Figylem! Ez a cikk 21 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az ipari üzemekben dolgozó beruházó, tervező és üzemeltető szakemberek körében gyakran felmerülő kérdés az, hogy hogyan lehet a kisfeszültségű hálózaton elindítani a közepes vagy nagy teljesítményű aszinkron motorokat úgy, hogy a hálózati oldalon jelentkező korlátokat és a hajtott technológia igényeit is figyelembe vesszük. Még a széleskörűen elterjedt csillag-delta indítók különböző technológiákban való alkalmazhatósága is gyakran előforduló kérdés, ugyanakkor a legújabb elektronikus motorindító berendezések felhasználásának kérdéseiről kevés szó esik. Éppen ezért ez a cikk megpróbálja összefoglalóan bemutatni a leggyakrabban alkalmazott indítási módokat és azok főbb jellemzőit, az alkalmazásuk korlátait, illetve előnyeit; eljutva végül a legkevésbé ismert, esetleg csak fordulatszámszabályozóként ismert indító készülékkel megvalósított indítási módig, vagyis a mai legkorszerűbb elektronikus eszközökig (közismertebb néven a frekvenciaváltókig).
1. Kalickás forgórészű aszinkron motor direkt indítása
A kalickás forgórészű aszinkron motorok forgórészének tekercse megnövelt ellenállású rudakból és/vagy különleges horonyformákkal készül annak érdekében, hogy a motor megfelelő indítónyomatékkal rendelkezzen. Az ilyen motorokat hálózatra kapcsolva az indítónyomaték a névleges érték 1...2,2-szerese, a kiviteltől és a típustól függően. Az áramfelvétele az indítás pillanatában a névleges érték 6...8-szorosa és a cosφ értéke az üzemi fordulatszám eléréséig jóval a névleges érték alatt van, mivel a motor indításkor a nyomaték-fordulatszám jelleg-görbe meredek, üzemi szakasza alatt, a rövidzárlati tartományban üzemel.
1.ábra
Az 1.ábra a motor áramfelvételének (bal görbe) és nyomatékának (jobb görbe) változását mutatja felfutás közben. A szaggatott görbe egy lehetséges terhelés (pl. szivattyú) nyomatékának változását szemlélteti. Az ábrán látható a nagy indítási áramfelvételen túl a terhelő nyomaték feletti nagy túlnyomaték, ami nagy gyorsulást eredményez és a technológiai berendezések fokozott igénybevételét. (A feltüntetett jelleggörbék elméleti görbék és szemléltető jellegűek.)
A közepes és nagy teljesítményű, kalickás forgórészű aszinkron motorok esetében elsősorban a nagy áramfelvétel csökkentése érdekében van szükség a direkt indítástól eltérő indítási mód alkalmazására. Gyakran a hajtott technológia is igényli a mechanikai szempontból is lágyabb indítási megoldások alkalmazását. (Ez a technológiai igény a kis teljesítményű motoroknál is egyre gyakrabban jelentkezik.) Ennek legegyszerűbb megvalósítási módja a csökkentett tápfeszültséggel történő indítás.
2. Csillag-delta indítás
A kalickás forgórészű motorok csökkentett feszültséggel történő indításának egyik módja a csillag-delta átkapcsolással megvalósított indítás. Induláskor a motor tekercseire jutó feszültség a névleges érték √3-a. Az indítás pillanatában az áramfelvétel csak 2...2,6-szoros és ennek következtében a motor indítónyomatéka a direkt indításnál kifejtett érték harmadára csökken, mivel a motor nyomatéka a feszültség négyzetével arányos. Tehát az indítónyomaték a névleges motornyomaték 0,3...0,7-szerese, a kiviteltől és a típustól függően.
2.ábra
A 2.ábra a kékkel jelölt görbék a csillag-delta indításkor kialakuló motoráramot és motor nyomatékot mutatják. Látható a terhelő nyomaték feletti kis túlnyomaték és az átkapcsoláskor jelentkező áram- és nyomatékugrás. Tehát előnyként jelentkezik a viszonylag kis áramfelvétel és a kis túlnyomaték, ami lágyabb felfutást eredményez, de a kis motornyomaték hátrányos is lehet a feltüntetett terhelés jelleggörbéjétől eltérő jellegű technológiáknál. Például a szállítószalag, keverő- vagy adagolóhajtásoknál (gyűjtőnéven anyagmozgató hajtásoknál) történő alkalmazás esetén, ahol a nyomatékigény induláskor is a névleges érték közelében van (esetleg túl is lépi azt), vagyis ebben az esetben a motor nem tud elindulni, „beragad” a lecsökkent indítónyomaték miatt. Ebből következően minden esetben külön mérlegelést igényel az, hogy az adott technológiához ez az indítási mód alkalmazható-e. Másrészt ez az indítási mód, természetéből következően csak a 400/690V-os tekercseléssel rendelkező motoroknál alkalmazható; a legtöbb kis teljesítményű motornál nem, mert ezek névleges feszültsége általában 230/400V.
A csökkentett feszültséggel történő indítás másik módja az elektronikus lágyindítók alkalmazása. Ezek a beren-dezések ellenpárhuzamos tirisztorokból kialakított váltakozó áramú szaggatók. Az indulás pillanatában a beállí-tott értékre korlátozzák a motor áramát és vagy a teljes felpörgésig megtartják azt (hagyományos lágyindító be-rendezések), vagy a szükséges nyomatéknak megfelelően szabályozzák az indítás alatt, mint a nyomatékvezérlé-sű lágyindítók és így lineáris fordulatszám-növekedést (állandó gyorsulást) biztosítanak. Tehát a lágyindítók alkalmazásánál is – mivel csökkentett feszültséggel történő indításról van szó – a motor indítónyomatéka csök-ken. Az indítóáram általában a névleges motoráram 1,5...7-szerese között állítható, a terhelőnyomatéknak meg-felelően. A névleges áram 1,5-szeresénél kisebb áramot beállítva olyan kis értékű lenne az indítónyomaték, amelynél a motor terheletlenül sem képes elindulni.
3.a. ábra
A 3.a. ábra a folyamatos áramkorlátozással működő, úgynevezett hagyományos lágyindító jelleggörbéit tartalmazza. A felső részében együtt van feltüntetve a motor áram- és nyomaték-fordulatszám jelleggörbéje (kék színnel jelölve). Az alsó részében három diszkrét feszültségnél kialakuló nyomaték-fordulatszám jelleggörbe látható. Mivel a lágyindító az indítás folyamán a feszültséget folyamatosa változtatja nulla és a névleges érték között (annak érdekében, hogy az áram az előírt értékű legyen), végtelen sok ilyen görbe adott fordulatszámnál és adott kapocsfeszültségnél kialakuló pillanatnyi nyomatékértéke adja a felső részben feltüntetett eredő nyomaték-fordulatszám jelleggörbét. Látható az alacsony fordulatszám-tartományban a kis motornyomaték és a felső tartományban a hirtelen megnövekedő nyomaték. Tehát a felső tartományban hirtelen felgyorsul a motor. Az indítóáram csökkenése megvalósult ezzel az indítási móddal, de – a hirtelen nyomatéknövekedés miatt – a technológia szempontjából a lágyindítás nem.
3.b. ábra
A hajtott technológiák egyre gyakrabban igénylik a nyomaték korlátozását indítás alatt. Ezért születtek kifino-multabb vezérlési móddal működő lágyindító berendezések. Ilyen a nyomatékvezérlésű lágyindító. Ez a lágyin-dító berendezés kalkulálja a motor nyomatékát és igyekszik az indítóáramot úgy vezérelni, hogy a terhelőnyo-maték feletti túlnyomaték állandó értékű maradjon (a 3.b. ábrán satírozott terület). Ebből kettős előny származik. Egyrészt a felső fordulatszám-tartományban nem marad fent feleslegesen a nagy motoráram, aminek hatására csökken a motor igénybevétele, másrészt a gyorsulás állandó értékű lesz, vagyis lineáris felfuttatás biztosítható, ami a technológia számára kedvező. Tehát ezek a berendezések nem csak villamos szempontból lágyindítók, hanem mechanikai szempontból is. Bár az indító áram korlátozása 3-szoros névleges értéknél kisebbre nem igen állítható be, még a könnyű indítású technológiáknál sem. Nehezebben induló technológiáknál pedig előfordul-hat, hogy a direkt indításkor előforduló 6...7-szeres kezdeti indítóáramot kell beállítani. (Ebben az esetben csak mechanikai lágyindításról lehet szó és ezt csak a nyomatékvezérlésű lágyindítóval lehet megvalósítani.) A 3.b. ábrán láthatók az ezzel a vezérlési móddal kialakuló jelleggörbék.
4. Csúszógyűrűs aszinkron motorok indítása
A tekercselt forgórészű – más néven csúszógyűrűs – aszinkron motorok forgórész-tekercsének ellenállása kicsi a kalickás forgórészű motorokhoz viszonyítva. Ezek a motorok nem alkalmasak direkt indításra, mivel indításkor a motor árama akkora lenne, aminek hatására károsodna a motor (deformálódhatnak a tekercsfejek és sérülnek a csúszóérintkezők), másrészt a kis forgórészellenállás miatt nagyon csekély lenne az indítónyomaték (a névleges érték 0,2...0,3-szorosa). Így ezeknek a motoroknak az indítása a forgórészkörbe iktatott indító ellenállással történik, ami csökkenti az indítási áramot, másrészt növeli a motor indítónyomatékát (a szlip növelése által). Ezt az ellenállást indítás közben fokozatosan ki kell iktatni. (Ilyen motorokat általában nehéz indítású technológiákban alkalmaznak – ma már egyre ritkábban -, melyeket kalickás forgórészű aszinkron motorral indítani nem lehetne. Régebben szabályozott hajtásként is ezt a motorfajtát alkalmazták.)
Csúszógyűrűs motort (rövidrezárt forgórésszel) lágyindítóval indítani nem lehet, mivel a feszültségcsökkentés miatt az egyébként is kis indítónyomaték nagyon lecsökkenne.
5. Aszinkron motor indítása frekvenciaváltóval
Frekvenciaváltóval történő táplálás esetén az aszinkron motor felfuttatása (akár rövidrezárt forgórészű csúszógyűrűs, akár kalickás motor) a frekvencia folyamatos növelésével történik. Így a felfuttatási idő tetszőlegesen megszabható, csökkentve ezzel a mechanikai igénybevételt. (Ideális lágyindítás.) A 4.ábrán a motor négy diszkrét frekvencián kialakuló nyomaték-fordulatszám jelleggörbéje látható. A valóságban természetesen nulla és névleges (vagy akár névleges fölötti) frekvencia között nagyon sok ilyen görbe rajzolható.
4.ábra
Ezzel a táplálási móddal megvalósítható a névlegesnél jóval kisebb motorárammal történő felfuttatás (ha a motor terhelése ezt lehetővé teszi). Ez azért lehetséges, mert a frekvenciaváltóval táplált motor felfuttatás alatt is a nyomaték- fordulatszám-karakterisztika üzemi szakaszán üzemel (a 4. ábrán kék, folyamatos görbeszakaszok) és soha sem a billenőnyomaték alatti (rövidzárlati) tartományban (kék, szaggatott görbeszakaszok). Lassú felfuttatásnál a motor árama tehát végig a terhelő nyomatékkal arányos marad. A frekvenciaváltó hálózatból felvett árama pedig minden esetben a mechanikai teljesítménynek megfelelő. (P = M x w, ahol P a mechanikai teljesítmény, M a terhelő nyomaték, w pedig a tengely szögsebessége.) Így nem csak a motoráramtól függ, hanem a fordulatszámtól is. Tehát az egyszerűség kedvéért egy a szivattyútól eltérő, fordulatszámtól független, állandó nyomatékú terhelést feltételezve, a hálózati áramfelvétel a fordulatszámmal arányosan csökken, míg a motor árama a fordulatszámtól függetlenül állandó értékű. Indítás pillanatában (a veszteségeket elhanyagolva) a kezdeti hálózati áramfelvétel nulla, majd a fordulatszámmal arányosan emelkedik, míg a motoráram folyamatosan névleges értékű (vagy esetleg annál nagyobb is lehet rövid ideig). A hálózati áram csak névleges fordulatszámon éri el a névleges értéket. (5.a. ábra, 5.b. ábra) Ez óriási jelentőségű. Nem kell túlméretezni a táptranszformátort, a táphálózatot és kisebb lehet az áramszolgáltatónál lekötött energia. (Nincs indítási túláram.) Óránként jóval többször indítható így a motor (lassú felfuttatással korlátlan számban), mert nincs indításkori többletmelegedés.
5.a. ábra
5.b. ábra
A feszültséginverteres frekvenciaváltók egy vezéreletlen egyenirányítón keresztül csatlakoznak a táphálózatra. Ebből következően felfuttatás alatt és a teljes üzem alatt is a hálózati cosφ értéke végig 1 marad. (A készülék a meddőenergiát maga állítja elő a motornak.) Így a teljesítményfelvétele tiszta wattos. Tehát meddőkompenzációra nincs szükség.
Csúszógyűrűs motorokat is (véglegesen rövidrezárt forgórésszel) minden további nélkül lehet indítani (és üzemeltetni) frekvenciaváltóval.
Mindebből következik, hogy a frekvenciaváltó az ideális motorindító.
Mivel a frekvenciaváltók nem csak a motor indítására alkalmasak, hanem jellegüknél fogva az aszinkron motor fordulatszámának folyamatos változtatására is, a gyakorlatban ezek a készülékek legtöbb esetben fordulatszám-szabályozóként üzemelnek. Azonban sok olyan technológia van, melyek egyébként nem igényelnének fordulatszám-szabályozót (főleg a nehéz indítású technológiák), de más módon nem indíthatók kalickás forgórészű aszinkron motorral. Ettől eltérő esetekben is kifizetődő lehet a frekvenciaváltók alkalmazása, a felsorolt előnyöket figyelembe véve; nem beszélve a korszerű frekvenciaváltók számtalan technológia-vezérlő funkciót megvalósító képességéről (technológia korszerűsítés).
Rónyai Sándor műszaki tanácsadó, villamos hajtás szakmérnök
