Способы пуска асинхронного двигателя по статору

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

Пуск асинхронного двигателя

Все асинхронные двигатели должны самостоятельно пускаться в ход, т. е. разгоняться от неподвижного состояния (n=0, s=l) до номинальной частоты вращения (n=n_ном, s=s_ном), преодолевая при этом момент сопротивления нагрузки. Разгон двигателя должен происходить достаточно быстро, чтобы потери, выделяемые в нем при пуске, не приводили к недопустимо большому перегреву обмоток (в зоне скольжения от 1 до s_кр по обмоткам двигателя проходят токи, существенно большие номинального). Помимо статического момента сопротивления М_с, определяемого механической характеристикой приводного механизма, при пуске двигатель преодолевает и динамический момент M_дин=Jdω/dt (где J — момент инерции ротора двигателя и самого механизма, dω/dt=a — ускорение при пуске).

При неизменном ускорении время пуска асинхронного двигателя можно определить по формуле t_п≈ω_ном/а, а в общем случае

(51)

что следует из общего уравнения движения ротора

Входящие в (51), (52) величины имеют следующие размерности: М, М_с — Н∙м; J — кг∙м2; dω/dt — 1/с2. Пуск проводится успешно, если М>М_с во время разгона, а время пуска тем меньше, чем больше разность между электромагнитным моментом двигателя М и моментом сопротивления М_с. Таким образом, чем больший момент развивает асинхронный двигатель при пуске, тем меньше время пуска, выделяемая во время пуска энергия потерь в обмотках и соответственно перегрев обмоток.

Если момент сопротивления (нагрузки) больше момента, развиваемого двигателем, то пуск асинхронного двигателя вообще оказывается невозможным.

Рассмотрение условий пуска начнем с двигателей с фазным ротором. У этих двигателей, как уже отмечалось, можно вводить в цепь ротора добавочное сопротивление. При введении в цепь ротора добавочного активного сопротивления (резистора) при номинальном (полном) напряжении сети механическая характеристика двигателя изменяется (рис. 22). Анализ формул (44), (45) показывает, что введение добавочного сопротивления R_д приводит к увеличению лишь критического скольжения s_кр при неизменном моменте. Если введением R_д добиться такого положения, что s_кр=l, то в этом случае пусковой момент будет равен максимальному, а пусковой ток снизится по сравнению с пуском при замкнутом накоротко роторе примерное 2 раза. Само добавочное сопротивление при этом равно:

Если оставить R_д=R_д3 неизменным, то пуск асинхронного двигателя закончится в точке 4 при относительно малой частоте вращения n₄. Поэтому пусковой реостат имеет несколько ступеней (R_д3, R_д2, R_д1), и переключение ступеней происходит в точках пересечения механических характеристик (точки А, В, С на рис. 22). Причем в точке С пусковой реостат закорачивается (R_д=0), и двигатель заканчивает разгон по своей собственной (естественной) характеристике, достигая частоты вращения n₁ близкой к синхронной.

При выполнении своевременного переключения ступеней пускового реостата в течение всего пуска момент двигателя остается существенно больше момента сопротивления М_с, т. е. пуск асинхронного двигателя происходит быстро и с малыми энергиями потерь в обмотках.

Рис. 22. Механические характеристики асинхронного двигателя при введении добавочного сопротивления в цепь ротора

Для двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора введение добавочного сопротивления в цепь ротора невозможно. Поэтому для пуска применяются другие способы:

• прямой пуск,
• пуск при пониженном напряжении питания.

Прямое включение асинхронного двигателя в сеть является наиболее простым способом пуска двигателя. В то же время в этом случае обмотки статора и ротора двигателя обтекаются большим пусковым током (током КЗ), равным 4—7-кратному значению номинального. Поэтому очень важно, чтобы время пуска двигателя было при этом как можно меньшим.

Из всех способов пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора при данном способе пуска создается наибольший вращающий момент. Пусковой вращающий момент двигателя определяется при этом по формуле (48). Поскольку он все же относительно невелик, данный способ пуска применяется для механизмов со средними и легкими условиями пуска (при малых моментах сопротивления и малых моментах инерции механизма).

Необходимо также иметь в виду, что большой ток, потребляемый двигателем, протекает не только по его обмоткам, но и по проводам сети и трансформатору. Из-за этого в питающей сети создается падение напряжения, которое в случае пуска мощного двигателя может оказаться весьма значительным. В результате напряжение, подводимое к двигателю в этом режиме, сильно понизится и это вызовет дополнительное снижение вращающего момента двигателя. Поэтому прямое включение при пуске мощных двигателей допустимо при наличии сети достаточно мощной по сравнению с мощностью самого двигателя. В этом случае протекание по сети и трансформатору пусковых токов двигателя не приведет к значительному падению напряжения. Мощные современные системы энергоснабжения позволяют осуществить прямой пуск асинхронных двигателей до нескольких тысяч киловатт.

Пуск асинхронного двигателя при пониженном напряжении осуществляется обычно в тех случаях, когда прямой пуск не допускается по условиям работы сети. Обычно применяют один из четырех способов пуска при пониженном напряжении:

• включение в цепь статора добавочного индуктивного сопротивления (дросселя);
• включение двигателя через понижающий автотрансформатор;
• переключение обмотки статора со звезды на треугольник;
• включение двигателя через полупроводниковый регулятор напряжения.

Рассмотрим подробнее эти способы, отметив предварительно, что все они преследуют общую цель — уменьшение пускового тока. В соответствии со схемой замещения асинхронного двигателя (см. рис. 16) ток, потребляемый двигателем из сети, прямо пропорционален питающему напряжению. Поэтому, задавая допустимую величину пускового тока (определяется условиями нормальной работы сети), можно определить допустимое значение напряжения питания при пуске (второй и четвертый способы) или величину добавочного сопротивления (первый способ).

Во всех этих случаях снижение напряжения ведет не только к пропорциональному уменьшению пускового тока (положительный эффект), но и к резкому (квадратичному) уменьшению пускового момента (отрицательный эффект). Последнее обстоятельство вынуждает при использовании пуска при пониженном напряжении разгружать приводимые механизмы вплоть до полной разгрузки последних, т. е. производить пуск в режиме XX (М_с=0), с последующей загрузкой механизма.

Схема пуска асинхронного двигателя с включением в цепь статора добавочного индуктивного сопротивления L приведена на рис. 23,а. При пуске вначале замыкается рубильник QSI и происходит пуск при пониженном напряжении. Затем при достижении высокой частоты вращения, близкой к пкр, замыкают рубильник QS2, шунтируя сопротивление дросселя и обеспечивая окончание процесса пуска по естественной механической характеристике (см. рис. 21).

Рис. 23. Схемы пуска асинхронного двигателя: а — при последовательном включении индуктивного сопротивления L; б — при включении двигателя через автотрансформатор Т

Уменьшения напряжения при пуске можно достигать включением между сетью и двигателем понижающего автотрансформатора Т (рис. 23,б). При пуске сначала замыкают рубильник QSI, и пониженное напряжение попадает на обмотки двигателя. По достижении ротором достаточной частоты вращения замыкают рубильник QS2, шунтируя автотрансформатор так, что полное напряжение сети попадает на обмотки двигателя. Применение автотрансформатора позволяет ограничивать пусковой ток в питающей сети при меньшем снижении питающего двигатель напряжения, чем в случае включений индуктивного сопротивления. Следовательно, при этом в меньшей степени понижается пусковой момент двигателя.

К способам пуска с понижением напряжения можно отнести также пуск с переключением обмоток статора со звезды на треугольник (рис. 24). В режиме пуска переключатель QS находится в положении 1, причем обмотка статора включена по схеме звезды. После того как ротор достигнет установившейся частоты вращения, переключатель необходимо перевести в положение 2, и обмотки статора будут включены по схеме треугольника.

Рис. 24. Схема пуска двигателя с переключением обмоток со звезды на треугольник

При данном способе пуска фактически снижается напряжение, подводимое к каждой фазе двигателя, поскольку при одинаковом напряжении сети фазное напряжение в схеме звезды в √3 раз меньше, чем в схеме треугольника. Пусковой ток в сети при соединении обмотки статора в звезду снижается в √3 раза по сравнению с пусковым током при соединении в треугольник. Однако пусковой момент, пропорциональный квадрату напряжения, снижается в 3 раза.

Следует отметить, что этот последний способ не универсален в отличие от двух предыдущих. Как видно из описания процесса пуска, напряжению сети должна соответствовать рабочая схема соединения обмотки статора — треугольник, что не всегда выполняется. Пусть асинхронный двигатель имеет рабочее напряжение по паспорту 220/380 В, напряжение питающей сети равно 380 В, а прямой пуск невозможен. Можно ли использовать пуск с пониженным напряжением путем переключения обмотки статора со звезды на треугольник?

Поскольку номинальное напряжение двигателя 220/380 В, это означает, что двигатель может нормально работать при напряжении сети как 220 В, так и 380 В. В первом случае обмотка статора должна соединяться в треугольник, а во втором — в звезду. Таким образом, напряжению питающей сети 380 В соответствует схема звезды, и пуск оказывается прямым (переключать обмотку в треугольник нельзя, так как в этом случае напряжение сети в 380/220 =√33 раз превысит номинальное). В данном случае, если необходимо снизить пусковой ток, следует применять способ включения дросселя или автотрансформатора.

Для целей понижения напряжения при пуске можно использовать также полупроводниковые регуляторы напряжения, применяемые для изменения частоты вращения. При пуске напряжение с помощью регулятора плавно повышается от нуля, а при разгоне двигателя можно регулировать напряжение так, чтобы ток, потребляемый из сети, оставался неизменным и равным предельно допустимому. В конце пуска при скорости, близкой к номинальной, управляемые вентили полностью открыты и двигатель работает при полном напряжении сети. В этом же случае оказывается возможным осуществить пуск при максимально возможном электромагнитном моменте.

Для приводов с наиболее тяжелыми условиями пуска (большая нагрузка и большой момент инерции) следует использовать двигатели с фазной обмоткой ротора.

Введение сопротивления в цепь ротора (рис. 25) уменьшает ток, потреблявмый двигателем из сети. Изменяется также и критическое скольжение, с ростом активного сопротивления обмотки ротора оно увеличивается. Механические характеристики двигателя при различной величине добавочного сопротивления R_д изображены на рис. 22. Остается неизменным лишь максимальный момент, развиваемый двигателем. Из рис. 22 видно, что при определенной величине R_д=R_д3≈х₁+х’₂ [см. формулу (44)] критическое скольжение будет равно единице и пусковой момент будет равен максимальному.

Рис 25. Схема асинхронного двигателя с введением резисторов в цепь ротора

Таким образом, получается, что пуск при включении сопротивлений в цепь ротора принципиально отличается от пуска при пониженном напряжении тем, что при уменьшении пускового тока происходит увеличение (а не уменьшение) пускового момента.

В процессе пуска, последовательно уменьшая по мере увеличения частоты вращения двигателя сопротивление в цепи ротора, можно добиться того, чтобы весь процесс пуска проходил при вращающем моменте, близком к максимальному. Это позволяет получить возможно меньшее время пуска двигателя.

Источник