SEMISTART : модули для устройств плавного пуска

Keywords : устройство плавного пуска, силовой модуль, пусковой ток, термоциклирование, асинхронный двигатель, тиристорный модуль, SKKQ, SKKT

Annotation : Модули SEMISTART компании SEMIKRON являются первыми силовыми ключами, специально разработанными для применения в устройствах плавного пуска асинхронных двигателей. Общей тенденцией современного рынка силовой электроники является уменьшение габаритов преобразовательных устройств при одновременном повышении их мощности. Кардинально измененная архитектура силового модуля значительно повысила перегрузочную способность и обеспечила более эффективный отвод тепла. В устройствах плавного пуска (софт+стартерах) полупроводниковые кристаллы используются в условиях экстремальных токовых и тепловых нагрузок, поэтому  стойкость к термоциклированию является одним из основных параметров, определяющих длительность срока службы.

Андрей Колпаков, ООО Семикрон

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором – самый известный тип электромоторов, применяемых в промышленности. Широкое распространение они получили благодаря надежной конструкции, простоте технического обслуживания и дешевизне. На среднем промышленном предприятии парк приводов на основе асинхронных машин может достигать сотен, а то и тысяч единиц. И если у маломощных моторов  проблем с пуском обычно не бывает, то для асинхронных двигателей средней и большой мощности (от 75 кВт и выше) прямое включение приводит к возникновению значительныхпусковых токов, а момент двигателя при этом может превысить допустимое значение. Кроме того, резкое изменение момента при наличии люфтов и зазоров приводит к динамическим ударам в трансмиссии привода. Три года назад по заказу Siemens — одного из крупнейших европейских производителейустройств плавного пуска, компанией SEMIKRON была разработана серия специализированныхтиристорных модулей. Теперь силовые модули SEMISTART, прошедшие серьезную проверку временем, стали доступны на широком рынке. Основным отличием новых силовых ключей является сверхнизкое значение внутреннего теплового сопротивления, достигнутое благодаря разработке инновационного конструктива, обеспечивающего прямое двустороннее охлаждение кристаллов. При проектировании модулей использовалась технология прижимного контакта (pressure-contact technology), разработанная SEMIKRON в начале 90-х годов и предназначенная для повышения стойкости к термоциклированию.
Основной задачей, решаемой разработчиками SEMISTART, было обеспечение высокой долговременной надежности работы антипараллельного тиристорного каскада при высоких токах перегрузки. На практике для асинхронных моторов используется 3 способа запуска (соответствующие графики приведены на рис. 1б).

Прямой пуск от сети

 Периодические включения с большим моментом трогания неизбежно приводят к механическим повреждениям и постепенному разрушению мотора и элементов привода, типичным примером может служить обрыв ленты конвейера. Стартовые перегрузочные токи вызывают возникновение всплесков напряжения в питающей сети, и чем выше значение этих пусковых токов, тем более серьезные проблемы могут возникнуть при эксплуатации привода. Величина пускового тока для большинства асинхронных двигателей лежит в пределах 4…7•I_ном и зависит от множества параметров электродвигателя (активное сопротивление обмоток, количество полюсов двигателя, величина зазора между ротором и статором, количество и форма пазов для укладки обмоток, конструкция «беличьей клетки», обмотки ротора и т. д.).
Недостатки прямого пуска очевидны:
• снижение срока службы коммутационных элементов;
• снижение срока службы электродвигателя;
• перегрузка питающей сети (трансформатора подстанции), особенно если есть вероятность одновременного запуска нескольких двигателей;
• падение напряжения в сети негативно влияет на и процесс запуска двигателя и на остальных потребителей электрической энергии;
• резкое изменение момента двигателя приводит к дополнительному износу трансмиссии привода, динамическим ударам в технологическом оборудовании.
Для устранения описанных нежелательных эффектов необходимо ограничивать величину пускового токаи момента, то есть управлять напряжением, подаваемым на двигатель.

Пуск с переключением со звезды на треугольник

Простейшим способом снижения пусковых перегрузок является так называемый режим старта с переключением со звезды на треугольник (в англоязычной литературе он называется «wye-delta start»). В этом случае статорные
обмотки мотора перед пуском включаются звездой, а после того как скорость вращения достигнет номинального значения, соединение меняется на треугольник (синие графики на рис. 1б). В результате напряжение на каждой обмотке в пусковом режиме составляет 1/v3, то есть менее 60% от номинального значения, что и позволяет снизить величину пускового тока и момента. Переключение соединения, как правило, производится механичес-
ким коммутатором. Момент изменения схемы обмоток отмечен ступенькой на графиках —обратите внимание на то, что последующий всплеск тока и момента практически приближают описанную схему к варианту прямого
пуска. Еще одним существенным недостатком схемы старта «звезда – треугольник» является использование механических контакторов, склонных к быстрому износу из-за искрения контактов. Необходимость их периодической замены делает описанную схему достаточно тяжелой в обслуживании и малонадежной.