Что такое асинхронный двигатель способы пуска

Основные принципы плавного пуска

Аннотация

Основные принципы плавного пуска. В данной работе рассмотрены способы пуска асинхронных двигателей и принципы управления фиксированной скоростью ротора.

Текст статьи

С момента своего изобретения (сто лет назад), стандартный 3-фазный асинхронный двигатель стал одним из наиболее известных элементов промышленного оборудования. Благодаря своей простоте конструкции, низкой стоимости, надежности и относительно высокой эффективностью, он, вероятно, останется основным источником механической энергии для промышленных предприятий.

Введение

Преобразование энергии от источника питания к вращающейся механической энергии является основной целью всех двигателей. Для регулирования потока энергии, большинство схем двигателя требует механизм для их подключения и отключения от источников электроэнергии и электромеханические переключатели, известные как контакторы, являются стандартным средством достижения этого элемента управления. Даже сегодня, более чем через сто лет после их введения, контакторные системы остаются наиболее широко используемым методом управления двигателем. Тем не менее, существует определенная тенденция к более сложным электронным системам контроля, применяемых для фиксации частоты вращения двигателя и здесь мы обсудить новейшие формы контроля, а именно – электронные, с микропроцессорным управлением и оптимизацию плавного пуска.

Асинхронный двигатель

Для того чтобы оценить преимущества использования электронного контроллера, важно иметь некоторое представление о характеристиках и ограничениях асинхронных двигателей и электромеханических систем, которые в настоящее время используется для управления ими. Стандартные системы для фиксации скорости асинхронного двигателя должы выполнять два основных требования: возможность ускорения без и с нагрузкой; поддержание полной скорости с нагрузкой. Из-за ограничений материалов и конструкции, эффективно и экономично в одной машине этих целей трудно достичь.

Как асинхронный двигатель запускается?

Как отмечалось ранее, двигатели преобразовывают электроэнергию из электросети в механическую форму, обычно в виде вращающегося вала со скоростью соответствующей частоте питания. Мощность на валу двигателя, равна вращающемуся моменту (момент), умноженному на скорость вала (обороты в минуту). Относительно начального значения в состоянии покоя, крутящий момент изменяется увеличиваясь и уменьшаясь, в зависимости от ускорения, достигая пика примерно в две трети полной скорости, и наконец достигает нуля при синхронной скорости. Приведенная характеристика означает, что асинхронные двигатели всегда работают чуть меньше синхронной скорости для того, чтобы развивать мощность – «проскальзывания» скорость, отсюда и термин асинхронный. Приведенный ниже график (рис. 1), показывает кривую отношения крутящего момента к скорости асинхронного двигателя.

Рисунок 1 – Механическая характеристика асинхронного двигателя

Нагрузка на асинхронном электродвигателе имеет свое отношение скорости на крутящий момент, кривая (рис. 2).

Рисунок 2 – Механическая характеристика асинхронного двигателя (в сочетании с нагрузкой)

Ускорение системы «двигатель – нагрузка» вызвано различием между вращающим моментом (двигатель) и поглощенным вращающим моментом (нагрузка), и показано заштрихованной областью на рисунке 3.

Рисунок 3 – Механическая характеристика асинхронного двигателя (момент ускорения)

Очевидно, что чем больше разница, тем быстрее происходит ускорение и двигатель быстрее достигает номинальной скорости. «Идеальный» пуск ускорил бы ускорение нагрузки с достаточной силой, чтобы достигнуть максимальной скорости гладко и в соответствующее время с минимальным напряжением подводимым к двигателю.

Вообще отношение частоты вращения двигателя к крутящему моменту зависит от сопротивления ротора – двигатель с высоким сопротивлением ротора выдает максимальный крутящий момент (опрокидывающий момент), двигатель с очень низким сопротивлением ротора будет производить низкий пусковой момент, но будет генерировать свой максимальный крутящий момент ближе к синхронной скорости.

Пуск асинхронных двигателей

Пуск размагниченного асинхронного двигателя является важным и сложным процессом. В момент вкючения затрачивается энергия необходимая для намагничивания двигателя, обеспечения ускорения, помимо всего этого имеют место механические и электрические потери. Чрезмерное ускорение ротора при механической нагрузке может производить небольшие колебания крутящего момента на валу и вызывает сильный износ передачи и зубчатых колес.

Электромеханические способы пуска

Метод A: прямой пуск

Самый простой способ управления энергией потока асинхронного двигателя является прекращение его питания с помощью электромагнитного управления, это 3-фазный переключатель, известный как контактор. Этот метод применяется очень широко и является обычной формой управления, где низкая стоимость является первым и наиболее важным фактором. В результате этот способ чаще всего используется на небольших электродвигателях (7,5 – 22 кВт), или там где характеристика достаточно сильна, чтобы противостоять наплыву и стартовым скачкам, не вызывая недопустимое падение напряжения. Данный способ пуска является не рациональным и губительным для оборудования. Его простота и очевидная низкая стоимость, на первый взгляд кажутся привлекательными, но скрывают большие недостатки, которые заключаются в уменьшении срока службы приводов и более высоким риском несостоявшегося пуска, особенно когда необходимы частый пуск и остановка. Недостатки прямого пуска были признаны с тех пор, как двигатели начали использоваться, и были разработаны альтернативные системы, чтобы уменьшить вредные воздействия прямого пуска.

Метод Б: схема пуска «звезда-треугольник»

Пуск переключением «звезда-треугольник» обеспечивает пониженный стартовый крутящий момент, однако с учетом того, что крутящий момент нагрузки пропорционален квадрату скорости. Все пускатели «звезда-треугольник» поставляются со специальными модулями временной задержки, которые создают задержку на контакторе, соединяющем обмотки в «треугольник», необходимой для размыкания контактора, соединяющего обмотки в «звезду». Момент перехода контролируется таймером и, как правило, он составляет 80% от номинальной скорости. Эффект данного способа заключается в изменении напряжения на каждой обмотки статора до 58% от номинального. Это уменьшает пусковой момент до трети с последующим снижением пусковых токов и ускореной силы. Преимущество по сравнению с прямым пуском очевидно, но существенные недостатки все еще остаются.

Переключение со звезды на треугольник на мгновение отключает двигатель от питания. В течение этого времени двигатель находится под механическим влиянием вращающейся нагрузки и, в момент отключения, ток будет протекать в стержнях ротора из-за времени задержки необходимой для затухания магнитного потока. Таким образом, существует остаточный магнитный поток на поверхности вращающегося ротора. Если момент инерции нагрузки мал, например, в насосе или если сила трения высока, могут возникнуть значительные потери скорости в течение времени, когда двигатель отключен.

Это может привести к очень большим пусковым токам (таким же или более высоким как при заторможенном роторе), вместе с массивным переходным колебанием крутящего момента. Хотя описанные эффекты присутствуют только в течении очень короткого периода времени (около одной пятой секунды), они являются источниками сильного износа всей системы привода, особенно там, где необходимы частые пуски.

Метод C: реостатный способ

Уже давно признано, что система «звезда-треугольник» была источником проблем, таких как сварные контакторы, сдвижение приводных валов и т.д., а в течение многих лет был доступен реостатный метод ступенчатого уменьшения скорости. Этот способ применяют при тяжелых условия пуска, т.е. при большой нагрузке на валу. Для реостатного пуска используют асинхронные двигатели с фазным ротором, в цепь ротора включается пусковой реостат. Реостатный пуск служит для увеличения пускового момента. Одновременно происходит уменьшение пускового тока двигателя. По мере разгона двигателя пусковой реостат выводится и после окончания пуска обмотка ротора оказывается замкнутой накоротко.

Метод Д: другие электромеханические системы

Другие методы управления, такие как автотрансформаторы пуска (популярны в Северной Америке), пусковое реактивное сопротивление и т.д., используются в большей или меньшей степени, чтобы компенсировать некоторые неудобства каждого типа обсужденных выше стартеров. Тем не менее, фундаментальные проблемы электромеханических стартеров остаются. Этим проблемы решаются применением полупроводниковых преобразователей.

Полупроводниковый контроллер

В течении 1950-ых много усилий было приложено к разработке устройства транзистора с четырьмя слоями, у которого была возможность переключить большой ток с высоким напряжением. Это устройство стало известно как кремниевый управляемый выпрямитель, а в Европе оно стало известно как тиристор; это основание, на котором построены все устройства плавного пуска. Наибольший интерес представляет способность тиристора переключаться быстро (около 5 миллионных долей секунды) от состояния «выключено» в положение «включено», состояние «включено» длится пока ток через устройство не снизится до нуля и это очень удобно. Управляя тиристором возможно отрегулировать энергию, проходящую через устройство. Открывая тиристор с большей или меньшей задержкой по времени, возможно «вырезать» соответствующую часть синусоиды питающего напряжения. Таким образом, среднее напряжение на выходе устройства будет меняться пропорционально изменению времени задержки открытия тиристора. Поскольку подобный принцип регулирования напряжения предполагает что в те интервалы времени, когда тиристоры остаются закрытыми, ток через обмотки двигателя не протекает, отбора мощности из питающей сети в эти моменты не происходит. Ротор двигателя в эти интервалы времени вращается по инерции.

Запуск асинхронных двигателей

При работе двигателя в предельной нагрузке или вблизи ее, типичный 3-фазный асинхронный двигатель является относительно эффективным, можно увеличить коэффициент полезного действий от 85% к 95%. Однако, как показано ниже (рис. 4), КПД двигателя резко падает, когда нагрузка падает до менее чем 50% от номинальной мощности.

Рисунок 4 – Зависимость КПД от нагрузки

Фактически, очень немного двигателей испытывают полностью номинальный режим работы, подавляющее большинство работают при намного более низкой нагрузке. Для вентиляторов и насосных установок, полупроводниковое управление приводом, оказывает очень значительную экономию энергии по сравнению с практически всеми другими методами контроля, варьируя скорость двигателя в ответ на изменения нагрузки. Менее сложные системы плавного пуска продолжают работать на полной проводимости и двигатель ведет себя так, как будто подключен непосредственно к сети питания. Тем не менее, при малых нагрузках и напряжении питания, в асинхронном двигателе всегда есть избыток магнитного потока, и в результате это приводит к потере эффективности и уменьшению коэффициента мощности. При обнаружении нагрузки в любой момент времени, и изменения напряжения на клеммах двигателя соответственно, можно сэкономить часть энергии возбуждения и нагрузки и повысить коэффициент мощности двигателя, когда двигатель работает неэффективно при небольших нагрузках.

Все устройства плавного пуска управляются микропроцессором и это дает им много преимуществ. Во-первых, нет необходимости корректировок для функции экономии энергии: все вычисления необходимые, чтобы найти лучшую ступень задания фазы отпирания тиристоров при любой нагрузке производится микроконтроллером. Во-вторых, пуск всегда синхронизируется с напряжением питания и тем самым фактически устраняет ток наплыва, связанный с пуском.

Источник

ПУСК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Асинхронные электрические двигатели с короткозамкнутым ротором благодаря своей крайней простоте получили широкое распространение, особенно в трехфазных сетях, где им не требуются дополнительные пусковые или смещенные по фазе обмотки.

При правильной эксплуатации асинхронный электродвигатель становится практически вечным – единственное, что в нем может потребовать замены, это подшипники ротора.

Однако ряд особенностей асинхронных двигателей определяет специфику их пускового режима: отсутствие обмотки якоря означает отсутствие противоЭДС индукции в момент включения обмоток статора, а следовательно – высокий пусковой ток.

Если для маломощных электрических двигателей это не критично, то в промышленных электродвигателях пусковые токи могут достигать очень высоких значений, что приводит к просадкам напряжения в сети, перегрузкам подстанций и электропроводки.

ПРЯМОЙ ПУСК АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Как уже было сказано выше, прямое включение обмотки асинхронного двигателя может применяться только при низкой мощности. В этом случае пусковой ток превышает номинальный в 5-7 раз, что не является проблемой для коммутационного оборудования и электропроводки.

Включение в сеть нового электродвигателя может вызвать настолько сильную просадку напряжения, что уже работающие двигатели остановятся, а новому мотору не хватит пускового момента, чтобы стронуться с места.

Пусковой ток асинхронного двигателя достигает максимального значения в момент включения и плавно снижается до номинального по мере раскрутки ротора.

Следовательно, для уменьшения времени перегрузки сети асинхронный двигатель должен включаться с минимальной нагрузкой, если это возможно.

Мощные токарные станки, гильотины для рубки металла не имеют фрикционных муфт, и все их вращающиеся механизмы раскручиваются в момент включения электродвигателя.

В этом случае длительные просадки напряжения приходится прямо закладывать в проектируемое для них электроснабжение.

ПЛАВНЫЙ ПУСК АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Логичным способом снижения пускового тока стало снижение напряжения, подаваемого на статор в момент запуска, с его постепенным увеличением при разгоне двигателя.

Также могут использоваться и дроссели высокой индуктивности (реакторы), а также автотрансформаторы.

Подобный способ плавного пуска имеет очевидные недостатки:

Работа контакторов не привязывается к реальному значению тока, они либо переключаются вручную, либо перебираются с помощью реле времени автоматически.

Усложнение пуска под нагрузкой.

Так как крутящий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения питания, снижение напряжения в момент пуска в 2 раза приведет к снижению крутящего момента в 4 раза. Применение плавного пуска с электродвигателями, напрямую подключенными к нагрузке, значительно увеличивает время выхода на рабочие обороты.

Совершенствование силовой электроники позволило создать компактные автоматические устройства плавного пуска (также называемые софтстартерами от английского soft start – «мягкий пуск») для асинхронных электродвигателей, устанавливаемые на стандартную монтажную рейку электрощитов.

Они обеспечивают не только плавный разгон, но и торможение двигателя, позволяя регулировать параметры токов пуска и остановки в различных режимах:

В момент запуска ток ограничивается на заданном превышении номинального и удерживается на этой величине все время разгона двигателя. Обычно используется ограничение на уровне 200-300% номинального тока. Перегрузка становится малозначительной, хотя ее длительность возрастает.

В данном случае токовая кривая в момент включения двигателя имеет больший наклон, после чего софтстартер переходит в режим токоограничения.

Такой метод плавного пуска применяется при подключении к маломощным подстанциям или генераторам для снижения стартовой нагрузки, однако пусковой момент электродвигателя в данном случае минимален. Для устройств, лишенных холостого хода электродвигателя, использовать формирование тока с пологой стартовой кривой невозможно.

Ускоренный пуск (кик-старт).

Применяется с двигателями, напрямую приводящими нагрузку, так как иначе их пусковой крутящий момент может оказаться недостаточным для страгивания ротора.

В этом случае устройство плавного пуска допускает кратковременное превышение пускового тока в несколько раз (фактически осуществляется прямая коммутация), по истечении заданного времени ток снижается до двух-трехкратного превышения номинала.

Останов на выбеге.

При отключении двигателя напряжение с него снимается полностью, вращение якоря продолжается по инерции. Наиболее простой способ коммутации, применимый при небольших мощностях и малой инерции привода.

Однако в момент разрыва цепи происходит сильный индуктивный выброс, приводящий к сильному искрению в контакторах. На мощных электродвигателях, а также при высоких рабочих напряжениях данный способ отключения неприемлем.

Линейное снижение напряжения.

Применяется для более плавной остановки двигателя. Нужно помнить, что крутящий момент двигателя при этом снижается нелинейно из-за квадратичной зависимости момента от напряжения, то есть снижение момента происходит наиболее резко в начале кривой.

Отключение питания происходит при минимальном токе в обмотке, соответственно коммутирующие выключатели практически не изнашиваются образованием искры между контактами.

Для снижения нагрузок при остановке применяется управляемое снижение напряжения:

• вначале ток снижается минимально;
• затем кривая начинает снижаться круче.

Снижение крутящего момента электродвигателя при этом близко к линейному. Этот способ управления остановом электродвигателя применяется в устройствах с высокой инерционностью привода.

При использовании такого рода устройств плавного пуска пусконаладочные работы заключаются в настройке нужного типа кривой пускового тока и, в случае использования режимов формирования тока или ускоренного старта, настройке длительности временного интервала начального участка кривой.

Применение устройств плавного пуска позволяет автоматизировать пусковой режим, но его главный минус остается – либо приходится закладывать в устройство возможность холостого хода электродвигателя, либо допускать кратковременные перегрузки сети, раскручивая мотор и нагрузку с кик-стартом.

ПУСК ПО СХЕМЕ ЗВЕЗДА-ТРЕУГОЛЬНИК

Другим способом запуска, использующимся на трехфазных двигателях, является перекоммутация обмоток: в момент пуска обмотки соединяются звездой, по мере разгона ротора обмотки переводятся в нормальное включение треугольником.

Такой метод пуска фактически является частным случаем способа пуска асинхронного электродвигателя на пониженном напряжении, так как напряжение на обмотках при этом снижаетсяпримерно в 1,73 раза.

Подобный способ пуска может быть легко реализован с помощью набора контакторов с ручным управлением или с приводом от реле времени, поэтому достаточно дешев и распространен. Основные недостатки этого способа:

1. При отказе одного из контакторов произойдет нарушение коммутации, в результате чего либо станет невозможным пуск, либо значительно снизится мощность двигателя.
2. Снижение напряжения и тока является фиксированным.
3. Крутящий момент двигателя при включении обмоток звездой уменьшается, поэтому запуск желательно также производить без нагрузки.

ПУСК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ЧЕРЕЗ ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Наиболее гибкий способ управления не только режимом пуска, но и рабочими характеристиками асинхронного электродвигателя – это применение частотного преобразователя. По своей сути частотный преобразователь представляет собой узкоспециализированный инвертор:

• входное напряжение в нем выпрямляется;
• затем заново преобразуется в переменное, но уже с заданной частотой и амплитудой.

Это происходит благодаря работе генератора широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который создает серию прямоугольных импульсов заданной частоты и скважности (отношения длительности импульса к его периоду). Генерируемые импульсы управляют силовыми ключами, коммутирующими выпрямленное напряжение питания на обмотки выходного трансформатора.

Как осуществляется плавный пуск через частотный преобразователь?

В данном случае становится возможным плавное изменение не только напряжения, но и частоты питающего электродвигатель напряжения. Благодаря тому, что ШИМ-генератор частотного преобразователя легко может управляться с обратной связью по потребляемому току, становится возможным пусковой режим, в котором ток не превышает номинальный – таким образом перегрузка питающей сети фактически отсутствует.

Однако такой пусковой режим требует значительного усложнения частотного преобразователя, поэтому для управления асинхронными электродвигателями обычно используется комбинация с отдельным устройством плавного пуска (УПП).

© 2012-2021 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Источник