Układy łagodnego rozruchu (tzw. softstarty) stosowane są w silnikach elektrycznych z ruchomym wirnikiem i nieruchomym stojanem (asynchronicznych klatkowych). W przeciwieństwie do przemienników częstotliwości nie dysponują funkcją płynnej regulacji momentu obrotowego silnika, a tym samym przeznaczone są głównie do aplikacji niewymagających zmiany prędkości napędu w trakcie jego pracy. Tym, co łączy je z przemiennikami częstotliwości, jest natomiast możliwość sterowania rozruchem silnika przez ograniczenie napięcia rozruchowego i stopniowe jego zwiększanie aż do uzyskania wartości nominalnej. Dzięki temu zapobiegają spadkom napięcia w sieci (istotnym zwłaszcza w przypadku sieci zasilanych OZE), udarom prądowym i mechanicznym sprzęgieł oraz innych elementów wykonawczych, a także nadmiernym naprężeniom mechanicznym i wzrostom ciśnienia w rurociągach i gazociągach. W efekcie wydłużają okres eksploatacji samych napędów, a także pozostałych komponentów instalacji. Co jednak ciekawe, najnowsze rozwiązania tego typu mają również niebagatelny wpływ na efektywność energetyczną zakładów – a to z uwagi na możliwość przejścia w tryb stand-by oraz wstrzymania pracy napędów na biegu jałowym.

Od kontrolerów momentu po zamkniętą pętlę prądu
Jako układy półprzewodnikowe softstarty charakteryzują się dosyć prostą budową, na którą składają się tyrystory, bezpieczniki, układy rezystor-kondensator, płytki drukowane i transformator prądu. Najważniejszym elementem takiego układu są tyrystory składające się z trzech elektrod, z których dwie przyłączone są do warstw skrajnych, a jedna – do warstw środkowych. Wzrost napięcia prądu rozruchowego powoduje złączenie tyrystorów, co skutkuje stopniowym wzrostem ich przewodności, a tym samym i podawanego na silnik napięcia.

Seria ADXL firmy Lovato Electric z funkcją rozruchu awaryjnego i trybu pompy przeciwpożarowej

Dobór odpowiedniego softstartu uzależniony jest w pierwszej kolejności od liczby faz oraz częstotliwości rozruchu silnika. W prostych, jednofazowych aplikacjach sprawdzą się tzw. kontrolery momentu, pozbawione możliwości sterowania prądem rozruchowym. Zapewniają one płynny wzrost momentu obrotowego silnika, ale nie ograniczają prądu przepływającego przez uzwojenie, a tym samym nie zabezpieczają go przed wzrostem temperatury. Dlatego wymagają zastosowania dodatkowego stycznika i zabezpieczenia przed przeciążeniem.

Instalacja tych komponentów jest zalecana także w przypadku kontrolerów z otwartą pętlą napięcia, które co prawda umożliwiają sterowanie parametrami rozruchu, takimi jak początkowe napięcie czy czas rozruchu, dla wszystkich trzech faz, ale nie odbierają sygnału zwrotnego z silnika, a, co za tym idzie, nie mogą płynnie sterować napięciem rozruchowym bez udziału operatora. Nie tworzą zatem kompletnego układu zabezpieczającego silnik, a jedynie jeden z trzech komponentów do samodzielnego doboru i montażu.

W przeciwieństwie do nich kontrolery z zamkniętą pętlą napięcia – dzięki odbieraniu sygnału zwrotnego z silnika – mogą płynnie sterować napięciem rozruchowym, zatrzymując jego narastanie, gdy wartość prądu rozruchowego przekroczy zadany limit. Dzięki temu nie wymagają instalacji dodatkowych zabezpieczeń, stanowiąc kompletny układ softstartu.

Jeszcze bardziej intuicyjne w obsłudze są kontrolery z ostatniej grupy – z zamkniętą pętlą prądu (np. softstarty IMS2 firmy AuCom). Podstawowym sygnałem odniesienia jest tu nie napięcie, lecz prąd. Dzięki temu układy takie umożliwiają dokładną kontrolę prądu rozruchu i łatwą jego nastawę.

Cyfrowe softstarty podbijają rynek

Seria softstartów VLT firmy Danfoss

Od czasu ich premiery układy łagodnego rozruchu przeszły długą ewolucję. Najnowsze rozwiązania są w pełni zdigitalizowane: ich obsługa może odbywać się zarówno z poziomu cyfrowego wyświetlacza, jak i przez zewnętrzny panel HMI. Dysponując możliwością zaawansowanej komunikacji z wykorzystaniem popularnych protokołów (Ethernet, IP), zapewniają pełną regulację nie tylko napięcia/prądu rozruchowego, ale także zintegrowanych z nimi zabezpieczeń, takich jak zabezpieczenia przeciwprzeciążeniowe, niedociążeniowe, ziemnozwarciowe, przed asymetrią prądową i przeciw zablokowaniu wirnika. Niektóre z nich oferują także dodatkowe funkcje trybu awaryjnego. Przykładowo, seria ADXL firmy Lovato Electric umożliwia rozruch awaryjny silnika w przypadku, gdy jego praca jest kluczowa dla zapewnienia ciągłości procesów produkcyjnych, a także tryb pracy pompy przeciwpożarowej, w którym silnik pompy uruchamiany jest nawet w przypadku, gdy grozi to jego awarią.

Niemal wszystkie nowoczesne softstarty mają także wbudowaną funkcję łagodnego zatrzymania (tzw. softstop), szczególnie istotną w przypadku regulacji pracy silników pomp. Umożliwia ona stopniową redukcję momentu obrotowego napędów instalacji pompowej, zabezpieczając ją przed uszkodzeniem na skutek gwałtownych uderzeń cieczy. Podobną rolę odgrywa także funkcja czyszczenia rurociągów i pomp oraz funkcja wolnych obrotów, przydatna zwłaszcza przy obsłudze dźwigów i taśmociągów.

Na rynku pojawia się także coraz więcej urządzeń obsługujących silniki wysokiej mocy. W efekcie zakres ich działania przesunął się z 200 kW do ponad 300 kW (np. softstart HFR-1000 firmy EURA współpracuje z silnikami o mocy do 315 kW).

Bypass ogranicza zużycie energii
Z punktu widzenia efektywności energetycznej najistotniejszą rolę odgrywa jednak dostępny w większości nowoczesnych softstartów stycznik obejściowy (tzw. bypass), który umożliwia przejście układu w tryb stand-by bezpośrednio po zakończeniu rozruchu silnika, zasilanego od tej pory bezpośrednio z sieci elektrycznej. Pozwala to na redukcję strat energii wewnątrz softstartu, które w przypadku pracy ciągłej mogą stanowić 1,5-2% całkowitej mocy zasilania napędu. Po otrzymaniu sygnału indukującego zatrzymanie silnika softstart automatycznie przechodzi w tryb hamowania, wyłączając bypass.

Funkcja kontroli momentu obrotowego umożliwia ograniczenie liczby obrotów silnika po przekroczeniu zadanego limitu, a tym samym ogranicza szarpanie podczas startu i zatrzymania napędu

Solidna konstrukcja najnowszych układów łagodnego rozruchu przystosowanych do pracy z dużymi obciążeniami zapewnia także możliwość wielokrotnego włączania i wyłączania softstartu bez szkody dla jego żywotności. Pozwala to przezwyciężyć największą przeszkodę w masowym stosowaniu softstartów w napędach okresowo pracujących na biegu jałowym, a jednocześnie oszczędzić energię wydatkowaną do tej pory na podtrzymanie obrotów napędu w sytuacji czasowego przestoju. Podczas pracy na biegu jałowym układ łagodnego rozruchu i zatrzymania wyłącza silnik, a po otrzymaniu sygnału o wznowieniu pracy – ponownie go załącza. Funkcja ta jest szczególnie przydatna przy obsłudze takich urządzeń jak piły i przenośniki taśmowe, schody ruchome czy pompy napełniające.

Całościowa strategia energetyczna
Jak podaje Departament Energii Komisji Europejskiej, zastosowanie softstartów wyposażonych w bypass oraz funkcję wyłączania silnika na biegu jałowym może w znacznym stopniu ograniczyć zużycie energii przez silniki przemysłowe. Warunkiem jest jednak włączenie ich w całościową strategię energetyczną przedsiębiorstwa, na którą – poza instalacją układu łagodnego rozruchu i zatrzymania – składają się także: 1) inwestycja w silnik o wysokiej klasie energetycznej, 2) odpowiedni dobór mocy silnika, 3) wybór efektywnej metody przenoszenia napędu oraz 4) kontrola jakości energii.

Największy wpływ na bilans energetyczny pracy instalacji ma inwestycja w energooszczędny napęd. Zgodnie z normą IEC 60034-30-1:2014 elektryczne silniki indukcyjne pod względem efektywności energetycznej można podzielić na cztery klasy – od IE1 (silniki standardowe) do IE4 (silniki o najmniejszej energochłonności). W praktyce w przypadku zastosowania softstartów najbardziej polecaną opcją jest silnik klasy IE3. Zapewnia on podobne oszczędności jak silnik klasy IE2 w połączeniu z falownikiem, generując przy tym mniejsze koszty inwestycyjne. Jak szacuje Komisja Europejska, odpowiedni dobór klasy energetycznej silnika może przynieść oszczędności energii rzędu 2-8%.

Dalsze 1-3% możemy zaoszczędzić, odpowiednio dobierając moc silnika, a tym samym jego obciążenie. W obawie przed przeciążeniem układu przedsiębiorstwa przemysłowe często przewymiarowują silniki, określając ich obciążenie na ok. 60% mocy znamionowej. Tymczasem silniki indukcyjne osiągają największą sprawność i najkorzystniejszy współczynnik mocy przy ok. 75% obciążenia. Wtórne zwiększenie sprawności źle dobranego napędu wymaga instalacji baterii kondensatorów, co znacznie zwiększa koszty inwestycyjne instalacji – i tak już wysokie ze względu na konieczność zakupu odpowiednio wydajnych rozdzielnic i innych elementów instalacji elektrycznej.

Istotny wpływ na poziom zużycia energii całego systemu ma wreszcie dobór układu przenoszenia napędu. Najbardziej polecanym rozwiązaniem są paski synchroniczne, zapewniające znaczną, bo 2-10-procentową redukcję energochłonności systemu w porównaniu ze standardowymi paskami klinowymi.

Odpowiednio dobrany silnik elektryczny wyposażony w układ łagodnego rozruchu – w połączeniu z właściwie przeprowadzaną konserwacją, serwisem i kontrolą jakości energii – składa się na całościową strategię energetyczną przedsiębiorstwa obejmującą wszystkie pracujące w nim maszyny i instalacje. Według KE jej wdrożenie pozwala zaoszczędzić nawet 41% energii związanej z eksploatacją maszyn i urządzeń pracujących ze stałą prędkością obrotową. Jeszcze większe oszczędności można wygenerować, stosując systemy napędowe o regulowanej prędkości/częstotliwości. To już jednak całkowicie inny temat.