Типовые схемы пуска синхронных электродвигателей

Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для электроприводов, работающих с постоянной скоростью (компрессоров, насосов и т.д.). В последнее время, вследствие появления преобразовательной полупроводниковой техники, разрабатываются регулируемые синхронные электроприводы.

Достоинства синхронных электродвигателей

Синхронный двигатель несколько сложнее, чем асинхронный, но обладает рядом преимуществ, что позволяет применять его в ряде случаев вместо асинхронного.

1. Основным достоинством синхронного электродвигателя является возможность получения оптимального режима по реактивной энергии , который осуществляется путем автоматического регулирования тока возбуждения двигателя. Синхронный двигатель может работать, не потребляя и не отдавая реактивной энергии в сеть, при коэффициенте мощности ( cos фи) равным единице.Если для предприятия необходима выработка реактивной энергии, то с и нхронный электродвигатель, работая с перевозбуждением, может отдавать ее в сеть.

2. Синхронные электродвигатели менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные электродвигатели. Их максимальный момент пропорционален напряжению сети, в то время как критический момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения.

3. Синхронные электродвигатели имеют высокую перегрузочную способность. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть автоматически увеличена за счет повышения тока возбуждения, например, при резком кратковременном повышении нагрузки на валу двигателя.

4. Скорость вращения синхронного двигателя остается неизменной при любой нагрузке на валу в пределах его перегрузочной способности.

Способы пуска синхронного электродвигателя

Возможны следующие способы пуска синхронного двигателя: асинхронный пуск на полное напряжение сети и пуск на пониженное напряжение через реактор или автотрансформатор.

Пуск синхронного двигателя осуществляется как пуск асинхронного. Собственный пусковой момент синхронной машины мал, а у неявнополюсной равен нулю. Для создания асинхронного момента ротор снабжается пусковой беличьей клеткой, стержни которой закладываются в пазы полюсной системы. (В явнополюсном двигателе стержни между полюсами, естественно, отсутствуют.) Эта же клетка способствует повышению динамической устойчивости двигателя при набросах нагрузки.

За счет асинхронного момента двигатель трогается и разгоняется. Ток возбуждения в обмотке ротора при разгоне отсутствует. Машина пускается невозбужденной, так как наличие возбужденных полюсов осложнило бы процесс разгона, создавая тормозной момент, аналогичный моменту асинхронного двигателя при динамическом торможении.

При достижении так называемой подсинхронной скорости, отличающейся от синхронной на 3 — 5%, подается ток в обмотку возбуждения и двигатель после нескольких колебаний около положения равновесия втягивается в синхронизм. Явнополюсные двигатели за счет реактивного момента при малых моментах на валу иногда втягиваются в синхронизм без подачи тока в обмотку возбуждения.

В синхронных двигателях трудно одновременно обеспечить необходимые значения пускового момента и входного момента под которым понимают асинхронный момент, развиваемый при достижении скоростью 95% синхронной. В соответствии с характером зависимости статического момента от скорости, т.е. в соответствии с типом механизма, для которого предназначен двигатель, на электромашиностроительных заводах приходится варьировать параметры пусковой клетки.

Иногда для ограничения токов при пуске мощных двигателей уменьшают напряжение на зажимах статора, включая последовательно обмотки автотрансформатора или резисторы. Следует иметь в виду, что при пуске синхронного двигателя цепь обмотки возбуждения замыкается на большое сопротивление, превышающее сопротивление самой обмотки в 5 — 10 раз.

В противном случае под действием токов, наводимых в обмотке при пуске, возникает пульсирующий магнитный поток, обратная составляющая которого, взаимодействуя с токами статора, создает тормозной момент. Этот момент достигает максимального значения при скорости, несколько превышающей половину номинальной, и под его влиянием двигатель может приостановить разгон на этой скорости. Оставлять на время пуска цепь возбуждения разорванной опасно, так как возможно повреждение изоляции обмотки индуцируемыми в ней ЭДС.

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя

Схема возбуждения синхронного двигателя с глухоподключенным возбудителем довольно проста и может применяться в том случае, если пусковые токи не вызывают падения напряжения в сети больше допустимого и статистический момент нагрузки Мс

Асинхронный пуск синхронного двигателя производится присоединением статора к сети. Двигатель разгоняется как асинхронный до скорости вращения, близкой к синхронной.

В процессе асинхронного пуска обмотка возбуждения замыкается на разрядное сопротивление, чтобы избежать пробоя обмотки возбуждения при пуске, так как при малой скорости ротора в ней могут возникнуть значительные перенапряжения. При скорости вращения, близкой к синхронной, срабатывает контактор КМ (цепь питания контактора на схеме не показана), обмотка возбуждения отключается от разрядного сопротивления и подключается к якорю возбудителя. Пуск заканчивается.

Слабым местом большинства электроприводов с синхронными двигателям, значительно усложняющим эксплуатацию и повышающим затраты, многие годы являлся электромашинный возбудитель. В настоящее время широкое распространение для возбуждения синхронных двигателей находят тиристорные возбудители . Они поставляются в комплектном виде.

Тиристорные возбудители синхронных электродвигателей более надежны и имеют более высокий к.п.д. по сравнению с электромашинными возбудителями. С их помощью легко решаются вопросы оптимального регулирования тока возбуждения для поддержания постоянства cos фи, напряжения на шинах, от которых питается синхронный двигатель, а также ограничение токов ротора и статора синхронного двигателя в аварийных режимах.

Тиристорными возбудителями комплектуется большинство выпускаемых крупных синхронных электродвигателей. Они выполняют обычно следующие функции:

• пуск синхронного двигателя с включенным в цепь обмотки возбуждения пусковым резистором,
• бесконтакное отключение пускового резистора после окончания пуска синхронного двигателя и защиту его от перегрева,
• автоматическую подачу возбуждения в нужный момент пуска синхронного электродвигателя,
• автоматическое и ручное регулирование тока возбуждения
• необходимую форсировку возбуждения при глубоких посадках напряжения на статоре и резких набросах нагрузки на валу синхронного двигателя,
• быстрое гашение поля синхронного двигателя при необходимости снижения тока возбуждения и отключениях электродвигателя,
• защиту ротора синхронного двигателя от длительной перегрузки по току и коротких замыканий.

Если пуск синхронного электродвигателя производится на пониженное напряжение, то при «легком» пуске возбуждение подается до включения обмотки статора на полное напряжение, а при «тяжелом» пуске подача возбуждения происходит при полном напряжении в цепи статора. Возможно подключение обмотки возбуждения двигателя к якорю возбудителя последовательно с разрядным сопротивлением.

Процесс подачи возбуждения синхронному двигателю автоматизируется двумя способами: в функции скорости и в функции тока.

Система возбуждения и устройство управления синхронных двигателей должны обеспечивать:

• пуск, синхронизацию и остановку двигателя (с автоматической подачей возбуждения в конце пуска);
• форсировку возбуждения кратностью не менее 1,4 при снижении напряжения сети до 0,8U н ;
• возможность компенсации двигателем реактивной мощности, потребляемой (отдаваемой) смежными электроприемниками в пределах тепловых возможностей двигателя;
• отключение двигателя при повреждениях в системе возбуждения;
• стабилизацию тока возбуждения с точностью 5% установленного значения при изменении напряжения сети от 0,8 до 1,1;
• регулирование возбуждения по отклонению напряжения статора с зоной нечувствительности 8%;
• при изменении питающего напряжения статора синхронного двигателя от 8 до 20% ток изменяется от установленного значения до 1,4 I н , увеличение тока возбуждения для обеспечения максимальной перегружаемости двигателя.

На схеме, приведенной на рисунке, подача возбуждения синхронному двигателю осуществляется с помощью электромагнитного реле постоянного тока КТ (реле времени с гильзой). Катушка реле включается на разрядное сопротивление Rразр через диод VD. При подключении обмотки статора к сети в обмотке возбуждения двигателя наводится ЭДС. По катушке реле КТ проходит выпрямленный ток, амплитуда и частота импульсов которого зависят от скольжения.

При пуске скольжение S = 1. По мере разгона двигателя оно уменьшается и интервалы между выпрямленными полуволнами тока возрастают; магнитный поток постепенно снижается по кривой Ф(t).

При скорости, близкой к синхронной, магнитный поток реле успевает достигнуть значения потока отпадания реле Фот в момент, когда через реле КТ ток не проходит. Реле теряет питание и своим контактом создает цепь питания контактора КМ (на схеме цепь питания контактора КМ не показана).

Рассмотрим контроль подачи возбуждения в функции тока с помощью реле тока. При пусковом токе срабатывает реле тока КА и размыкает свой контакт в цепи контактора КМ2.

График изменения тока и магнитного потока в реле времени КТ

При скорости, близкой к синхронной, реле КА отпадает и замыкает свой контакт в цепи контактора КМ2. Контактор КМ2 срабатывает, замыкает свой контакт в цепи возбуждения машины и шунтирует резистор Rразр.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Методы запуска синхронных электродвигателей

Конструктивное и техническое построение синхронных электродвигателей обуславливает особенности в их функционировании и использовании. Одно из основных отличий машин этого типа состоит в невозможности их запуска при подключении напрямую к питающей сети.

Синхронные двигатели, также как и асинхронные машины, относятся к электроприводам переменного тока, преобразующим электроэнергию в механическое перемещение вала. Ввиду иного принципа действия существует ряд обязательных условий для корректной работы и эксплуатации. Одним из таких требований является запуск электрооборудования.

Назначение и конструктивное исполнение

Прежде чем перейти к подробному рассмотрению процесса запуска синхронного двигателя (СД) не лишним будет кратко повторить основные аспекты теории. Что такое СД, как взаимодействуют его элементы, какие виды бывают и почему этот тип эл/приводов так называют. После этого можно рассмотреть способы пуска.

Синхронный двигатель (СД) – электрооборудование, работа которого обеспечивается электродвижущей силой, возникающей при взаимодействии магнитных полей статорного и роторного механизма. Этот принцип является основополагающим для конструирования электромоторов разных видов. Несмотря на единый подход, приводное оборудование имеет свои отличия.

Главная особенность заключается в конструкции подвижного механизма и принципе его вращения. В зависимости от требуемой мощности ротор может:

• содержать постоянные магниты и быть инициатором магнитоэлектрического возбуждения;
• представлять собой электромагниты, инициирующие электромагнитное возбуждение.

Первый вариант применяется для электромашин небольшой мощности. Постоянные магниты изготавливаются из магнитотвердых материалов, способных сохранять состояние намагниченности. Они могут иметь как встроенное, так и поверхностное расположение на роторе.

Второй вид исполнения роторного блока предполагает устройство ферромагнитного сердечника с электрообмоткой. При нахождении под напряжением такая система является источником магнитного потока, взаимодействующего с полем статора.

Определение синхронизма, то есть одинаковости, основано на равенстве частоты оборотов ротора и магнитного поля статора. В этом состоит ключевое отличие принципа действия электрооборудования, определяющее его технические возможности, особенности эксплуатации и область применения. Этот же фактор напрямую влияет на пуск синхронных двигателей.

Аспекты запуска

Принцип работы СД накладывает ряд требований, без выполнения которых не только плавный пуск, но и сам запуск синхронного эл/мотора невозможен. В СД вращающееся поле создается трехфазным током в цепях статора. При этом мощность, развиваемая на валу электродвигателя, компенсируется мощностью, поступающей из питающей сети. То есть взаимодействием тока статорного устройства с полем роторного механизма инициируется возникновение крутящего момента.

Как уже упоминалось, скорости ротора и поля статорного узла синхронны. При возникновении разницы в какой-то период времени полюса роторно-статорного механизма расположатся друг напротив друга. В результате магнитная связь нарушится, поскольку одноименные полюса будут отталкиваться. Ротор перестанет испытывать действие крутящего момента и остановится. Поэтому обеспечение одновременности вращения для синхронного двигателя является основополагающим условием его функционирования.

Но осуществление самостоятельного пуска в работу с прямым сетевым подключением невозможен. Роторный механизм по причине своей инерционности не способен быстро достичь частоты поля статора, тогда как вращение последнего устанавливается одновременно с подключением к сети электропитания. Поэтому между полюсами возбужденного роторного узла и вращающегося поля устойчивая связь, создающая вращающий момент, не возникает.

Методы включения

Исходя из того, что прямой пуск невозможен, включение в рабочий процесс синхронного двигателя осуществляется с выполнением дополнительных мероприятий. Вне зависимости от способов пуска в действие электропривода суть каждого заключается в предварительном приведении подвижной части в движение с оборотами, близкими к частоте основного поля.

При пуске поток настолько медленно перемещается относительно магнитных центров крутящегося вала, что при подключении возбуждающей электрообмотки к источнику питания между роторными полюсами и полем статора устанавливается магнитная связь. Именно она обеспечивает возникновение одинакового электромагнитного момента. Под его действием вал электромотора втягивается в синхронизм.

Существуют несколько способов пуска синхронных двигателей. Практическое применение получили три из них:

• посредством вспомогательного электрооборудования;
• асинхронный, в том числе автотрансформаторный и реакторный пуск;
• частотный пуск синхронного двигателя.

Каждая схема пуска синхронного двигателя имеет свои достоинства и недостатки относительно сложности конструктивного и технического исполнения, финансовых затрат, габаритов приводных узлов. Поэтому там, где оптимальным будет, например, реакторный пуск, более дорогостоящий частотный разумнее не применять. Какой способ станет оптимальным, зависит от множества факторов.

Пуск и остановка синхронного двигателя должны выполняться с соблюдением определенной последовательности действий и условий. Поэтому для снижения риска выхода из строя электропривода на старте предусматривается система защиты синхронного двигателя от затянувшегося включения. А на стадии остановки соблюдают следующий алгоритм:

• снижают ток возбуждения до величины равной минимальным токовым параметрам статора;
• отключают статорный узел;
• размыкают возбуждающую электроцепь.

Отклонение от этой последовательности чревато скачком токовых величин в статоре, перенапряжениям и, как следствие, нарушением целостности изоляции.

Старт при помощи вспомогательного оборудования

Пуск в ход синхронного двигателя с дополнительным приводом аналогичен процессу включения синхронного генератора на параллельную работу. Фактически запуск осуществляется с помощью вспомогательного (разгонного) электромотора. При этом вал возбужденного электродвигателя приводится во вращение, разгоняется до требуемой частоты и через синхронизирующее устройство подключается к электросети. Затем вспомогательный привод отключается.

Подобный способ пуска предусматривает использование машины значительно меньшей мощности, составляющей 5-15% от мощности СД. Применение пускового электропривода большей несущей способности, достаточной для разгона нагруженного мотора, нерационально с точки зрения громоздкости и экономичности. Поэтому этим методом осуществляется пуск эл/двигателей или без нагрузки или при ее незначительной величине.

Процесс пуска синхронного двигателя выполняется асинхронным мотором с фазным ротором с числом полюсов на два меньше, по сравнению с их количеством у СД. Это необходимо для разгона вала приводимого механизма до требуемых оборотов. Регулирование скорости асинхронной машины обеспечивают регулировочным реостатом. На практике этот способ пуска применяют только для мощных машин, т.к. такой тип привода для моторов, например, 6кв не рационален.

Асинхронный запуск

Наиболее распространенным способом пуска является метод с использованием пусковых короткозамкнутых (демпферных) электроповодников, расположенных в пазах полюсных элементов. Электрообмотки выполнены в виде латунных или металлических стержней, которые с двух сторон замыкают медными кольцами (на рисунке позиция «б»).

При пуске обмотку возбуждения (ОВ) замыкают на резистор, а цепь статора подключают к сети электропитания (поз. «а»). Вращающееся поле статорного устройства индуцирует в стержнях ЭДС, вследствие чего в них возникают токи. При их взаимодействии с магнитным потоком статора на каждый стержень действует электромагнитная сила Fэм, вызывающая вращение.

После достижения предсинхронной скорости, ОВ подключается к источнику постоянного питания. Образующийся момент разгоняет ротор электродвигателя до синхронизма. В это время в пусковой цепи больше не наводится ЭДС, поэтому асинхронный момент равен нулю. Затем демпферная КЗ-электрообмотка осуществляет лишь успокоительную функцию, ограничивая возможные колебания вала.

Процесс пуска синхронного двигателя должен производиться при замкнутой ОВ на активное электросопротивление, величина которого должна быть ориентировочно в десятикратном размере больше электросопротивления возбуждающей электроцепи. При этом замыкание ОВ накоротко в период разгона нежелательно, поскольку на роторе формируется замкнутый контур, создающий асинхронный момент. При половинной предсинхронной скорости, момент превращается в тормозящий и происходит определенное торможение синхронного двигателя. Имеет место, так называемый, «провал» в моментной величине, значительно снижающий пусковые качества СД.

Существуют и другие ограничения и особенности пуска с использованием КЗ-обмоток. Это связано с возникновением на старте большого пускового тока. В связи с этим СД подключаются к сети переменного тока только при ее соответствующей мощности, выдерживающей пяти- и семикратные превышения токовых нагрузок относительно номинальных значений эл/мотора. При недостаточной мощности электросети для ограничения скачков тока включение в работу осуществляется с помощью пониженного напряжения. Такие способы пуска носят название автотрансформаторный или реакторный пуск.

Реакторы и автотрансформаторы обеспечивают принудительное снижение быстроты нарастания тока и его величины в рабочих обмотках. Реакторный пуск предусматривает установку реакторов в каждую цепь питания фазной электроцепи СД. В связи с этим токовые значения не вырастают скачкообразно и включение получается более плавным, чем прямой пуск. При разгоне электрооборудования до предсинхронных оборотов выключатель К1 выводит индуктивный компонент из электроцепи и эл/привод работает в штатном режиме.

Частотное включение

Частотный пуск синхронного двигателя выполняется посредством пониженного напряжения с небольшой токовой частотой. Это возможно при наличии источника питания, способного регулировать частоту под требуемые параметры. В этом случае скорость магнитного потока также будет невелика, и полюса роторного узла будут вращаться вместе с ним.

По мере того, как скорости становятся одинаковыми, стартовую частоту питающего тока постепенно увеличивают, разгоняя ротор до номинального значения. Такой способ пуска считается мягким, обеспечивающим плавный пуск. Его недостатком является необходимость в источнике питания регулируемой частоты и напряжения.

Современный частотный пуск синхронного двигателя реализуется на базе схем на полупроводниковых элементах – тиристорных преобразователях. Они снижают характер изменения напряжения, практически не меняя действующее значение. Такой способ пуска в системах автоматики обеспечивает сокращение времени на разгон, что положительно отражается на производительности автоматизированных систем, но в то же время требует более сложной схемы включения.

Защита электродвигателя на старте

Система защиты синхронного двигателя от затянувшегося включения предназначена для снижения негативного влияния чрезмерно высокого момента, возникающего, когда СД запускается. Причина возникновения больших моментных величин состоит в недостаточном возбуждении или его отсутствии в эл/двигателе во время старта. Схема защиты предусматривает применение:

• реле нулевого тока, осуществляющего контролирование токовой нагрузки при возбуждении;
• реле времени, отсчитывающего длительность нормального старта.

Система защиты синхронного двигателя от затянувшегося включения срабатывает, когда величина тока возбуждения в эл/моторе не достигла достаточного уровня за время, соответствующее нормальному старту. В этом случае защитная система от затянувшегося пуска прерывает процесс включения, отключая питание статора. Подобная схема защиты относится к категории специальных функций электроприводов, одновременно с защитой от обрыва электрообмотки, превышения скорости, перенапряжения и др.

Источник