Пуск в ход трехфазных асинхронных двигателей

4.  ПУСК В ХОД ТРЕХФАЗНЫХ

АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Основными характеристиками пуска являются величина пускового момента и величина пускового тока.

Ротор двигателя придет во вращение и достигнет номинальной частоты вращения, если развиваемый двигателем пусковой момент будет больше момента сопротивления на валу, создаваемого приводимым механизмом. При пуске ряда механизмов (шаровых мельниц, компрессоров и т. д.) требуется значительный пусковой момент, равный номинальному или превышающий его. Пусковой ток необходимо ограничить значением, не опасным для нормального режима работы сети, механической и термической прочности основных элементов  двигателя. Схема пуска должна быть по возможности простой, а число и стоимость пусковых устройств минимальными.

4.1.  Прямой  пуск

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проще по устройству и обслуживанию, дешевле и надежнее в работе, чем двигатели с фазным ротором. Поэтому большинство находящихся в эксплуатации асинхронных двигателей являются двигателями с короткозамкнутым ротором.

Наиболее простым способом пуска двигателя с короткозамкну-тым ротором является включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора. Такой способ пуска называют прямым пуском.

Двигатели обычно пускают с помощью электромагнитного выключателя К магнитного пускателя (рис. 4.1, а) и разгоняются автоматически по естест-венной механической характерис-тике 1 (рис. 4.1, б) от точки П, соответствующей начальному пусковому моменту, до точки Р (пересечения механических характеристик 1 двигателя и приводимого им механизма 2), соответствующей условию .

Ускорение при разгоне, согласно уравнению моментов

                                   (4.1)

определяется величиной динамического момента, т. е. разностью абсцисс кривых и и результирующим моментом инерции вращающихся масс двигателя и приведенного к его валу механизма, который приводится во вращение. Если в начальный момент пуска , двигатель разогнаться не сможет.

              При пуске асинхронного двигателя на холостом ходу в активном сопротивлении его вторичной цепи выделяется тепловая энергия, равная кинетической энергии приводимых во вращение маховых масс,        а при пуске под нагрузкой количество выделяемой энергии соответственно увеличивается. Выделение энергии в первичной цепи обычно несколько больше, чем во вторичной. При пуске под нагрузкой увеличиваются время разгона двигателя и температура его обмоток.

При частых пусках, а также при весьма тяжелых условиях пуска, когда маховые массы приводимых в движение механизмов велики, возникает опасность перегрева обмоток двигателя. Число пусков асинхронного двигателя в час, допустимое по условиям его нагрева, тем больше, чем меньше его мощность и маховые массы, соединенные с его валом.

Двигатели мощностью 3–10 кВт в обычных условиях допускают до 5–10 включений в час.

Пусковой ток двигателя при сравнительно небольшом (0,9–1,3 ) пусковом моменте. Объясняется это следующим. При неподвижном роторе наводимая в его обмотке ЭДС максимальна (), так как максимальна скорость изменения магнитного потока относительно неподвижных проводников обмотки ротора. Велико и значение тока в роторной обмотке:

.                                          (4.2)

Создаваемый при этом магнитный поток достаточно велик, велик и компенсирующий его магнитный поток , создаваемый реактивной составляющей тока статора , существенно превышающей активную составляющую тока, определяющую величину момента.

Пpи разгоне ротора величина ЭДС () уменьшается          при уменьшении скольжения, что приводит к уменьшению тока ротора   и прежде всего его реактивной составляющей.

Таким образом, недостатком данного способа пуска является сравнительно небольшой пусковой момент при значительном броске пускового тока. При электрических сетях сравнительно небольшой мощности такой бросок тока может вызвать значительное понижение напряжения, нежелательное для других потребителей.

Современные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проектируют с таким расчетом, чтобы они по значению возникающих электродинамических усилий, действующих на обмотки, и по условиям нагрева обмоток допускали прямой пуск.

Величину пусковых токов можно уменьшить за счет изменения конструкции роторных обмоток, включения в сеть ротора добавочных сопротивлений, снижения напряжения питающей сети. Первые два способа, уменьшая пусковые токи, сохраняют достаточно высокие значения пусковых моментов. Применение третьего способа неизбежно приводит к уменьшению пускового и критического моментов, зависящих от второй степени питающего напряжения.

4.2. Короткозамкнутые асинхронные двигатели

с повышенным пусковым моментом

Для достижения высоких значений КПД асинхронные двигатели проектируют с малыми величинами скольжения (s = 0,010,03), что возможно при малых значениях активного сопротивления роторной обмотки. Но в этом случае у двигателя невысокий пусковой момент (ниже номинального момента), что затрудняет применение прямого пуска. Возникает задача создания асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, у которых активное сопротивление обмотки ротора при пуске достаточно велико и уменьшается с возрастанием частоты вращения ротора. Эту задачу решают, используя эффект вытеснения тока        в обмотке ротора, применяя роторные обмотки специальной конструкции. Такие двигатели получили название двигателей с повышенным пусковым моментом.

Одной из раз-новидностей таких конструкций является изобретенный М. О. До-ливо-Доброволь-ским асинхронный двигатель с двухклеточным  ротором, имеющего две элект-рически связанные или несвязанные обмотки: рабочую – расположенную глубже в теле ротора, пусковую – помещенную ближе к периферии (рис. 4.2, а). Магнитная проводимость в зоне рабочей обмотки лучше, чем пусковой, а потоки рассеяния ее больше (проводимость в зоне пусковой обмотки искусственно понижают открытием паза, а поток рассеяния ее таким образом уменьшают). Пусковую обмотку выполняют из материала с большим удель-ным сопротивлением – латуни, алюминиевой бронзы и т. д., а рабочую обмотку  из меди.

В момент включения двигателя частота тока в его роторной обмотке . Обе обмотки в электрическом отношении включены параллельно, вследствие чего ток распределяется между рабочей и пусковой обмотками обратно пропорционально их полным сопротивлениям. Так как у рабочей обмотки весьма большое индуктивное сопротивление, то и ее полное сопротивление в несколько раз больше полного сопротивления пусковой обмотки, собственное индуктивное сопротивление которой чрезвычайно мало. Ток рабочей обмотки в этом случае заметно меньше тока пусковой обмотки. Вследствие большого индуктивного сопротивления рассеяния рабочей обмотки ток в ней отстает на большой угол от ЭДС, индуктированной потоком взаимоиндукции, и соответственно эта обмотка создает при пуске относительно малый пусковой момент. Наоборот, ток пусковой обмотки при пуске не только значителен по величине, но вследствие ничтожного индуктивного и большого активного сопротивления этой обмотки он почти совпадает по фазе с ЭДС взаимоиндукции, в результате чего эта обмотка создает весьма большой вращающий момент.

По мере разгона ротора уменьшается скольжение и частота  , снижается индуктивное сопротивление рабочей обмотки. По окончании процесса разгона значение скольжения становится малым и роль реактивных сопротивлений в токораспределении оказывается незначительной. Распределение токов в обмотках ротора определяется соотношением

,                                     (4.3)

и ток проходит в основном по рабочей обмотке ротора, у которой . Таким образом в двухклеточном роторе ток в начальный момент пуска вытесняется в наружную пусковую обмотку, создающую большой пусковой момент, а по окончании процесса пуска протекает по рабочей обмотке с малым активным сопротивлением, вследствие чего двигатель работает с высоким КПД. С целью упрощения технологии производства двухклеточные двигатели выполняют с электрически связанными литыми алюминиевыми обмотками. Уменьшения реактивного сопротивления пусковой обмотки такого ротора достигают за счет увеличения раскрытия паза, а повышенное значение активного сопротивления получают, уменьшая сечения пусковой обмотки.

              Другой разновидностью двигателя с повышенным пусковым моментом является глубокопазный двигатель, принцип которого также основан на явлении вытеснения тока.

              Обмотка глубокопазного ротора работает в период пуска как переменное сопротивление, автоматически уменьшающееся по мере увеличения частоты вращения ротора. На рис. 4.3, а представлена наиболее вероятная картина распределения магнитного потока рассеяния паза ротора. Из нее видно, что потокосцепление частей проводника, лежащих ближе к дну паза (участок 11), больше потокосцепления частей проводника, расположенных ближе к поверхности паза (участок 22). Соответственно в нижерасположенных волокнах наводится большая ЭДС рассеяния, в вышерасположенных – меньшая.

              Это особенно заметно при неподвижном роторе, когда частота тока в его цепи равна частоте тока в статоре. Диаграмма рис. 4.3, б показывает противодействие ЭДС рассеяния основной ЭДС , препятствующее похождению тока и вытесняющее его в верхнюю часть паза. Происходит как бы уменьшение сечения проводника и, как следствие этого, увеличение его активного сопротивления при одновременном уменьшении индуктивного (потокосцепление действующей части сечения меньше, чем всего проводника). Рост активного сопротивления снижает пусковой ток и увеличивает пусковой момент.

              По мере увеличения частоты вращения ротора частота тока в нем уменьшается, эффект вытеснения слабеет. Чем ближе к синхронной становится частота вращения ротора, тем больше выравнивается кривая 1 распределения тока по высоте паза (рис. 4.3, в) до кривой 2 в конце пуска.

              Зависимости дви-гателей с различными конструк-циями обмоток ротора приведены на рис. 4.4 (кривая 1  для двигателя с обычной короткозамкнутой обмоткой, кривая 2  для двигателя с глубокопазным ротором, кривая 3  для двигателя с двухклеточным ротором).

Наибольший пусковой мо-мент получают в двигателе с двухклеточным ротором. Кратность пускового момента для него , при кратности пускового тока . За счет большей величины потока рассеяния в роторной обмотке коэффициента мощности и КПД двигателей с повышенным пусковым моментом несколько ниже, чем двигателей нормального исполнения.

4.3              Пуск при пониженном напряжении

Если по условиям падения напряжения в сети прямой пуск двигателя с короткозамкнутым ротором невозможен, применяют различные способы пуска при пониженном напряжении. Так как момент пропорционален второй степени напряжения на зажимах обмотки статора или второй степени пускового тока понижается пусковой момент, то возникают проблемы пуска при пониженном напряжении. Способы пуска применяют для высоковольтных двигателей большой мощности при их пуске на холостом ходу или при незначительной нагрузке.

Реакторный пуск осуществляют по схеме рис. 4.5, а. С помощью ключа К1 двигатель получает питание через трехфазный реактор (реактивную или индуктивную катушку) Р. На сопротивлении реактора создается падение напряжения , вследствие чего к обмотке статора будет приложено пониженное напряжение

.                                     

По мере разгона двигателя снижается ЭДС , индуцированная   в обмотке ротора и пусковой ток. В результате этого уменьшается падение напряжения  , а напряжение, приложенное к обмотке статора двигателя, автоматически возрастает по мере разгона двигателя. Иногда в цепь статора включают активное сопротивление.

По достижении нормальной частоты вращения включается ключ К2, шунтирующий реактор, в результате чего на двигатель подается полное напряжение сети.

При реакторном пуске, для уменьшения пускового тока в раз:

,                                         

необходимо снизить напряжение тоже в раз. При этом пусковой момент

уменьшается в раз. пусковой момент при номинальном напряжении сети. Значительное снижение пускового момента является недостатком реакторного пуска.

              Автотрансформаторный пуск осуществляют подключением двигателя к сети (рис. 4.5, б) через понижающий автотрансформатор АТ в следующем порядке. Сначала включают ключи К1 и К2 и на двигатель подается пониженное напряжение. После достижения двигателем определенной частоты вращения ключ К2 отключают и двигатель получает питание через часть обмотки автотрансформатора АТ, который в этом случае работает как реактор. Затем включают ключ К3, в результате чего на обмотки статора двигателя подается напряжение сети. Пусковые автотрансформаторы рассчитывают на кратковременную работу, что позволяет уменьшить их массу и габариты, с несколькими ответвлениями на различные величины вторичного напряжения.

              Используя схему пуска рис. 4.5, б и принимая КПД автотрансформатора за единицу, получают следующее выражение:

,                                       

откуда

,                                      

где коэффициент трансформации.

              Ток в сети:

.                    

              Отсюда коэффициент трансформации, обеспечивающий заданное отношение пускового тока двигателя при номинальном напряжении      к допустимому току в сети,

.                                      

              Пусковой момент двигателя

уменьшается только в раз. Поэтому при одинаковых значения токов сети при автотрансформаторном пуске пусковой момент будет больше. Однако это преимущество автотрансформаторного пуска достигается за счет значительного усложнения и удорожания пусковой аппаратуры.

Пуск двигателей переключением «звезда  треугольник» возможен в двигателях (при выведенных всех шести концах обмотки статора), предназначенных работать по схеме соединения обмоток статора в «треугольник» и приводящих в ход механизмы с малыми пусковыми моментами.

Если на период пуска обмотку статора переключить на схему «звезда», а питающее напряжение оставить тем же, что и при схеме «треугольник», то напряжение на фазу уменьшится в . В уменьшится и фазный ток, а электромагнитный момент – в три раза, так как . В период пуска уменьшится в три раза (по сравнению со схемой «треугольник») и линейный ток. Работа двигателей в схеме «звезда» выгодна до нагрузок, не превышающих 4050 % от номинальной: КПД и коэффициент мощности заметно повышаются.

Схема пуска переключением «звезда  треугольник» приведена   на рис 4.6. В момент переключения обмотку статора на короткое время отсоединяют от сети, а затем снова присоединяют к ней.

Это приводит к появлению свободных составляющих магнитного потока, сопровождающихся значительными всплесками тока, превышающими номинальное значение. Способ широко применялся при пуске низковольтных двигателей, но при повышении мощности сетей потерял свое значение и сейчас применяется редко.

4.4              Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором

Двигатели с фазным ротором применяются значительно реже, чем двигатели с короткозамкнутым ротором. Их использование обосновано в следующих случаях:

когда двигатели с короткозамкнутым ротором неприемлемы по условиям регулирования частоты вращения;

когда статический момент сопротивления на валу при пуске велик и поэтому асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором  с пуском при пониженном напряжении неприемлем, а прямой пуск такого двигателя недопустим по условиям воздействия больших пусковых токов на сеть;

когда приводимые в движение массы настолько велики, что выделяемая во вторичной цепи двигателя тепловая энергия вызывает недопустимый нагрев короткозамкнутой обмотки ротора.

Включение в цепь фазного ротора добавочного активного сопротивления не только снижает пусковые токи, но и увеличивает пусковой момент. Первое непосредственно вытекает из уравнения пускового тока (по Г-образной схеме замещения):

,                       

второе  из параграфа 4.2: по мере увеличения активного сопротивления роторной цепи максимум кривой перемещается в сторону бόльших значений скольжения, сохраняя неизменной величину.

Схема пуска с введением в цепь ротора добавочного сопротивления (реостата) представлена на рис. 4.7, а, а диаграмма изменения тока и частоты вращения – на рис. 5.7, б. С добавочным сопротивлением ротор двигателя разгоняется под действием момента, изменяющегося по кривой 4, показанной на рис. 5.8. По мере увеличения частоты вращения вращающий момент уменьшается и может стать меньше некоторого момента . Поэтому при достижении двигателем момента , соответствующего точке а кривой 4, часть сопротивления пускового реостата выводят, замыкая контактор К3, что приводит к уве-личению тока статорной обмотки (рис. 5.7, б). Вращающий момент при этом мгновенно возрастает до , а затем при увеличении частоты вращения изменяется по характеристике 3, соответствующей сопротивлению реостата . При разгоне до точки б, соответствующей тому же моменту , выводят вторую ступень сопротивления реостата, и двигатель переходит работать на характеристику 2, соответствующую . 

Таким образом, при постепенном (ступенчатом) уменьшении пускового сопротивления пусковой момент изменяется от до , а частота вращения возрастает по ломаной кривой, показанной на рис. 4.7, б или рис. 4.8 жирными линиями. В конце пуска пусковой реостат полностью выводят контактором К1, обмотка ротора замыкается накоротко, и двигатель переходит на работу по естественной характеристике 1, разгоняясь до частоты вращения, соответствующей моменту нагрузки на валу двигателя (точка Р). Ток статорной обмотки и частота вращения достигают установившихся значений (рис. 4.7, б), соответствующих моменту  на валу двигателя. 

              Увеличение пускового момента при увеличении сопротивления роторной цепи можно показать с помощью векторной диаграммы (рис. 4.9). При ток роторной цепи велик, но отстает от ЭДС на сравнительно большой угол . Активная составляющая тока, определяющая момент, не велика и равняется . При включении сопротивления , ток и угол уменьшаются. Активная же составляющая тока и вместе с нею момент увеличиваются.

Таким образом, включив реостат в цепь ротора, можно осуществить пуск двигателя при и резко уменьшить пусковой ток.

В ряде случаев при пуске двигателей с фазным ротором в цепь ротора последовательно или параллельно включают индуктивное сопротивление (реактор). Он выполняет роль автоматического регулятора тока ротора. В начальный момент пуска, когда частота тока в роторе  , индуктивное сопротивление реактора велико и ограничивает величину пускового тока. По мере разгона ротора уменьшается его ЭДС , но одновременно уменьшаются частота и результирующее индуктивное сопротивление цепи ротора, в результате чего ток ротора уменьшается медленнее, чем при включении пускового реостата без реактора. При уменьшении индуктивного сопротивления реактора возрастает . Электромагнитный момент при этих условиях также изменяется медленнее и в начале разгона его значение может быть выше, чем без реактора.

ТЕСТ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

ТЕМА: ПУСК В ХОД ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.              НЕНАГРУЖЕННЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ ПРИ ОБРЫВЕ ОДНОЙ ФАЗЫ ПУСКОВОГО РЕОСТАТА ВО ВРЕМЯ ПУСКА

а)   пускается и достигает скорости близкой к синхронной;

б)   разгоняется примерно до половины синхронной скорости;

в)   разгоняется примерно до трети синхронной скорости;

г)   не  пускается.

(Эталон: б)

2.              СПОСОБЫ ПУСКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ:

а)   прямой;

б)   пониженным напряжением;

в)   повышенным напряжением;

г)   реакторный;

д)   автотрансформаторный;

е)   изменением схемы звезда-треугольник;

ж)   изменением схемы треугольник-звезда;

(Эталон: а, б, г, д, е)

3.              ВЫРАЖЕНИЕ, ОПРЕДЕЛЯЮЩЕЕ ПУСКОВОЙ ТОК ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПРЯМОМ ПУСКЕ:

а)   ;

б)   ;

в)   ;

г)   .

(Эталон: б)

4.              ОСНОВНОЙ НЕДОСТАТОК ПРЯМОГО ПУСКА МОЩНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ:

а)   большой пусковой ток, понижающий напряжение в сети;

б)   двигатель не запускается под нагрузкой;

в)   большой пусковой ток, большие потери мощности в обмотке статора и сильный нагрев обмотки;

г)   большой пусковой ток и значительные потери мощности в питающей сети;

д)   очень большой пусковой момент, возможно повреждение рабочего механизма.

(Эталон: а)

5.              ПУСКОВОЙ МОМЕНТ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ БУДЕТ НАИБОЛЬШИМ ПРИ _______ ПУСКЕ.

а)   автотрансформаторном;

б)   реостатном;

в)   переключении обмотки статора с Y на ∆;

г)   реакторном;

д)   прямом.

(Эталон: д)

4.              ЗНАЧЕНИЕ ПУСКОВОГО ТОКА ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПРЯМОМ ПУСКЕ:

а)   (1-2);

б)   (3-4);

в)   (4-7);

г)   (10-15);

(Эталон: в)

5.              СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПУСКОВОГО ТОКА, С СОХРАНЕНИЕМ ВЫСОКИХ ПУСКОВЫХ МОМЕНТОВ:

а)   снижение напряжения сети;

б)   включение в цепь ротора добавочных сопротивлений;

в)   изменение конструкции роторных обмоток.

(Эталон: б, в)

6.              СПОСОБ ДОСТИЖЕНИЯ ПОВЫШЕННОГО ПУСКОВОГО МОМЕНТА В АСИНХРОННОМ ДВИГАТЕЛИ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ:

а)   увеличение активного сопротивления ротора;

б)   уменьшение активного сопротивления ротора;

в)   введение добавочного сопротивления в цепь статора.

(Эталон: б)

7.              НЕДОСТАТКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОВЫШЕННЫМ ПУСКОВЫМ МОМЕНТОМ:

а)   уменьшается пусковой момент;

б)   увеличивается пусковой момент;

в)   увеличивается потребляемая мощность;

г)   увеличивается скольжение.

(Эталон: а)

8.              ПРИЧИНА ИЗГОТОВЛЕНИЯ УГЛУБЛЕННОГО ПАЗА РОТОРА КОРОТКОЗАМКНУТОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ:

а)   качественная заливка пазов алюминием;

б)   повышение пускового момента двигателя;

в)   увеличение сечения стержней ротора, чтобы уменьшить сопротивление обмотки ротора и электрические потери;

г)   увеличения сечения стержней ротора, чтобы увеличить механическую прочность обмотки ротора.

(Эталон: б)

9.              ЯВЛЕНИЕ ИЗПОЛЬЗУЕМОЕ В ДВУХКЛЕТОЧНЫХ И ГЛУБОКОПАЗНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ УЛУЧШАЮЩЕЕ ПУСКОВЫЕ СВОЙСТВА:

а)   насыщение стали;

б)   уменьшение проводимости;

в)   уменьшение частоты;

г)   вытеснение тока.

(Эталон: г)

10.              ПУСКОВАЯ ОБМОТКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ДВУХКЛЕТОЧНЫМ РОТОРОМ – ЭТО…

а) 1;

б) 2.

(Эталон: а)