w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

p r e z e n t a c j a

44

p r e z e n t a c j a

łagodnie i kompaktowo

do 250 kW

nowa gwiazda wśród softstartów Sirius

mgr inż. Thomas Hund – SIEMENS AG

B

ranży A

&D firmySiemensudało się

z powodzeniem wykorzystać swoje

know-how do projektowania styczni-
ków do nowej generacji softstartów. Po-
wstały w ten sposób system styków
bocznikujących urządzeń Sirius 3RW40
i 3RW44 jest w oferowanym kształcie
unikatowy na rynku softstartów w za-
kresach mocy do 250 kW

(fot. 1). Do tej

pory zastosowanie sterowania dwufa-
zowego do elektronicznych softstartów
o mocy powyżej 55 kW bez dodatko-
wych rozwiązań było niemożliwe. Pierw-
sze próby wykonane w ostatnim czasie

doprowadziły wprawdzie do ukaza-
nia się na rynku dwufazowo sterowa-
nych softstartów do 110 KW, jednak za-
implementowane w nich metody stero-
wania działają zupełnie inaczej.

mniejsze koszty

dzięki dwufazowemu

sterowaniu

Dwufazowe sterowanie softstartów

ma jedną istotną cechę: oszczędza się
wprawdzie w jednej fazie półprzewod-
niki mocy (tyrystory), ale właśnie dla-

tego nie można oddziaływać sterująco
na tę trzecią fazę. Wskutek tego auto-
matycznie między obiema fazami ste-
rowanymi i fazą niesterowaną powstaje
asymetria, a ze względów fizycznychpo-
woduje to również powstawanie składo-
wych stałych prądu. Te z kolei, zwłasz-
cza przy napięciach rozruchowych po-
niżej 50 %, prowadzą do powstawania
momentów hamujących i, czasem, du-
żego hałasu silnika.

Opracowana i opatentowana przez

Siemens A

&D metoda sterowania „Po-

larity Balancing” eliminuje te składo-

we stałe prądu w trakcie fazy rozrucho-
wej i skutecznie zapobiega występo-
waniu zakłócającego momentu hamu-
jącego, a także związanego z tym hała-
su i obciążenia silnika. Rozruch silnika
odbywa się równomiernie pod wzglę-
dem liczby obrotów, momentu obro-
towego i wzrostu prądu, a jakość aku-
styczna jest niemal taka jak przy trój-
fazowym sterowaniu procesem rozru-
chu. Na

fotografii 2 przedstawiono sy-

mulowany przebieg rozruchu silnika
asynchronicznego prądu trójfazowego
ze stałym momentem obciążenia. Z le-

Siemens Automation and Drives (A&D) stworzył i opatentował nową me-

todę sterowania zwaną „Polarity Balancing“ (równoważenie bieguno-

wości), która pozwoliła na rozbudowę sterowanej dwufazowo rodzi-

ny softstartów do 250 kW. Wykorzystujące ją małe i kompaktowe urządzenia

Sirius 3RW40 umożliwiają rozruch tak łagodny i cichy, jak żadne inne urządzenia

przeznaczone do tych zakresów mocy.

Thomas Hund

Fot. 1 Nowa gwiazda wśród softstartów we wszechświecie

rodziny urządzeń łączeniowych marki Siemens: kompaktowy

Sirius 3RW40

Fot. 2 Nowa metoda sterowania „Polarity Balancing” eliminuje uwarunkowane fizycznie składowe

stałe prądu przy rozruchu sterowanych dwufazowo softstartów

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

45

wej strony pokazano wyniki dwufazo-
wego sterowania bez korekcji, z prawej
- wyniki nowego sterowania z korekcją
„Polarity Balancing”. Zdjęcia przedsta-
wiają przebiegi obcinania fazy (Delay),
momentu obrotowego (M) i liczby obro-
tów (n), w tym przebiegi trzech prądów
skutecznych (I rms) i wreszcie przebiegi
stałych składowych prądu w trzech prą-
dach fazowych (I mean).

Przebiegi składowych stałych prą-

du wskazują, że od około 35 % do 45 %
napięcia znamionowego silnika (czy-
li w tym przykładzie po ok. 2 s) nara-
stają składowe stałe prądu i mogą one
wynosić nawet 40 % wartości skutecz-
nych. Te składowe stałe prądu generu-
ją momenty hamujące w silniku asyn-
chronicznym prądu trójfazowego, któ-
re wywołują słyszalne efekty akustycz-
ne i utrudniają łagodny rozruch. Dzięki
metodzie równoważenia biegunowości
te składowe stałoprądowe są redukowa-
ne do minimum. Maksymalna ampli-
tuda składowych stałoprądowych jest
w tym przykładzie mniejsza o współ-
czynnik ok. 100. Ta metoda wpływa
również pozytywnie na przebiegi liczby
obrotów, momentu obrotowego i trzech
wartości skutecznych prądu, co daje się
zauważyć po bardziej równomiernym
przebiegu i mniejszej maksymalnej am-
plitudzie wartości skutecznych (w przy-
kładzie ok. 50 %). Co ważne, taki rezul-
tat uzyskuje się w wyniku dynamicz-
nego dopasowania lub wyrównywania
połówkowych przebiegów prądowych
o różnej biegunowości – półfali dodat-
nich i ujemnych – podczas rozruchu sil-

nika. Stąd też nazwa „Polarity Balan-
cing”. Podstawowa różnica w porówna-
niu z dotychczasowymi metodami ste-
rowania polega na zastosowanej zasa-
dzie sterowania: „Polarity Balancing”
steruje napięciami blokowania tyrysto-
ra, podczas gdy inne metody polegają na
sterowaniu napięcia fazowego, co pro-
wadzi do całkowicie odmiennych spo-
sobów działania urządzeń przy zastoso-
waniu obu tych metod.

Wyniki pomiarów, przedstawione na

fotografii 3a i 3b, pokazują od lewej do
prawej prądy w fazach L1, L2 i L3. Od
góry widoczne są wartości chwilowe,
pośrodku składowe prądu stałego, a na
dole wartości skuteczne prądów fazo-
wych. Na

fotografii 3a pokazano wyniki

pomiarów rozruchu bez korekcji, gdzie
występujący moment hamujący i zwią-
zane z nim składowe stałe prądu jesz-
cze pozwalają na rozruch silnika. Silnik
o większej mocy, bez zastosowanych ele-
mentów dodatkowych, nie mógłby po-
konać momentu hamującego, gdyby był
sterowany dwufazowo. Wyniki pomia-
ru rozruchu korygowanego za pomocą
metody równoważenia biegunowości –
przedstawione na

fotografii 3b – wy-

raźnie wskazują na to, że składowe sta-
łoprądowe, a tym samym moment ha-
mujący, w ogóle nie powstają i w związ-
ku z tym silnik nie ma żadnych proble-
mów z dwufazowym sterowaniem przy
rozruchu.

W metodach sterowania trójfazowego

dzięki symetrycznemu obcinaniu faz we
wszystkich trzech fazach powstaje sy-
metryczny przepływ prądu. Natomiast

w przypadku metod sterowania dwu-
fazowego w fazie niesterowanej płynie
zawsze prąd wynikowy, który powstaje
w wyniku przemiany częstotliwości prą-
dów z dwóch faz sterowanych. Ze wzglę-
dów fizycznych w trakcie rozruchu sil-
nika prowadzi to do niesymetrycznego
rozkładu trzech prądów fazowych. Na tę
niesymetrię prądu nie można znacząco
wpłynąć technikami sterowania i nie
jest ona uważana przez większość użyt-
kowników jako zjawisko krytyczne, jak
zresztą pokazują pozytywne doświad-
czenia pracy z softstartami 3RW30.

bezpieczeństwo

ma priorytet

W powiązaniu z metodami sterowa-

nia dwufazowego ciągle – chociaż nie
wszędzie – poruszana jest problematy-
ka braku izolacji galwanicznej. Softstar-
ty są fabrycznie wyposażane w elektro-
niczne półprzewodniki mocy, tzw. ty-
rystory. Niezależnie od tego, czy stero-
wane są dwie, czy też trzy fazy, podob-
nie jak w przypadku innych elektronicz-
nych urządzeń sterujących (np. niskona-
pięciowych domowych ściemniaczy do
lamp halogenowych) na wyjściu każde-
go softstartu może występować napię-
cie, nawet gdy urządzenie jest wyłączo-
ne i półprzewodniki mocy nie są wy-
sterowywane.

Dodatkowe odłączenie napięcia na

wyjściu softstartu można osiągnąć za
pomocą dodatkowego urządzenia łą-
czeniowego (np. stycznika). Jeżeli po
stronie odpływowej mają być prowa-

dzone prace obsługowe, np. przy sil-
niku, zgodnie z przepisami niezbędne
jest zabezpieczenie wyłączonego i do-
datkowo galwanicznie izolowanego
urządzenia łagodnego rozruchu przed
niezamierzonym włączeniem. To z ko-
lei można uzyskać stosując tylko wy-
łącznik mocy, bezpiecznikowy odłącz-
nik obciążenia albo inne odpowiednie
urządzenia łączeniowe.

Jeśli ktoś w domu chce wymienić ża-

rówkę w niskonapięciowej lampie halo-
genowej, sterowanej przez elektroniczny
ściemniacz, musi przecież najpierw wy-
łączyć instalacyjny wyłącznik ochron-
ny albo wyjąć bezpiecznik, żeby zabez-
pieczyć się przed porażeniem prądem.
Tak samo jest z softstartami. Dodatko-
wy odłącznik albo stycznik, zainstalo-
wany przed urządzeniem łagodnego roz-
ruchu, umożliwia jedynie galwaniczną
izolację w stanie wyłączonym; rozwiąza-
nie to nie jest jednak konieczne ani do
normalnego roboczego załączania i wy-
łączania, ani też nie chroni przed nieza-
mierzonym włączeniem.

W przypadku izolacji galwanicznej na

odpływie do silników wyposażonych
w urządzenia łagodnego rozruchu jest
całkowicie nieistotne, czy urządzenia te
są sterowane dwufazowo, czy też trój-
fazowo. Żeby spełnić wymagania prze-
pisów dotyczących prac obsługowych,
oprócz izolacji galwanicznej w celu unik-
nięcia niezamierzonego załączenia ko-
nieczne są inne działania dodatkowe –
i dotyczy to nie tylko softstartów, lecz
także innych rozwiązań, np. układów
stycznikowych.

Fot. 3 Wyniki pomiaru na stanowisku badawczym silnika potwierdzają skuteczne równoważenie zakłócających składowych stałych prądu

a)

b)

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

p r e z e n t a c j a

46

Dopiero zastosowanie nowej metody

sterowania „Polarity Balancing” umoż-
liwiło stałe wykorzystywanie sterowa-
nych dwufazowo urządzeń łagodnego
rozruchu do zakresu mocy aż do 250 kW.
Jest to jednak dodatkowy powód, by
w tych zakresach mocy podczas prac ob-
sługowych zachować szczególną ostroż-
ność. Skonstruowany przez Siemens
A

&D nowy system samoochrony urzą-

dzenia w powiązaniu ze zintegrowanym
systemem styków bocznikujących sta-
nowi drugi istotny element, dzięki któ-
remu softstart Sirius 3RW40 ma bardzo
zwartą budowę.

niewielka i kompaktowa

konstrukcja

Dzięki samoochronie urządzenia

i systemowi styków bocznikujących
Siemens A

&D wykonał kolejny mi-

lowy krok w rozwoju dwufazowych

softstartów. Urządzenia Sirius 3RW40
przeznaczone do zakresów mocy od 75
do 250 kW w dwóch wielkościach kon-
strukcyjnych poszły tropem odpo-
wiednich styczników (S6 i S12); wy-
sokość i szerokość konstrukcyjna są
identyczne. Jedynie pod względem
głębokości te „hybrydowe startery”
w porównaniu ze stycznikami są nie-
co większe. Przy zainstalowanych blo-
kach łączników pomocniczych różnice
te mieszczą się jednak w zakresie mi-
limetrów

(fot. 4).

Równolegle z półprzewodnika-

mi mocy (tyrystorami) w obu stero-
wanych fazach umieszczone są styki
bocznikujące, zwymiarowane tak, żeby
mogły przewodzić prąd o ośmiokrot-
nej wartości roboczego prądu pomiaro-
wego. Ze względu na zintegrowaną sa-
moochronę urządzenia styki obejścio-
we nie muszą jednak przełączać tego
prądu i dlatego są zbudowane bez me-

chanicznego wyposażenia gaszącego
łuk. Samoochrona softstartów Sirius
3RW40 chroni zarówno tyrystory, jak
i styki obejściowe przed przeciążeniem,
które mogłoby spowodować nienapra-
wialne uszkodzenie elementów łącze-
niowych. System ochrony składa się
przede wszystkim z ochrony części
mocowej i elektronicznego układu ga-
szenia łuku.

W celu ochrony tyrystorów przed

przeciążeniem termicznym za pomocą
symulacji w czasie rzeczywistym obli-
czane są aktualne temperatury ich złą-
czy. Tuż przed przekroczeniem mak-
symalnej dopuszczalnej temperatu-
ry złączy tyrystory zostają odłączone.
Taki stan sygnalizowany jest przez od-
powiednie diody jako ochronne odłą-
czenie części mocowej i po ostygnięciu
softstartu ta sygnalizacja może być po-
twierdzona i skasowana. Dzięki wiedzy
o aktualnej temperaturze złączy tyry-
storów w każdym okresie sieci można
było zwymiarować części mocowe soft-
startu Sirius 3RW40 w taki sposób, żeby
w trakcie pracy do maksimum wyko-
rzystywać jego właściwości termiczne.
Z kolei dzięki zoptymalizowaniu spo-
sobu działania części mocowych moż-
liwe stało się stosowanie mniejszych
i zarazem tańszych modułów tyrysto-
rowych, co w przypadku tradycyjnych
softstartów w tej formie nie było do-
tychczas możliwe.

W trakcie pracy – czyli w stanie

zbocznikowanym – styki obejścio-
we przejmujące na siebie cały prąd są
chronione przed uszkodzeniem w ra-
zie usterki, np. wskutek niezamierzo-
nego rozwarcia styków. Z tego wzglę-
du zaimplementowano elektroniczny
układ gaszenia łuku. Oprogramowa-
nie urządzeń Sirius 3RW40 kontroluje
poziom sygnałów przejścia przez zero
napięcia blokującego nad tyrystorami
niesterowanymi w fazie obejściowej.
Przy zwartych stykach obejściowych
podczas bezusterkowej pracy nie wy-
stępują przejścia prądu przez zero i po-
ziom sygnału jest stały. Jeżeli nastą-
pi niezamierzone rozwarcie jednego
ze styków obejściowych (np. wskutek
usterki albo obciążenia mechaniczne-
go) poprzez zwiększające się napięcie

blokujące w tyrystorze (reprezentowa-
ne przez napięcie łuku na stykach obej-
ściowych) generowane jest zbocze sy-
gnału. Wówczas tyrystory zostają na-
tychmiast wysterowane i przejmują
przepływ prądu, dzięki czemu łuk po-
wstający na stykach obejściowych zo-
staje zgaszony. Ten łuk między styka-
mi obejściowymi nie jest zresztą w peł-
ni ukształtowany i zostaje zgaszony na
tyle wcześnie, że styki obejściowe nie
mogą być przez niego uszkodzone.
Dlatego też taki mechanizm ochron-
ny określa się jako elektroniczny układ
gaszenia łuku.

W ramach kontroli i sterowania

gaszenia łuku rozróżnia się usterki
o przyczynach odwracalnych i nieod-
wracalnych. Przyczynami usterek od-
wracalnych mogą być np. krótkie prze-
rwy lub zaniki napięcia sterownicze-
go systemu styków bocznikujących
albo pojedynczy wstrząs mechanicz-
ny. Tego rodzaju zakłócenia są skutecz-
nie rozpoznawane i nie powodują odłą-
czenia softstartu. Taka tolerancja na
błędy zapewnia większą ciągłość pra-
cy, nie jest ona bowiem przerywana
przez niepotrzebne wyłączenia. Nato-
miast przyczynami usterek nieodwra-
calnych, w praktyce niezwykle rzadko
występujących, są np. pęknięcie sprę-
żyny styku głównego w systemie sty-
ków bocznikujących, pęknięcie dru-
tu w cewce w układzie napędowym
albo defekt jakiegoś elementu w ukła-
dzie sterowania tego napędu. W prze-
ciwieństwie do usterek odwracalnych
te nieodwracalne bezpośrednio prowa-
dzą do odłączenia softstartu. Ze wzglę-
dów bezpieczeństwa sygnalizacja ta-
kiego stanu usterkowego w urządzeniu
Sirius 3RW40 nie może być potwier-
dzona i skasowana przyciskiem Reset/
Test. W takich przypadkach softstart
musi być wymieniony i zbadany w za-
kładzie producenta

(fot. 5).

Metoda sterowania, samoochrona

urządzenia czy też system styków bocz-
nikujących to istotne cechy nowych soft-
startów Sirius 3RW40, które z pewnością
są jedną z najjaśniejszych we wszech-
świecie gwiazd z rodziny syriuszowych
urządzeń łączeniowych produkcji
Siemens A

&D.

Fot. 4 Softstart, przekaźnik przeciążeniowy i stycznik bocznikujący zintegrowane

w jednym urządzeniu, a mimo to niemal tak kompaktowe jak porównywalny

stycznik: urządzenia Sirius 3RW40

Fot. 5 Nowe 3RW40 to dużo więcej niż tylko powiększenie rodziny softstartów Sirius