimiin, kuljettimiin ja kaikkiin sovelluksiin, joissa moottori käy kiinteällä nopeudella, mutta vaatii kontrolloituja käynnistyksiä ja pysäytyksiä.
Taajuusmuuttaja tarjoaa täyden nopeuden säädön moottorin koko toiminta-alueella – nollasta perusnopeuteen yli – muuntamalla tulevan vaihtovirtalähteen tasavirtaan ja sitten syntetisoimalla vaihtuvataajuisen, muuttuvan jännitteen vaihtovirtalähdön. VFD:t tarjoavat luonnostaan pehmeän käynnistyksen (usein paremmin kuin pehmokäynnistin) ja mahdollistavat myös jatkuvan nopeuden säädön ajon aikana, mikä mahdollistaa merkittäviä energiansäästöjä vaihtelevan vääntömomentin kuormissa, kuten pumpuissa ja puhaltimissa, affiniteettilakien kautta. VFD:t ovat kuitenkin kalliimpia, aiheuttavat merkittäviä harmonisia vääristymiä syöttöverkossa, tuottavat enemmän lämpöä ja ovat monimutkaisempia kooltaan, asentaa ja huoltaa. Valinta pehmokäynnistimen ja VFD:n välillä riippuu siitä, tarvitaanko nopeudensäätöä ajon aikana – jos on, VFD tarvitaan; Jos näin ei ole, pehmokäynnistin on kustannustehokkaampi ja yksinkertaisempi ratkaisu.
| Ominaisuus | DOL Starter | Pienjännitepehmokäynnistin | VFD |
| Syöttövirran rajoitus | Ei mitään | Kyllä (säädettävä) | Kyllä (erinomainen) |
| Muuttuva nopeus ajon aikana | Ei | Ei | Kyllä (koko valikoima) |
| Mekaaninen isku käynnistyksessä | Korkea | Matala | Erittäin alhainen |
| Harmoninen särö (juoksu) | Ei mitään | Ei mitään (bypass closed) | Merkittävä |
| Suhteellinen hinta | Matala | Keskikokoinen | Korkea |
| Energiansäästö ajon aikana | Ei mitään | Minimaalinen | Merkittävä (variable loads) |
| Asennuksen monimutkaisuus | Yksinkertainen | Kohtalainen | Monimutkainen |
Pienjännitepehmokäynnistimen oikea valinta edellyttää teknisten parametrien arvioimista moottorin ja sovelluksen vaatimuksiin nähden. Alimitoitus johtaa tyristorien termiseen ylikuormitukseen käynnistysjaksojen aikana; ylimitoitus tuhlaa pääomaa ja kaappitilaa. Seuraavien kriteerien järjestelmällinen noudattaminen varmistaa, että määrität laitteen, joka toimii luotettavasti koko käyttöikänsä.
Pehmokäynnistimen perusmitoitusparametri on sen ohjaaman moottorin täyskuormitusvirta (FLC), ilmaistuna ampeereina. Pehmokäynnistimet on mitoitettu niiden suurimman jatkuvan virransiirtokapasiteetin mukaan, ja valitun laitteen nimellisvirran on oltava yhtä suuri tai suurempi kuin moottorin FLC. Pehmokäynnistimen nimellisjännitteen on myös vastattava moottorin syöttöjännitettä – useimmat pienjännitepehmokäynnistimet on mitoitettu 200–690 V AC, 50/60 Hz syöttöjännitteille, mikä kattaa maailmanlaajuisesti käytetyt standardipienjännitteen jakelutasot.
Kaikki käynnistyssovellukset eivät kuormita samaa lämpökuormaa pehmokäynnistimen tyristoreille. Kerran tunnissa käynnistyvä pumppu asettaa hyvin erilaisen lämpötehtävän kuin kuljetin, joka käynnistyy ja pysähtyy muutaman minuutin välein tai saha, joka käynnistyy raskaalla kuormituksella useita kertoja tunnissa. Pehmeät käynnistimet luokitellaan niiden käynnistystehtävän mukaan – tyypillisesti ilmaistuna enimmäiskäynnistysten lukumääränä tunnissa, suurimmaksi käynnistysvirran kertoimeksi ja enimmäiskäynnistyskestoksi sekunneissa. Sovellukset, joissa on usein käynnistys, korkeat käynnistysvirran vaatimukset tai pitkät kiihdytysajat vaativat pehmeäkäynnistimen, jolla on korkeampi käyttöluokka. Pelkästään moottorin FLC:hen perustuvan laitteen valinta ottamatta huomioon käynnistystoimintaa on yleinen syy ennenaikaiseen tyristorin vikaantumiseen korkean syklin sovelluksissa.
Kytketyn kuorman vääntömomentti vaikuttaa merkittävästi siihen, miten pehmokäynnistin on konfiguroitava ja onko vakiopehmokäynnistin ollenkaan sopiva. Keskipakopumput ja puhaltimet ovat hitaita, alhaisen käynnistysmomentin kuormia, jotka ovat ihanteellisia pehmokäynnistimille – ne kiihtyvät helposti alennetulla jännitteellä ja kuormitusmomentti kasvaa vähitellen nopeuden noustessa. Suuret hitauskuormat, kuten suuret vauhtipyörät, kuulamyllyt tai raskaasti kuormitetut kuljettimet, vaativat korkean käynnistysmomentin, jota tavallinen pehmokäynnistin ei välttämättä tarjoa – koska jännitteen alentaminen vähentää vääntömomenttia neliöllisesti, pienemmällä jännitteellä käynnistyvä moottori voi pysähtyä, jos kuormitusmomentti on riittävän korkea. Korkean käynnistysmomentin sovelluksissa tarvitaan pehmokäynnistin, jossa on virran tehostus- tai vääntömomentin ohjaustoiminto, tai vaihtoehtoisesti VFD.
Nykyaikaiset pienjännitepehmokäynnistimet sisältävät joukon sisäänrakennettuja suojatoimintoja, jotka ylittävät yksinkertaisen moottorin käynnistyksen. Näiden toimintojen saatavuus ja kehittyneisyys vaihtelevat merkittävästi taloudellisten perusmallien ja monikäyttöisten laitteiden välillä. Kun valitset pehmokäynnistimen kriittiseen sovellukseen, arvioi sisäänrakennetut suojaustoiminnot huolellisesti moottorin ja sovelluksen suojausvaatimuksia vastaan.
Oikea asennus on yhtä tärkeää kuin oikea valinta pehmokäynnistimen luotettavan toiminnan kannalta. Suurin osa pehmokäynnistimen virheistä ensimmäisen käyttövuoden aikana johtuu asennusvirheistä pikemminkin kuin laitevioista – väärä johdotus, riittämätön ilmanvaihto, väärät parametriasetukset ja puuttuvat suojalaitteet aiheuttavat suurimman osan alkuvaiheen ongelmista.
Yleisin pehmokäynnistimen johdotuskokoonpano kytkee laitteen linjaan syöttökontaktorin ja moottorin liittimien väliin – kolme syöttövaihetta kulkevat pehmokäynnistimen teholiittimien kautta (tyypillisesti merkitty 1/L1, 3/L2, 5/L3 tulopuolella ja 2/T1, 4/T2, 6/T3 lähtöpuolella) ja sitten suoraan moottoriin. Pehmokäynnistimen ylävirran puolella oleva eristyskontaktori katkaisee laitteen sähkövirrasta huollon ajaksi ja koordinoi oikosulkusuojausta. Ohituskontaktori on joko sisäänrakennettu pehmokäynnistimeen tai asennettu ulkoisesti rinnakkain teholiittimien kanssa – kun moottori saavuttaa täyden nopeuden, ohitus sulkeutuu ja moottori käy suoraan verkkoon samalla kun pehmokäynnistimen tyristorit poistetaan piiristä.
Suurissa moottoreissa, jotka on jo kytketty kolmiokokoonpanoon, sisä-kolmio- (tai kolmio-sisäinen) johdotusjärjestely yhdistää pehmokäynnistimen kolmiosilmukan sisään pääsyöttölinjojen sijaan. Tämä konfiguraatio vähentää virtaa, jota pehmokäynnistimen on käsiteltävä, kertoimella 1/√3 (noin 58 %) verrattuna in-line johdotukseen – jolloin pienempi, halvempi pehmokäynnistin voi ohjata tiettyä moottoria. Sisäinen kolmiojohdotus vaatii kuitenkin huolellista huomiota vaiheittamiseen, ja se on monimutkaisempaa kytkeä ja ottaa käyttöön oikein. Sitä käytetään yleisesti suurissa, yli 200 kW:n moottoreissa, joissa pienemmän pehmokäynnistimen käytön aiheuttamat kustannussäästöt oikeuttavat johdotuksen monimutkaisuuden.
Pienjännitepehmokäynnistimet tuottavat lämpöä tyristoreissaan jokaisen käynnistysjakson aikana, ja tämä lämpö on haihdutettava, jotta laite pysyy käyttölämpötila-alueellaan. Noudata aina valmistajan vähimmäisvälysvaatimuksia pehmokäynnistimen ylä-, ala- ja sivuilla riittävän luonnollisen konvektion tai pakotetun ilmajäähdytyksen varmistamiseksi. Laske suljetuissa ohjauspaneeleissa kaikkien asennettujen laitteiden kokonaislämmönhäviö ja varmista, että paneelin ilmanvaihto- tai ilmastointikapasiteetti on riittävä pitämään sisäisen lämpötilan pehmokäynnistimen ympäristön lämpötilan rajoissa – tyypillisesti 40–50 °C. Lämpöarvon ylittäminen käynnistysjaksojen aikana on ensisijainen syy tyristorin heikkenemiseen ja ennenaikaiseen vikaan.
Tyristorit ovat erittäin nopeita laitteita, jotka oikosulkuvirrat voivat tuhota millisekunneissa – paljon nopeammin kuin tavallinen katkaisija voi keskeyttää. Pehmokäynnistimet on suojattava oikein koordinoiduilla oikosulkusuojalaitteilla – joko moottorinsuojakytkimillä (MPCB) tai sulakkeilla – mitoitettu ja valittu pehmokäynnistimen valmistajan koordinointitaulukon mukaan. Väärin valitun suojalaitteen käyttö on yksi yleisimmistä asennusvirheistä ja voi johtaa pehmokäynnistimen tuhoutumiseen loppupään vikatilanteessa, jolta oikein määritetty laite olisi suojannut sitä. Ota aina huomioon valmistajan koordinointitiedot, ei yleiset katkaisijan mitoitussäännöt, kun valitset ylävirran suojausta.
Fyysisen asennuksen jälkeen pehmokäynnistimeen on määritettävä oikeat parametriasetukset tietylle moottorille ja kuormitukselle ennen ensimmäistä jännitystä. Useimmat pienjännitepehmokäynnistimet tarjoavat joukon säädettäviä parametreja etupaneelin näppäimistön ja näytön tai tietoliikenneliitäntäohjelmiston kautta. Kriittisimmät parametrit, jotka on määritettävä oikein käyttöönoton yhteydessä, ovat käynnistysrampin asetukset ja moottorin ylikuormitussuojan kynnys.
Alkujännite (kutsutaan myös käynnistysjännitteeksi tai jalustajännitteeksi) asettaa jännitetason, jolla käynnistysramppi alkaa. Tämän liian alhaiseksi asettaminen tarkoittaa, että moottori ei aluksi tuota tarpeeksi vääntömomenttia kuorman kiihdyttämiseen, mikä aiheuttaa moottorin pysähtymisen rampin alussa. Liian korkeaksi asettaminen vähentää pehmeän käynnistyksen etua aloittamalla rampin lähellä täyttä jännitettä. Useimmissa keskipakopumppusovelluksissa 30–40 %:n alkujännite syöttöjännitteestä on käytännöllinen lähtökohta, joka säädetään käyttöönoton aikana havaitun todellisen kiihtyvyyskäyttäytymisen perusteella.
Ramppiaika (kutsutaan myös kiihdytysajaksi) määrittää, kuinka kauan jännitteen ramppi alkujännitteestä täyteen jännitteeseen kestää. Pidemmät ramppiajat tuottavat lempeämmän kiihtyvyyden ja pienemmän huippusyöttövirran, mutta myös sitä, että moottori viettää enemmän aikaa pienemmällä jännitteellä, mikä lisää moottorin käämien lämpenemistä. Tyypilliset ramppiajat vaihtelevat välillä 3 - 30 sekuntia kuormitushitaudesta ja hyväksyttävästä käynnistysvirran tasosta riippuen. Ylikuormitusvirta-asetuksena tulee olla 100–105 % moottorin tyyppikilven täyskuormitusvirrasta, jotta varmistetaan tarkka ylikuormitussuoja ilman häiritsevää laukaisua normaaleissa käyttövaihteluissa.
Suurin huomio pehmokäynnistimen valinnassa ja käyttöönotossa keskittyy käynnistysjaksoon, mutta pehmeä pysäytystoiminto – ohjattu hidastus sammutuksen yhteydessä – on yhtä arvokas monissa sovelluksissa, ja se jätetään usein huomiotta tai jätetään pois käytöstä. Kun pumppu tai puhallinmoottori sammutetaan äkillisesti, äkillinen virtauksen menetys voi aiheuttaa vesivasaran pumppausjärjestelmissä (hydraulisen iskuaallon, joka syntyy, kun nesteen vauhti pysähtyy äkillisesti), painepiikkejä putkistojärjestelmissä ja mekaanista rasitusta kytkimiin ja käytettyihin laitteisiin, koska inertia häviää nopeasti.
Pehmeän käynnistimen pehmeä pysäytystoiminto vähentää asteittain moottorin jännitettä säädettävän hidastusramppiajan aikana – tyypillisesti 1–20 sekuntia – jolloin moottori ja kuorma voivat hidastua asteittain sen sijaan, että se pysähtyisi vapaasti. Pumppusovelluksissa, joissa on pitkät poistolinjat, pehmeä pysäytys 5–10 sekunnin hidastusajalla eliminoi käytännössä vesivasaran ja suojaa putkistoa, venttiilejä ja liittimiä hydraulisilta iskuilta. Kuljetinsovelluksissa pehmeä pysäytin estää tuotteen roiskumisen äkillisen pysähdyksen aiheuttamasta äkillisestä nykimisestä. Pehmeän pysäytyksen ottaminen käyttöön ja oikea konfigurointi on yksi helpoimmista tavoista saada lisäarvoa jo asennetusta pehmokäynnistimestä, ja sitä suositellaan kaikissa sovelluksissa, joissa äkillinen pysähtyminen aiheuttaa mekaanisia tai hydraulisia ongelmia.
Pehmokäynnistimet ovat kestäviä elektronisia laitteita, jotka harvoin epäonnistuvat, kun ne on määritetty, asennettu ja huollettu oikein – mutta kun ongelmia ilmenee, niillä on taipumus pudota tunnistettavissa oleviin malleihin, joilla on selvät syyt. Strukturoitu vianmääritystapa, jossa käytetään pehmokäynnistimen paneelissa näkyviä vikakoodeja yhdistettynä yleisimpiin vikatiloihin, ratkaisee suurimman osan kenttäongelmista ilman komponenttien vaihtoa.
Pienjännitepehmokäynnistimet vaativat suhteellisen vähän huoltoa verrattuna mekaanisiin moottorinkäynnistyslaitteisiin – niissä ei ole vaihdettavia koskettimia, virtapiirissä ei ole liikkuvia osia eikä voiteluvaatimuksia. Vaatimaton määräaikaishuoltorutiini pidentää kuitenkin merkittävästi käyttöikää ja estää suurimman osan vältettävissä olevista vioista.
Tärkein rutiinihuoltotehtävä on siivous. Ohjauspaneeliympäristöihin kerääntyy pölyä ja johtavaa kontaminaatiota ajan myötä, ja pehmokäynnistimen jäähdytyselementin rivoissa oleva pölykerros vähentää dramaattisesti konvektiivista lämmönpoistoa – sama lämpösuojaongelma, joka aiheuttaa tyristorin huonontumista raskaan käynnistyksen aikana. Sammuta pehmokäynnistin 6–12 kuukauden välein (tai useammin pölyisissä teollisuusympäristöissä) ja käytä paineistettua kuivaa ilmaa pölyn puhaltamiseen jäähdytyslevystä, tuuletusaukoista ja piirilevyistä. Tarkista kaikki teholiitännät ja kiristä uudelleen määritettyihin arvoihin, koska lämpöjaksot toistuvista käynnistyksistä aiheuttavat liitäntöjen löystymistä ajan myötä.
Tarkista pehmokäynnistimen tapahtumaloki tai vikahistoria jokaisella huoltokäynnillä, jos laitteessa on lokiominaisuus. Loki, joka näyttää kasvavan määrän lämpövaroituksia, vaiheepätasapainotapahtumia tai ylikuormituslähestymisiä ennen täyttä laukaisua, antaa ennakkovaroituksen kehittyvistä ongelmista – moottorissa, syöttöverkossa tai mekaanisessa järjestelmässä – ennen kuin ne aiheuttavat suunnittelemattoman tuotannon pysäytyksen. Nykyaikaisten pehmokäynnistimien saatavilla olevien diagnostisten tietojen ennakoiva käyttö on yksi tehokkaimmista huoltostrategioista, joita moottorikäyttöisten laitteiden kanssa työskentelevät operaattorit ja huoltoryhmät voivat käyttää.