Прямой и косвенный пуск электродвигателей: плюсы, минусы, расчет переходных процессов
Введение
Запуск асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором является одной из наиболее важных задач в области электропривода промышленных установок. Современные требования к энергоэффективности, надежности и долговечности оборудования обуславливают необходимость тщательного выбора метода пуска в зависимости от конкретных условий применения.
Неправильно выбранный метод пуска может привести к ряду негативных последствий:
- Повышенному износу изоляции обмоток двигателя
- Перегреву двигателя
- Снижению срока службы подшипников и механических узлов
- Негативному влиянию на электрическую сеть
- Повышенным механическим нагрузкам на приводимый механизм
- Экономическим потерям из-за неэффективного использования электроэнергии
В данной статье мы рассмотрим основные методы пуска электродвигателей, проанализируем их преимущества и недостатки, а также представим расчеты переходных процессов для каждого метода. Особое внимание будет уделено сравнению устройств плавного пуска (УПП), преобразователей частоты (ПЧ) и схемы звезда-треугольник как наиболее распространенных способов оптимизации пусковых режимов.
Прямой пуск (DOL)
Прямой пуск (Direct-On-Line, DOL) — простейший способ запуска асинхронного двигателя, при котором статорные обмотки напрямую подключаются к питающей сети при полном напряжении. Этот метод является базовым и широко применяется для двигателей малой и средней мощности.
Принцип работы
При прямом пуске статорные обмотки двигателя сразу подключаются к полному напряжению сети с помощью контактора или автоматического выключателя. Это приводит к быстрому разгону двигателя до номинальной скорости.
Преимущества прямого пуска
- Простота реализации — минимум оборудования и низкая стоимость
- Высокий пусковой момент — обычно 150-200% от номинального
- Быстрый разгон — минимальное время выхода на рабочий режим
- Высокая надежность — минимум компонентов, которые могут выйти из строя
- Отсутствие дополнительных потерь мощности в пускорегулирующей аппаратуре
Недостатки прямого пуска
- Высокий пусковой ток — 5-7 раз выше номинального (до 8-10 для больших двигателей)
- Значительные электродинамические нагрузки на обмотки двигателя
- Просадка напряжения в сети при запуске мощных двигателей
- Значительные механические ударные нагрузки на привод и механизм
- Ограничения со стороны электроснабжающих организаций для мощных двигателей
Важно: Согласно последним обновлениям норм ПУЭ и стандартам IEC, прямой пуск может быть ограничен для двигателей мощностью свыше 5-7.5 кВт в зависимости от мощности питающей сети и характеристик электроснабжения.
Косвенный пуск
Косвенные методы пуска предназначены для снижения пусковых токов и механических нагрузок при запуске асинхронных двигателей. Они позволяют обеспечить более плавный разгон и снизить негативное влияние пускового режима как на сам двигатель, так и на питающую сеть и приводимый механизм.
Пуск звезда-треугольник
Пуск по схеме звезда-треугольник (Y/Δ) является одним из наиболее распространенных методов снижения пускового тока для двигателей, обмотки которых в нормальном режиме работают по схеме треугольник.
Принцип работы
При пуске обмотки двигателя соединяются по схеме "звезда", что снижает напряжение на каждой обмотке в √3 раз (примерно 1,73). После разгона двигателя до определенной скорости (обычно 75-85% от номинальной) происходит переключение обмоток со "звезды" на "треугольник".
При соединении в звезду фазное напряжение на обмотке:
Uф = Uл / √3
где Uл - линейное напряжение сети
Пусковой ток снижается примерно в 3 раза по сравнению с прямым пуском.
Преимущества пуска звезда-треугольник
- Снижение пускового тока до 33% от тока при прямом пуске
- Относительная простота реализации и невысокая стоимость
- Отсутствие дополнительных потерь в рабочем режиме
- Надежность из-за отсутствия сложной электроники
Недостатки пуска звезда-треугольник
- Снижение пускового момента до 33% от момента при прямом пуске
- Скачок тока и момента при переключении со звезды на треугольник
- Применим только для двигателей с выведенными концами обмоток и с возможностью работы при соединении обмоток треугольником
- Отсутствие регулирования в процессе пуска
- Неэффективен при большой нагрузке на валу двигателя
Внимание: В современных системах более 75% случаев использования метода звезда-треугольник можно заменить на более эффективные УПП или ПЧ, обеспечивающие лучшие пусковые характеристики и защиту оборудования.
Устройства плавного пуска (УПП)
Устройства плавного пуска (УПП) или софтстартеры представляют собой полупроводниковые устройства, которые обеспечивают плавное нарастание напряжения на обмотках двигателя путем фазового управления тиристорами или иными силовыми ключами.
Принцип работы
УПП управляет напряжением на обмотках двигателя, изменяя угол открытия тиристоров в каждой фазе. При запуске тиристоры открываются на короткое время в каждом полупериоде, постепенно увеличивая это время до полного открытия. Таким образом обеспечивается плавное нарастание напряжения и, соответственно, тока и момента двигателя.
Основные функции современных УПП
- Регулирование напряжения при пуске по заданной характеристике
- Ограничение пускового тока до заданного значения
- Контроль и ограничение момента при пуске
- Плавная остановка двигателя
- Защита двигателя от перегрузок, перегрева, асимметрии фаз
- Защита от заклинивания и работы на холостом ходу
- Встроенный байпас для исключения потерь в рабочем режиме
Преимущества УПП
- Плавное нарастание тока и момента при пуске
- Снижение пускового тока до 2-4 раз по сравнению с прямым пуском
- Уменьшение механических ударных нагрузок на двигатель и привод
- Снижение просадок напряжения в питающей сети
- Возможность настройки параметров пуска под конкретный механизм
- Наличие режима плавной остановки для насосов и других инерционных механизмов
- Комплексная защита двигателя без необходимости дополнительных устройств
- Отсутствие дополнительных потерь в рабочем режиме (при наличии байпаса)
Недостатки УПП
- Более высокая стоимость по сравнению со схемой звезда-треугольник
- Генерация высших гармоник в питающую сеть при пуске
- Отсутствие возможности регулирования скорости в рабочем режиме
- Необходимость в принудительном охлаждении при частых пусках
- Чувствительность к качеству питающей сети (перенапряжения, помехи)
Преобразователи частоты (ПЧ)
Преобразователи частоты (частотные преобразователи, инверторы) являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронными двигателями, обеспечивающими не только оптимальный пуск, но и регулирование скорости в процессе работы.
Принцип работы
Преобразователь частоты преобразует переменное напряжение питающей сети фиксированной частоты в переменное напряжение с регулируемой частотой и амплитудой. Современные ПЧ имеют звено постоянного тока и выходной инвертор с ШИМ-модуляцией для формирования трехфазного напряжения требуемой частоты.
Скорость вращения асинхронного двигателя определяется формулой:
n = 60 × f × (1 - s) / p
где f - частота питающего напряжения, Гц
s - скольжение
p - число пар полюсов
Изменяя частоту f, ПЧ управляет скоростью двигателя.
Преимущества ПЧ
- Оптимальный пуск с ограничением тока и момента
- Возможность плавного регулирования скорости в широком диапазоне
- Высокая точность поддержания заданной скорости
- Энергосбережение при работе на пониженных скоростях
- Возможность реализации сложных алгоритмов управления (векторное управление, прямое управление моментом)
- Рекуперация энергии в питающую сеть при торможении (для ПЧ с активным выпрямителем)
- Комплексная защита двигателя и привода
- Возможность интеграции в АСУ ТП и системы диспетчеризации
Недостатки ПЧ
- Высокая стоимость оборудования
- Сложность настройки и обслуживания
- Генерация высших гармоник в питающую сеть
- Необходимость в дополнительных фильтрах и экранированных кабелях
- Возможность образования подшипниковых токов в двигателе
- Ограничения по длине кабеля между ПЧ и двигателем
- Чувствительность к условиям окружающей среды (температура, влажность, пыль)
Расчет переходных процессов
Переходные процессы при пуске электродвигателей имеют решающее значение для определения оптимального метода запуска и оценки его влияния на электропривод и механизм. Рассмотрим математические модели и основные формулы для расчета переходных процессов при различных способах пуска.
Переходные процессы при прямом пуске
При прямом пуске асинхронного двигателя переходный процесс характеризуется значительными бросками тока и момента. Из-за низкого сопротивления обмоток двигателя в момент подключения к сети ток может превышать номинальное значение в 5-7 раз.
Пусковой ток при прямом пуске:
Iпуск = Uном / (√3 × Zк)
где Uном - номинальное напряжение питающей сети
Zк - полное сопротивление короткого замыкания двигателя
Пусковой момент при прямом пуске:
Mпуск = k × Mном
где Mном - номинальный момент двигателя
k - кратность пускового момента (обычно 1.5-2.0)
Время разгона двигателя при прямом пуске:
tразг = J × ωном / Mср
где J - момент инерции системы "двигатель + нагрузка"
ωном - номинальная угловая скорость
Mср - средний динамический момент при пуске
По данным исследований 2024 года, длительное воздействие пусковых токов на изоляцию двигателя может сократить срок ее службы на 15-20% при частых прямых пусках.
Переходные процессы при пуске звезда-треугольник
При пуске по схеме звезда-треугольник переходный процесс разделяется на два этапа: начальный разгон при соединении обмоток звездой и дальнейший разгон после переключения на треугольник. При переключении происходит скачок тока и момента.
Пусковой ток в соединении звездой:
Iпуск Y = Iпуск Δ / 3
где Iпуск Δ - пусковой ток при прямом пуске (соединение треугольником)
Пусковой момент в соединении звездой:
Mпуск Y = Mпуск Δ / 3
где Mпуск Δ - пусковой момент при прямом пуске
Скачок тока при переключении со звезды на треугольник:
Iскачок = IY × (3 - sперекл)
где IY - ток перед переключением
sперекл - скольжение в момент переключения
Типичные значения скольжения в момент переключения составляют 0.15-0.25, что соответствует 75-85% от номинальной скорости двигателя.
Переходные процессы при использовании УПП
Устройства плавного пуска обеспечивают постепенное нарастание напряжения на обмотках двигателя, что приводит к более плавному изменению тока и момента. Современные УПП позволяют реализовать различные законы управления пуском.
Ток при пуске с УПП:
I(t) = Iпуск × α(t)
где α(t) - функция изменения напряжения во времени (0≤α≤1)
Момент при пуске с УПП:
M(t) = Mпуск × α(t)2
Типичные законы изменения α(t):
1. Линейный: α(t) = t / tпуск
2. Квадратичный: α(t) = (t / tпуск)2
3. S-образный: α(t) = sin2(π × t / (2 × tпуск))
где tпуск - заданное время пуска
По результатам исследований 2024-2025 годов, оптимальным законом изменения напряжения для большинства механизмов является S-образная характеристика, обеспечивающая минимальные динамические нагрузки при достаточно быстром разгоне.
Переходные процессы при использовании ПЧ
Преобразователи частоты обеспечивают наиболее гибкое управление переходными процессами за счет одновременного регулирования частоты и амплитуды напряжения. Современные алгоритмы векторного управления позволяют независимо контролировать момент и поток двигателя.
Регулирование по закону U/f=const:
U(t) = k × f(t)
где k = Uном / fном
Момент при скалярном управлении:
M = 3 × p × Ψr × Is × sin(θ) / Lr
где Ψr - потокосцепление ротора
Is - ток статора
θ - угол между векторами потокосцепления и тока
Lr - индуктивность ротора
Ограничение тока при векторном управлении:
Iq2 + Id2 ≤ Imax2
где Iq - моментообразующая составляющая тока
Id - потокообразующая составляющая тока
Imax - максимально допустимый ток
Современные алгоритмы управления ПЧ (FOC, DTC, MPC) позволяют обеспечить время переходного процесса в пределах 100-200 мс при ограничении пускового тока на уровне 100-150% от номинального.
Сравнительный анализ методов пуска
Для выбора оптимального метода пуска необходимо провести комплексный анализ технических и экономических показателей различных вариантов. Ниже представлена сравнительная таблица основных характеристик рассмотренных методов пуска.
| Параметр | Прямой пуск (DOL) | Звезда-треугольник | УПП | ПЧ |
|---|---|---|---|---|
| Кратность пускового тока | 5-7 | 1.7-2.3 | 2-4 | 1-1.5 |
| Кратность пускового момента | 1.5-2.0 | 0.5-0.7 | 0.4-1.5 (регулируемый) | 0.1-2.0 (регулируемый) |
| Возможность регулирования скорости | Нет | Нет | Нет | Да |
| Плавность пуска | Очень низкая | Низкая | Высокая | Очень высокая |
| Механические нагрузки при пуске | Очень высокие | Высокие + скачок при переключении | Низкие | Минимальные |
| Влияние на питающую сеть | Сильное | Среднее | Слабое + гармоники | Минимальное + гармоники |
| Защитные функции | Минимальные | Минимальные | Расширенные | Комплексные |
| Потери энергии в рабочем режиме | Минимальные | Минимальные | Минимальные (с байпасом) | 2-3% от мощности |
| Эффективность при частых пусках | Низкая | Низкая | Средняя | Высокая |
| Возможность рекуперации | Нет | Нет | Нет | Да (с активным выпрямителем) |
| Относительная стоимость | 1.0 | 1.2-1.5 | 2.0-3.0 | 3.5-5.0 |
| Срок окупаемости | - | 1-2 года | 2-3 года | 3-5 лет |
По данным аналитического отчета Frost & Sullivan за 2025 год, наблюдается устойчивая тенденция к замене схем пуска звезда-треугольник на устройства плавного пуска, а УПП на преобразователи частоты в связи с ужесточением требований к энергоэффективности промышленных установок.
Практические примеры и расчеты
Рассмотрим практические примеры расчета параметров пуска для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором мощностью 75 кВт, 380 В, 50 Гц.
Исходные данные двигателя
- Номинальная мощность Pном = 75 кВт
- Номинальное напряжение Uном = 380 В
- Номинальный ток Iном = 142 А
- Номинальная частота вращения nном = 1475 об/мин
- КПД η = 0.93
- cos φ = 0.86
- Кратность пускового тока kI = 7.0
- Кратность пускового момента kM = 1.8
- Кратность максимального момента kMmax = 2.5
- Момент инерции ротора Jдв = 1.8 кг·м²
- Момент инерции нагрузки (насос) Jнагр = 2.5 кг·м²
Расчет параметров прямого пуска
Пусковой ток:
Iпуск = Iном × kI = 142 А × 7.0 = 994 А
Пусковой момент:
Mном = Pном × 9550 / nном = 75 кВт × 9550 / 1475 = 486 Н·м
Mпуск = Mном × kM = 486 Н·м × 1.8 = 875 Н·м
Время разгона (с постоянным моментом нагрузки 0.8 × Mном):
JΣ = Jдв + Jнагр = 1.8 + 2.5 = 4.3 кг·м²
Mдин = Mпуск - Mсопр = 875 - 0.8 × 486 = 486 Н·м
ωном = 2π × nном / 60 = 2 × 3.14 × 1475 / 60 = 154.5 рад/с
tразг = JΣ × ωном / Mдин = 4.3 × 154.5 / 486 = 1.37 с
Расчет параметров пуска по схеме звезда-треугольник
Пусковой ток в соединении звездой:
Iпуск Y = Iпуск / 3 = 994 А / 3 = 331 А
Пусковой момент в соединении звездой:
Mпуск Y = Mпуск / 3 = 875 Н·м / 3 = 292 Н·м
Время разгона в соединении звездой до 80% номинальной скорости:
Mдин Y = Mпуск Y - Mсопр = 292 - 0.8 × 486 = 292 - 389 = -97 Н·м
Отрицательное значение динамического момента означает, что двигатель не сможет разогнать нагрузку при соединении обмоток звездой, так как момент сопротивления превышает пусковой момент. В данном случае схема пуска звезда-треугольник не подходит для данного привода.
Расчет параметров пуска с УПП
Ограничение пускового тока на уровне 3×Iном:
Iпуск УПП = 3 × Iном = 3 × 142 А = 426 А
Начальное напряжение при пуске:
Uнач = Uном × Iпуск УПП / Iпуск = 380 В × 426 А / 994 А = 163 В
Начальный момент при пуске:
Mнач = Mпуск × (Uнач / Uном)2 = 875 Н·м × (163 В / 380 В)2 = 875 × 0.184 = 161 Н·м
Необходимость в функции "буст момента":
Mсопр = 0.8 × Mном = 0.8 × 486 = 389 Н·м
Mнач < Mсопр, следовательно, необходим буст момента на начальном этапе.
В данном случае для обеспечения успешного пуска с УПП необходимо применить функцию "буст момента", при которой в начальный момент подается повышенное напряжение на обмотки двигателя для создания достаточного начального момента. После трогания привода напряжение снижается до расчетного уровня и далее плавно нарастает по заданной S-образной характеристике.
Расчет параметров пуска с ПЧ
Пусковые параметры при векторном управлении с ограничением тока на уровне 1.5×Iном:
Iпуск ПЧ = 1.5 × Iном = 1.5 × 142 А = 213 А
Начальная частота при пуске:
fнач = 5 Гц (стандартное значение)
Начальное напряжение при пуске (при U/f=const):
Uнач = Uном × fнач / fном = 380 В × 5 Гц / 50 Гц = 38 В
Время разгона при линейном изменении частоты от 5 до 50 Гц за 10 с:
tразг ПЧ = 10 с (задается в параметрах ПЧ)
При использовании преобразователя частоты время разгона может быть задано исходя из требований технологического процесса. При этом ПЧ автоматически поддерживает ток на заданном уровне и обеспечивает плавное нарастание момента без ударных нагрузок.
Заключение
Выбор оптимального метода пуска электродвигателей является важной инженерной задачей, требующей учета множества факторов, включая характеристики двигателя, нагрузки, питающей сети и требования технологического процесса.
Основные рекомендации по выбору метода пуска на основе проведенного анализа:
- Прямой пуск рекомендуется использовать для двигателей малой мощности (до 5-7.5 кВт) при наличии запаса по мощности в питающей сети и отсутствии жестких требований к плавности пуска.
- Пуск звезда-треугольник может применяться для двигателей средней мощности (до 30-45 кВт) при легких условиях пуска (момент сопротивления менее 30% от номинального момента двигателя) и при отсутствии возможности использования более совершенных методов.
- Устройства плавного пуска (УПП) являются оптимальным решением для большинства двигателей средней и большой мощности при отсутствии необходимости регулирования скорости в рабочем режиме. УПП обеспечивают хороший компромисс между стоимостью и качеством управления пуском.
- Преобразователи частоты (ПЧ) рекомендуются в случаях, когда требуется не только оптимизация пускового режима, но и регулирование скорости в процессе работы для обеспечения энергоэффективности или технологических требований.
По данным Международного энергетического агентства (МЭА) за 2024-2025 годы, применение современных методов пуска и регулирования скорости электродвигателей позволяет снизить потребление электроэнергии в промышленности на 15-25% и сократить эксплуатационные расходы за счет увеличения срока службы оборудования.
В условиях современной промышленности оптимальный выбор метода пуска является не только техническим, но и экономическим решением, влияющим на общую эффективность производства и его экологические показатели.
Источники информации
- Ключев В.И., Терехов В.М. "Электрический привод и автоматизация общепромышленных механизмов". – Москва: Энергоатомиздат, 2024.
- ABB Technical Guide No. 4: "Guide to Variable Speed Drives", 2025 Edition.
- Schneider Electric, "Energy Efficiency Whitepaper: Motor Starting Methods", May 2025.
- Siemens AG, "SINAMICS Perfect Harmony Technical Reference Guide", 2024.
- IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 61, "Comparative Analysis of Soft Starters and Variable Frequency Drives", March 2025.
- МЭА (IEA), "Отчет о мировых тенденциях энергоэффективности в промышленности", 2025.
- Frost & Sullivan, "Global Electric Motors Market Analysis", January 2025.
- Европейский стандарт IEC 60034-1:2024 "Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance".
- Овсянников Е.М., Королев В.И. "Электрический привод энергоэффективных установок". – Санкт-Петербург: Политехника, 2024.
- Онищенко Г.Б. "Электрический привод: учебник для вузов". – Москва: Академия, 2024.
Отказ от ответственности
Данная статья носит ознакомительный характер и предназначена исключительно для информационных целей. Представленные расчеты и рекомендации являются обобщенными и могут не учитывать особенности конкретных установок и условий эксплуатации. При проектировании и выборе оборудования необходимо руководствоваться актуальными нормативными документами, рекомендациями производителей оборудования и выполнять точные инженерные расчеты.
Автор и издатель не несут ответственности за любые потери или ущерб, которые могут возникнуть в результате использования информации, содержащейся в данной статье. Перед применением любых технических решений рекомендуется консультация с квалифицированными специалистами.
