Пуск асинхронных двигателей

Пуск асинхронных двигателей

Пуск двигателя начинается при скольжении s = 1, при этом ЭДС E_2s = sE₂ максимальна, а сопротивление R_2Σ/s минимально. Поэтому пуск сопровождается резким скачком токов ротора и статора. Важным показателем является длительность пуска, зависящая от степени превышения вращающего момента над моментом сопротивления. Необходимым условием пуска является М_п > М_С в начальный момент.

Прямой пуск состоит в непосредственном подключении обмоток статора к сети и осуществляется с помощью полупроводникового или магнитного пускателя. Его применяют для АД с короткозамкнутым ротором. Кратность пускового тока I_п/I_ном высока и составляет 5¸7, однако из-за относительно быстрого пуска обмотки не успевают перегреться. Недостатком прямого пуска является то, что пусковой момент М_п относительно низок и не всегда возможен пуск АД под нагрузкой. Другой недостаток – большой бросок пускового тока вызывает снижение напряжения сети (при малой ее мощности). Поэтому мощность АД при прямом пуске ограничивается мощностью распределительной сети и обычно не превышает 50 кВт.

Пуск при пониженном напряжениистатора применяют для мощных АД с короткозамкнутым ротором, а также для АД средней мощности в маломощных сетях. Понижение напряжения на статоре может достигаться следующими способами: а) включением в цепь статора на время пуска добавочных сопротивлений Z_д (рис. 28.1, а), например катушек индуктивности

(реакторов) или реостатов (что хуже из-за дополнительных потерь);

Рис. 28.1. Включение в цепь статора Zд (а); пере­ключение обмоток по схеме – (б)

б) переключением на время пуска статорных обмоток с рабочей схемы на пусковую схему (рис. 28.1, б); в) подключением двигателя к сети через понижающий трансформатор (но это дороже).

Пуск включением в цепь статора добавочных сопротивлений осуществляется следующим образом (рис. 28.1, а). Перед пуском контакты выключателя QF1 (пускателя) размыкают, затем подключают АД к сети. После разгона АД контакты QF1 замыкают. При пуске часть напряжения сети падает на сопротивлениях Z_д, что снижает напряжение и ток статорных обмоток.

Пуск переключением обмоток по схеме – (рис. 28.2, б) начинается по искусственной характеристике . При достижении точки а₁ статорные обмотки переключаются в рабочее положение (переключатель QF1 на рис. 3.26, б переводится в верхнее положение). Это соответствует горизонтальному скачку из а₁ в точку а₂, далее изображающая точка движется по естественной характеристике в точке а₃. Этот способ дает снижение напряжения и тока статорных обмоток в раз и линейного тока в 3 раза. Пусковой момент снижается в 3 раза (момент пропорционален квадрату U_1ф), критическое скольжение сохраняется (рис. 28.2).

Недостатком способов пуска при пониженном напряжении является снижение пускового и максимального моментов, которые пропорциональны квадрату фазного напряжения. Поэтому эти способы применяют при малом пусковом моменте нагрузки М_С на валу.

Рис.28.2. Механичес­кие характеристики для схем включения обмо- ток и

Пуск двигателей с фазным ротором осуществляют с введенным в цепь ротора пусковым сопротивлением R_п (R_д на рис. 3.18). По мере разгона АД R_д уменьшают. На рис. 3.28, а R_д уменьшают ступенчато последовательным замыканием контактов K1, K2, K3, а схема на рис. 3.28, б позволяет плавно изменять среднее значение R_д.ср = R_д ,

где t_вкл – время включенного состояния тиристора VS1; Т_К – период коммутации.

На рис.28.3, б БУ – блок управления тиристором; L – индуктивность, сглаживающая выпрямленный ток ротора. На рис. 3.29 приведено семейство трех искусственных (И₃, И₂, И₁) и естественной Е механических характеристик.

Рис.28.4. Семейство меха­нических характеристик при пуске АД с фазным ротором

Увеличение R_д (R_2Σ = R₂ + R_д) приводит к росту критического скольжения s_К, сохраняя неизменным максимальный момент М_max. Например, при подключении к ротору ступени R_I (рис.28.3, а) реостата R_д (контакты K3 разомкнуты, а K2 – замкнуты), получим искусственную характеристику И₁. Дополнительное подключение ступеней R_II и R_III дает характеристики И₂, И₃ (рис.28.4). Пуск АД начинается с введения в цепь ротора всех трех ступеней R_д (контакты K1, K2, K3 разомкнуты), что соответствует пусковой точке П на характеристике И₃.

Характеристику И₃ с пусковым моментом М_п = М_max получим при полном сопротивлении пускового реостата R_д = R_I + + R_II + R_III:

R_п = R_д = ,

где s_К – критическое скольжение характеристики Е.

Введение R_д при пуске обеспечивает снижение пускового тока и одновременно получение максимального пускового момента. Рост М объясняется тем, что убывание тока компенсируется возрастанием cosφ₂ (М = С_МФ_mI₂cosφ₂).

При пуске рабочая точка движется из точки П по характеристике И₃ влево вверх, что снижает момент М. Чтобы не допустить падения М ниже заданной величины М_min, при переходе рабочей точки в точку 1 нужно замкнуть контакты K1 пускового реостата, т. е. вывести R_III. Скачкообразное уменьшение пускового сопротивления R = R_I + R_II вызывает скачок токов и момента М, т. е. мгновенный горизонтальный переход рабочей точки из точки 1 в точку 2 характеристики И₂. Точка 2 должна быть точкой максимального момента М_max, что обеспечивается правильным расчетом сопротивлений ступеней. Для любой искусственной характеристики справедливо

где R_дi – полное добавочное сопротивление; s_Кi – критическое скольжение, соответствующее R_дi.

Аналогично выводятся R_I, R_II. Рабочая точка при пуске движется по траектории П–1–2–3–4–5–6 (рис. 3.29) и останавливается в точке 7. Данный способ позволяет осуществить пуск с максимальным пусковым моментом, что важно для тяжелых условий пуска.

Пуск двигателей с повышенным пусковым моментом. К таким двигателям относятся двигатели с двойной «беличьей клеткой» и двигатели с глубоким пазом ротора. Увеличение пускового момента этих АД вызывается вытеснением тока в наружную зону ротора в период пуска, что эквивалентно увеличению активного сопротивления ротора.

В заключение следует добавить, что с развитием полупроводниковой техники можно найти промышленные полупроводниковые устройства, которые позволяют осуществлять плавный пуск с ограничение пусковых токов в зависимости от возможностей питающей сети.

Начальный пусковой ток и начальный пусковой момент

Расчет пускового момента

Пусковой момент, который зависит от номинального усилия на валу и кратности пускового момента, можно вычислить по формуле:

Мпуск=Мн*Кпуск.,

• Мн – номинальное усилие на валу электродвигателя;
• Кпуск.– кратность пусков, паспортная величина, которая принимает значения от 1,5 до 6.

На практике применяют другую формулу:

Мпуск=9,55*Р2* 1000/F1,

Необходимые данные указываются на шильдике двигателя или в паспорте, где F1 – номинальные обороты.

Р2 равна номинальной мощности в кВт, является расчетной величиной.

Для того, чтобы узнать значение Р2, следует воспользоваться формулой, в которой учитываются пусковой ток, напряжение сети, скольжение. Эти данные можно узнать в паспорте, справочнике или на сайте завода-изготовителя.

Р2=(1,732*U*Iпуск)/S1*1000.

Вращающий момент асинхронного двигателя

На ротор и полюсы статора действуют электромагнитные вращающие моменты, одинаковые по величине и направленные в противоположные стороны. Мощность, необходимая для вращения статорных полюсов с синхронной частотой,

где — угловая скорость.

Механическая мощность, развиваемая ротором,

где — угловая скорость ротора.

где РЭ2 — электрические потери в роторной обмотке; m2 — число фаз обмотки ротора; R2 — активное сопротивление обмотки ротора; I2 — ток ротора. откуда

Вращающий момент, с учетом (6),

где , КТ — коэффициент трансформации двигателя с заторможенным ротором.

где U1 — напряжение сети.

На рис. 5 изображена зависимость электромагнитного момента от скольжения в виде сплошной линии.

Пусть исполнительный механизм, приводимый во вращение данным двигателем, создает противодействующий тормозной момент М2. На рис.5 имеются две точки, для которых справедливо равенство
Мэм = М2
; это точки
а
и
в
. В точке
а
двигатель работает устойчиво. Если двигатель под влиянием какой-либо причины уменьшит частоту вращения, то скольжение его возрастет, вместе с ним возрастет вращающий момент. Благодаря этому частота вращения двигателя повысится, и вновь восстановится равновесие
Мэм = М2
;. В точке
в
работа двигателя не может быть устойчива: случайное отклонение частоты вращения приведет либо к остановке двигателя, либо к переходу его в точку
а
. Следовательно, вся восходящая ветвь характеристики является областью устойчивой работы двигателя, а вся нисходящая часть — областью неустойчивой работы. Точка
б
, соответствующая максимальному моменту, разделяет области устойчивой и неустойчивой работы. Максимальному значению вращающего момента соответствует критическое скольжение
Sk
. Скольжению
S = 1
соответствует пусковой момент. Если величина противодействующего тормозного момента
М2
больше пускового МП, двигатель при включении не запустится, останется неподвижным. Максимальный момент найдем следующим образом. Сначала определим значение критического скольжения, при котором функция
Мэм
будет максимальной. Для этого первую производную функции по скольжению
S
от выражения (8) приравняем нулю. откуда

Подставив значение критического скольжения в формулу (8), получим

Из формул (8), (9), (10) видно:

1. величина максимального вращающего момента не зависит от активного сопротивления цепи ротора;
2. с увеличением активного сопротивления цепи ротора максимальный вращающий момент, не изменяясь по величине, смещается в область больших скольжений (см. кривая 1 рис. 12,5);
3. вращающий момент пропорционален квадрату напряжения сети.

Механической характеристикой асинхронного двигателя называется зависимость частоты вращения двигателя от момента на валу n2 = f (M2). Механическую характеристику получают при условии U1 — const, f1 — const. Механическая характеристика двигателя является зависимостью вращающего момента от скольжения, построенной в другом масштабе. На рис. 6 изображена типичная механическая характеристика асинхронного двигателя.

Результирующий, или основной, магнитный поток в воздушном зазоре машины в пусковом режиме, а также ЭДС в статоре и роторе Е1 и Е2 значительно уменьшаются. Это приводит к уменьшению пускового момента двигателя и к резкому возрастанию пускового тока.
к оглавлению

Методы увеличения Мпуск

Из формулы видно, от чего зависит пусковой момент асинхронного двигателя и как увеличить его, изменяя параметры. Он зависит от мощности трехфазного двигателя и величины скольжения.

Мощность определяется по формуле, корень из 3 умноженный на напряжение и ток. Скольжение изменяет свое значение в зависимости от оборотов вала механизма. При оборотах двигателя равных нулю, скольжение принимает значение равное 1.

При разгоне электродвигателя оно уменьшается и стремится к нулю при достижении номинальных оборотов ротора. Для того чтобы увеличить пусковой момент, достаточно увеличить пусковой ток или питающее напряжение. Величину скольжения изменить нельзя.

Для примера приведем расчет пускового момента, используя паспортные данные некоторых двигателей. Результат сведен в нижеприведенную таблицу:

При этом следует помнить, что использование электродвигателя в механизмах с пусковым моментом, превышающим усилие двигателя на валу – недопустимо. В этом случае электродвигатель не сможет преодолеть потери в двигателе и тормозной момент механизма. Он просто выйдет из строя. Т.е. усилие электродвигателя недостаточно для нормальной работы устройства.

Что такое крутящий момент электродвигателя

Одним из важных параметров электродвигателя, который так же важен при его выборе, является крутящий момент. Эта величина определяется произведением приложенной к плечу рычага силы и зависит исключительно от степени нагрузки. Если в двигателях внутреннего сгорания данную нагрузку задаётся коленчатым валом, то асинхронные электродвигатели получают величину крутящего момента от токов возбуждения. При этом величина этого момента будет зависеть от скорости вращающегося в магнитном поле статора устройства, называемого ротор. В зависимости от периода и способа определения, крутящий момент разделяют на:

• статический (пусковой) – минимальный момент холостого хода;
• промежуточный – развивает значение при работе двигателя от 0 величины оборотов до максимального значения в номинальной величине напряжения;
• максимальный – развивающийся при эксплуатации двигателя;
• номинальный – соответствует номинальным значениям мощности и оборотов.

Для вычисления величины крутящего момента, определяющегося в «кгм» (килограмм на метр) или «Нм» (ньютон на метр), многие электротехнические пособия предлагают специальные формулы, учитывающие кроме основного действия вращающегося магнитного поля ряд всевозможных факторов, например:

• напряжения сети;
• величину индуктивного и активного сопротивления;
• зависимость от увеличения скольжения.

Но, рост скольжения не всегда приносит высокий момент. Зачастую, при достижении критических значений, наблюдается его резкое снижение. Такое явление обозначается как опрокидывающий момент. Одним из устройств, стабилизирующих скорость вращения ротора, а значит и величину момента кручения является частотный преобразователь, применение которого сейчас очень распространено во всех сферах, где от контроля работы двигателя зависит и успешность выполнения множественных производственных задач.

Выбираем электродвигатель по крутящему моменту

Для выбора, требуемого к выполнению тех или иных задач электродвигателя, берут в учёт практически все его характеристики, начиная от показателей мощности и заканчивая массогабаритными параметрами. Каждый из элементов по-своему важен в решении нюансов. Не меньшее значение припадает и на крутящий момент. Благодаря тому, что момент кручения напрямую связан с оборотами в соотношении: чем больше сами обороты, тем меньше будет момент, выбор электродвигателя будет исходить из следующих нюансов:

• из скоростных требований. В этом случае, более полезным будет выбор двигателя по малому моменту для работающих со слабыми усилиями и на большой скорости, и со средними либо высокими показателями моментов пуска для работающих в усиленных режимах. На малых скоростях;
• по пусковым напряжениям. Здесь учитывается первичное усилие, например, для управления лифтом следует подбирать двигатели высокого пускового момента, способного поднимать большие грузы со старта. Хотя, многие статьи про электродвигатели рекомендуют так же применять устройства плавного пуска, умеющие обезопасить от нежелательных перегрузов.

Стоит помнить, что выбор осуществляется не по одному из показателей, даже при ориентировании относительно крутящего момента, ведь каждый из показателей ориентируется по рабочей предрасположенности электротехнического приводного устройства и его рабочих нагрузок в статистических и динамических эксплуатационных условиях, задаваемых самим предприятием.

Остались вопросы? Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы: 8-800-700-11-54

Схемы включения асинхронного двигателя

Для уменьшения воздействия пусковых токов применяются различные схемы включения. Это зависит от механизма и мощности электродвигателя.

Типовое включение двигателя осуществляется напрямую. Напряжение на обмотки подается через магнитный пускатель.

Во время пуска в сети возникает бросок тока, который превышает номинальный в 5-7 раз. Длительность зависит от мощности электродвигателя и нагрузки на валу. Чем мощнее устройство, тем длительнее период разгона.

В результате возникает понижение напряжения в сети, что отрицательно сказывается на аппаратуре, подключенной к этой цепи. Маломощные не оказывают существенного влияния на сети.

На графике снизу представлена зависимость тока от времени разгона электродвигателя:

При запуске мощного электропривода 10 и более кВт следует ограничивать пусковой ток. Это необходимо, чтобы сети не испытывали значительные перегрузки, в результате, которой происходит понижение напряжения сети, что приводит к нештатной ситуации.

Для этого применяются схемы переключения с треугольника на звезду, используются токоограничивающие устройства или частотные преобразователи.

Что такое пусковой момент в асинхронном двигателе

Из курса электротехники известно, что при пуске асинхрон­ные электродвигатели потребляют из питающей сети значитель­ные пусковые токи. Действительно, в момент пуска скольжение асинхронного электродвигателя s=1, в номинальном же режиме оно не превышает 0,05. Это означает, что в момент пуска вращающееся магнитное поле статора в 20 раз чаще пересека­ет обмотку ротора.

Однако пусковой ток в статорной и роторной обмотках обыч­но не превышает номинальный ток более чем в 7—8 раз, так как в момент пуска индуктивное сопротивление роторной цепи резко повышается за счет увеличения частоты тока. Известно, что индуктивное сопротивление любой цепи может быть опре­делено но следующему выражению:

где L—индуктивность цепи.

В момент пуска частота тока в обмотке ротора при принятых выше условиях (s _пуск = 1; s _ном = 0,05) в 20 раз выше, чем в но­минальном режиме. Поэтому полное сопротивление роторной цепи Z = ?R 2 + x _L 2 при пуске намного выше, по сравнению с номи­нальным режимом. Этим и объясняется тот факт, что ток в мо­мент пуска не в 20 раз превышает свое номинальное значение, а лишь в 7—8.

Для самого электродвигателя повышенные пусковые токи большой опасности не представляют, так как протекают они в течение сравнительно короткого промежутка времени и пере­греть обмотки не успевают. Однако .повышенные пусковые токи приводят к большим провалам напряжения в питающей сети, что крайне неблагоприятно сказывается на работе других потре­бителей. Это заставляет применять ряд специальных мер, огра­ничивающих пусковые токи асинхронных электродвигателей.

Следует иметь в виду, что асинхронные электродвигатели, имея большой -пусковой ток, обладают сравнительно неболь­шим пусковым моментом, так как в момент пуска коэффициент мощности роторной щеп и очень низок. Вращающий же момент, развиваемый асинхронным электродвигателем, согласно выра­жению (96), пропорционален не только току ротора, но и коэф­фициенту мощности роторной «цепи.

Поэтому искусственные схемы пуска асинхронных электро­двигателей, рассматриваемые ниже, часто имеют своей целью не только снижение пусковых токов, но и повышение пусковых моментов.

Пуск электродвигателей с фазным ротором . Асинхронные электродвигатели с фазным ротором, т. е. с ротором, имеющим контактные кольца, пускаются в ос од при помощи пускового реостата, включенного в цепь ротора ( см. рис. 40, а ). Введение реостата уменьшает пусковой ток и позволяет получить, , требуемый пусковой момент вплоть до M _крит . Выражение (93) показывает, что величина скольже­ния s _крит , при которой имеет место максимальный момент, за­висит от активного сопротивления фазы ротора. Следователь­но, подобрав соответственную величину этого сопротивления, можно получить момент, близкий по величине к М _крит (см. рис. 43 и 44).

Расчет пускового реостата удобно производить графо-аналитическим способом, имеющим много общего с .ранее рассмот­ренными способами для электродвигателей постоянного тока.

Чтобы рассчитать пусковой реостат, необходимо знать но­минальные данные электродвигателя и иметь его естествен­ную механическую характеристику п = f(М): Последняя мо­жет быть легко построена, как известно, по двум точкам — по синхронной скорости при нулевом моменте и по номинальной скорости при номинальном (моменте. Имея эти данные, можно производить расчет пускового реостата по следующей методике.

1. Выбираются пределы изменения вращающего момента при пуске М _{m ах} и М _min и откладываются на пусковой диаграм­ме (рис. 47). При выборе моментов следует руководствоваться тем, что максимальный момент при пуске должен быть несколь­ко меньше опрокидывающего момента, а минимальный мо­мент— несколько выше момента статического сопротивления М _с , причем, чем меньше выбрана разность (М _{m ах} —М _min ), тем больше ступеней будет иметь пусковой реостат и тем плавнее и быстрее будет происходить пуск электродвигателя.

2. Пуск электродвигателя должен начинаться с точки 1, так как при трогании с места электродвигатель, по при­нятому выше условию, должен развивать момент М _{m ах} при n = 0. Следовательно, первая пусковая характеристика а, соот­ветствующая полностью включенному пусковому реостату, должна проходить через точки п и 1. Скорость электродвигате­ля будет возрастать, так как М _{m ах} > M _c , т. е. имеется избыточ­ный момент, сообщающий механизму ускорение. С увеличени­ем скорости вращающий момент будет уменьшаться, и при до­стижении им значения М _min (точка 2 ) должна быть отключе­на первая ступень пускового реостата.

3. При отключении первой ступени происходит переход электродвигателя на работу с характеристики а на характери­стику b, соответствующую включенному пусковому реостату без первой ступени. За время отключения первой ступени скорость электродвигателя практически не успевает измениться, поэтому можно считать, что переход с одной характеристики на другую происходит по горизонтальной прямой 2—3 и характе­ристика b проходит через точки п и 3.

4. Дальнейший разгон электродвигателя происходит уже по характеристике b до тех пор, пока вращающий момент снова не снизится до значения М _min . При этом должна быть отключена вторая ступень реостата и электродвигатель перейдет на работу по характеристике с. Переход происходит по горизон­тальной прямой 4—5, а характеристика с проходит через точ­ки n и 5.

5. Когда при работе на характеристике с момент опять снизится до значения M _min , отключается третья последняя сту­пень пускового реостата и электродвигатель переходит на рабо­ту по естественной характеристике d. На этой характеристике разгон электродвигателя продолжается до тех пор, пока его вращающий момент не станет равным моменту статического сопротивления. После этого разгон прекратится и электродвига­тель будет работать с установившейся скоростью.

Следует заметить, что в рассмотренном случае число сту­пеней пускового реостата заранее выбрано. Поэтому моменты М _{m ах} и М _min должны быть выбраны так, чтобы при отключении третьей ступени электродвигатель переходил на естественную характеристику d. Если этого не происходит, необходимо не­сколько изменить значения моментов M _mах и М _min и повторить построение. В том случае, когда число ступеней не ограничи­вается, построение ведется до тех пор, пока не происходит переход на естественную характеристику. Число ступеней реостата определяется в этом случае по пусковой диаг­рамме.

6. Пользуясь пусковой диаграммой (см. рис. 47), нетрудно определить сопротивление как всего реостата, так и отдельных его ступеней. Нетрудно доказать, что отрезок 7 —9 представля­ет в масштабе сопротивлений активное сопротивление фазы об­мотки ротора, а отрезок 1— 7 в том же масштабе — полное ак­тивное сопротивление фазы пускового реостата. Отрезки 1—3, 3—5 и 5—7 представляют соответственно величины активных сопротивлений первой, второй и третьей ступеней пускового ре­остата.

Масштаб сопротивлений может быть определен по выра­жению

где 7—9 — отрезок на диаграмме в единицах длины;

R ₂ — активное сопротивление одной фазы ротора, кото­рое может быть взято из паспортных данных элект­родвигателя или определено путем измерения или приближенного расчета по формуле

где s —номинальное скольжение;

I ₂ —номинальный ток в фазе .ротора;

М—номинальный вращающий момент.

Рассмотренный способ пуска в ход асинхронных электро­двигателей с фазным ротором отличается простотой, надежно­стью. Он позволяет снизить величину .пускового тока и повы­сить, при необходимости, пусковой момент вплоть до опрокиды­вающего момента. Недостатком данного способа следует счи­тать значительные потери энергии в пусковых реостатах, а также большие габариты последних при большом числе ступеней. Чтобы избежать применения слишком громоздких пусковых ре­остатов, в крановых схемах часто применяют реостаты с так на­зываемой несимметричной схемой, когда сопротивление выво­дится не одновременно из трех фаз роторной цепи, а постепенно.

В начальный момент пуска в роторную цепь электродвига­теля введено все сопротивление. Затем постепенно, по мере разгона электродвигателя, с помощью барабанного или кулач­кового контроллера выводится первая ступень сопротивления из цепи первой фазы, потом второй, затем третьей; при следу­ющем положении контроллера выводится вторая ступень со­противления из цепи первой фазы и так до тех пор, пока при последнем положении контроллера не будет выведено все сопротивление и замкнута накоротко цепь ротора.

Такой способ пуска создает некоторую асимметрию токов роторной цепи, что, однако, опасности для электродвигателя не представляет и позволяет в то же время несколько умень­шить габариты пусковых реостатов и контроллеров.

Пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

Пуск мощных асинхронных электродвигателей с короткозамк­нутым ротором связан с рядом трудностей, так как ограничение пусковых токов введением дополнительных сопротивлений в. цепь ротора применить в данном случае невозможно. Как пра­вило, в подъемно-транспортных машинах находят применение электродвигатели с короткозамкнутым ротором сравнительно небольшой мощности, вследствие чего необходимости в ограни­чении пусковых токов обычно не возникает.

При питании асинхронного электродвигателя с короткозамк­нутым ротором от мощности сети пуск в большинстве случаев производится путем подключения обмотки статора к полному напряжению питающей сети, как показано на рис. 48, а.

Если мощность электродвигателя соизмерима с мощностью сети, пусковые токи вызывают недопустимо большие падения напряжения, что ухудшает условия работы других потребите­лей, питающихся от той же сети; в этом случае необходимо принимать меры, ограничивающие пусковые токи.

При пуске непосредственным включением на полное на­пряжение обмотка статора подключается к сети простым вклю­чением соответствующего аппарата — рубильника, контактора, магнитного пускателя и т. п. При этом имеет место толчок пу­скового тока, который в 7—8 раз превышает номинальный ток электродвигателя. Нужно иметь в виду, что толчок тока в мо­мент пуска зависит не от нагрузки, а от величины сопротивле­ния обмоток электродвигателя и напряжения сети. В связи с этим, если возникает необходимость в снижении пусковых то­ков, к электродвигателю в момент пуска подводят пониженное напряжение.

Снижение напряжения, подводимого к статорной обмотке, может быть осуществлено:

а) переключением обмотки статора со звезды на треугольник;

б) при помощи активного сопротивления, включаемого в цепь статора;

в) применением автотрансформатора.

Общим для всех указанных способов является снижение пускового тока электродвигателя при одновременном уменьше­нии его пускового момента, который, как известно, пропорционален квадрату напряжения. Это означает, что рассматрива­емый способ пуска применим лишь при небольших моментах сопротивления.

Пуск переключением статорной обмотки со звезды на треу­гольник применяется наиболее часто для асинхронных электро­двигателей с короткозамкнутым ротором, у которых при нор­мальной работе обмотка статора соединена треугольником. Принцип работы схемы (рис. 48, б) состоит в том, что в началь­ный период пуска обмотка статора включается звездой и присоединяется к сети. Когда же электродвигатель разовьет не­которую скорость, обмотку переключают на треугольник. Оче­видно, что величина пускового тока при соединении звездой в ?3 раз меньше, чем при соединении треугольником, так как величина напряжения, подводимого к каждой фазе электродви­гателя, в первом случае в ?3 раз меньше по сравнению со вто­рым случаем. Правда, пусковой момент будет в три раза мень­ше. Как показано на рис. 48, б, для осуществления пуска элек­тродвигателя данным способом никакой сложной аппаратуры не требуется. Пуск электродвигателя осуществляется обычным трехполюсным переключателем Р.

Сравнительно редко используется малоэкономичный способ пуска при помощи активного сопротивления, включаемого в цепь обмотки статора. Этот способ пуска применяют лишь в тех случаях, когда обмотка статора электродвигателя при нор­мальной работе должна быть включена звездой. При пуске вначале замыкается рубильник Р ₁ (рис. 48, в). При этом статорная обмотка подключается к сети через реостат R. Когда электродвигатель разовьет некоторое число оборотов, замыка­ется рубильник Р ₂ и реостат шунтируется.

Довольно редко также применяется пуск асинхронных элек­тродвигателей с помощью автотрансформатора. В этом случае в первый период пуска шестиполюсный переключатель П (рис. 48, г) ставится в положение 1 и к зажимам статора через автотрансформатор Т подводится пониженное напряжение. Ког­да электродвигатель разгонится, переключатель ставится в поло­жение 2 и статор оказывается под полным напряжением сети.

Общим недостатком всех рассмотренных способов пуска асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от пониженного напряжения является значительное снижение пускового момента.

Чтобы ограничить пусковой ток без одновременного сниже­ния пускового момента, необходимо на время пуска увеличить сопротивление обмотки ротора. Для этого, на роторе помещают не одну, а две короткозамкнутые об­мотки (двухклеточные электродвигатели) или выполняют ро­торы с так называемым глубоким пазом.

Двухклеточные асинхронные электродвигатели и электро­двигатели с глубоким пазом обладают большим пусковым мо­ментом и меньшей кратностью пускового тока, чем короткозамкнутые электродвигатели обычного исполнения, од­нако стоимость первых значительно выше и применяют их срав­нительно редко.

Способы запуска трехфазных асинхронных двигателей

Доброго времени суток, уважаемые читатели блога nasos-pump.ru

В рубрике «Общее» рассмотрим способы запуска трехфазных асинхронных двигателей с коротко замкнутым ротором. В настоящее время используются различные способы запуска асинхронных двигателей. При запуске двигателя должны удовлетворяться основные требования. Запуск должен происходить без применения сложных пусковых устройств. Пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи как можно меньше. Современные электродвигатели являются энерго-эффективными двигателями и имеют более высокие пусковые токи, что заставляет уделять большее внимание их способам запуска. При подаче на двигатель напряжения питания возникает скачок тока, который называют пусковым током.

Пусковой ток обычно превышает номинальный в 5 – 7 раз, но действие его кратковременное. После того как двигатель вышел на номинальные обороты, ток падает до минимального. В соответствии с местными нормами и правилами, для снижения пусковых токов, и используются разные способы запуска асинхронных двигателей с коротко замкнутым ротором. Вместе с этим необходимо уделять внимание и стабилизации напряжения сетевого питания. Говоря о способах запуска, которые уменьшают пусковой ток, следует отметить, что период запуска не должен быть слишком долгим. Слишком продолжительные периоды запуска могут вызвать перегрев обмоток.

Прямой запуск

Самый простой и наиболее часто применяемый способ запуска асинхронных двигателей – это прямой пуск. Прямой пуск означает, что электродвигатель запускается прямым подключением к сетевому напряжению питания. Прямой пуск применяется при стабильном питании двигателя, жестко связанного с приводом, например насоса. На (Рис.1) приведена схема прямого пуска асинхронного двигателя.

Подключение двигателя в электрическую сеть происходит при помощи контактора (пускателя). Реле перегрузки необходимо для защиты двигателя в процессе эксплуатации от перегрузки по току. Двигатели малой и средней мощности обычно проектируют так, чтобы при прямом подключении обмоток статора к сетевому питанию пусковые токи, возникающие при запуске, не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры на двигатель, с точки зрения механической и термической прочности. Переходной процесс в момент запуска характеризуется очень быстрым затуханием свободного тока, что позволяет пренебречь этим током и учитывать только установившееся значение тока переходного процесса. На графике (Рис. 1) приведена характеристика пускового тока при прямом запуске асинхронного двигателя с коротко замкнутым ротором.

Прямой запуск от сети питания является самым простым, дешёвым и наиболее часто применяемым способом запуска. При таком запуске происходит наименьшее повышение температуры в обмотках электродвигателя во время включения по сравнению со всеми остальными способами запуска. Если нет жестких ограничений по току, то такой метод запуска является наиболее предпочтительным. В разных странах действуют различные правила и нормы по ограничению максимального пускового тока. В таких случаях, необходимо использовать другие способы запуска.

Для небольших электродвигателей пусковой момент будет составлять от 150% до 300% от номинального момента, а пусковой ток будет составлять от 300% до 700% от номинального значения или даже выше.

Запуск «звезда – треугольник»

Запуск переключением «звезда – треугольник» используется для трёхфазных индукционных электродвигателей и применяется для снижения пускового тока. Следует отметить, что запуск переключением «звезда – треугольник» возможен только в тех двигателей, у которых выведены начала и концы всех трех обмоток. Пульт для запуска «звезда – треугольник» состоит и следующих комплектующих, трех контакторов (пускателей), реле перегрузки по току и реле времени, управляющего переключением пускателей. Чтобы можно было использовать этот способ запуска, обмотки статора электродвигателя, соединенные по схеме «треугольник», должны быть рассчитаны на работу в номинальном режиме. Обычно электродвигатели рассчитаны на напряжение 400 В при соединении по схеме «треугольник» (∆) или на 690 В при соединении по схеме «звезда» (Y). Такая унифицированная схема соединения может быть также использована для пуска электродвигателя при более низком напряжении. Схема запуска переключением «звезда – треугольник» показана на (Рис. 2)

Пуск звезда треугольник

В момент пуска электропитание к обмоткам статора подключено по схеме «звезда» (Y) Замкнуты контакторы К1 и К3. По истечении определённого периода времени, зависящего от мощности двигателя и времени разгона, происходит переключение на режим запуска «треугольник» (∆). При этом контакты пускателя K3 размыкаются, а контакты пускателя K2 замыкаются. Управляет переключением контактов пускателей K3 и K2 реле времени. На реле выставляется время, в течение которого происходит разгон двигателя. В режиме запуска «звезда – треугольник» напряжение, подаваемое на фазы обмотки статора, уменьшается в корень из трех раз, что приводит к уменьшению фазных токов тоже в корень из трех раз, а линейных токов в 3 раза. Соединение по схеме «звезда – треугольник» дает более низкий пусковой ток, составляющий всего одну треть тока при прямом запуске. Запуск «звезда – треугольник» особенно хорошо подходят для инерционных систем, когда происходит «подхватывание» нагрузки после того, как произошел разгон двигателя.

Запуск «звезда – треугольник» также понижает и пусковой момент, приблизительно на треть. Данный метод можно использовать только для индукционных электродвигателей, которые имеют подключение к напряжению питания по схеме «треугольник». Если переключение «звезда – треугольник» происходит при недостаточном разгоне, то это может вызвать сверхток, который достигает почти такого же значения, что и ток при «прямом» запуске. За время переключения из режима «звезда» в «треугольник» двигатель очень быстро теряет скорость вращения, для ее восстановления необходим мощный импульс тока. Скачок тока может стать ещё больше, так как на время переключения двигатель остается без сетевого напряжения.

Запуск через автотрансформатор

Данный способ запуска осуществляется при помощи автотрансформатора, последовательно соединённого с электродвигателем во время запуска. Автотрансформатор понижает подаваемое на электродвигатель напряжение (приблизительно на 50–80% от номинального напряжения), чтобы произвести запуск при более низком напряжении. В зависимости от заданных параметров напряжение снижается в один или два этапа. Понижение напряжения, подаваемого на электродвигатель одновременно, приведёт к уменьшению пускового тока и вращающего пускового момента. Если в определённый момент времени к электродвигателю не подаётся питание, он не потеряет скорость вращения, как в случае с запуском «звезда – треугольник». Время переключения от пониженного напряжения к полному напряжению можно корректировать. На (Рис. 3) приведена характеристика пускового тока при запуске асинхронного двигателя с коротко замкнутым ротором при помощи автотрансформатора.

Пуск через автотрансформатор тока

Помимо уменьшения пускового момента, способ запуска через автотрансформатор имеет и недостаток. Как только электродвигатель начинает работать, он переключается на сетевое напряжение, что вызывает скачок тока. Вращающий момент зависит от напряжения подаваемого на двигатель. Значение пускового момента пропорциональны квадрату напряжения.

Плавный пуск

В устройстве «плавный пуск» используются те же IGBT транзисторы, что и в частотных преобразователях. Данные транзисторы через цепи управления, понижают начальное напряжение, поступающее на электродвигатель, что приводит к уменьшению пускового момента в электродвигателе. В процессе запуска «плавный пуск» постепенно повышает напряжение электродвигателя, что позволяет электродвигателю разогнаться до номинальной скорости вращения, не образуя большого момента и пиков тока. На (Рис. 4) приведена характеристика пускового тока при запуске асинхронного двигателя с коротко замкнутым ротором с помощью устройства «плавный пуск». Плавный запуск может использоваться также для управления торможением электродвигателя. Устройство «плавный пуск» дешевле преобразователя частоты. Использование устройства «плавного пуска» для асинхронных двигателей значительно увеличивают срок службы электродвигателя, а с ним и насоса находящегося на валу этого двигателя.

Диаграмма для плавного пуска двигателя

У «плавного пуска» существуют те же проблемы, что и у частотных преобразователей: они создают наводки (помехи) в систему электроснабжения. Данный способ также обеспечивает подачу пониженного напряжения к электродвигателю во время запуска. При плавном запуске электродвигатель включается при пониженном напряжении, которое затем увеличивается до напряжения сетевого питания. Напряжение в плавном пускателе уменьшается за счет фазового сдвига. Данный способ пуска не вызывает образования скачков тока. Время запуска и пусковой ток можно задавать.

Запуск при помощи частотного преобразователя

Частотные преобразователи предназначены не только для запуска, но и управления электродвигателем. Инвертор позволяет снизить пусковой ток, так как электродвигатель имеет жесткую зависимость между током и вращающим моментом. На (Рис. 5) приведена характеристика пускового тока при запуске асинхронного двигателя с помощью частотного преобразователя.

Пуск двигателя с преобразователем частоты

Преобразователи частоты остаются все еще дорогими устройствами, и также как и плавный пуск, создают дополнительные помехи в сеть электропитания.

Заключение

Задача любого из способов запуска электродвигателя заключается в том, чтобы согласовать характеристики вращающего момента электродвигателя с характеристиками механической нагрузки, при этом необходимо, чтобы пиковые токи не превышали допустимых значений. Существуют различные способы запуска асинхронных двигателей, каждый их которых имеет свои плюсы и минусы. И в заключении приведена небольшая таблица, где в краткой форме указаны преимущества и недостатки наиболее распространённых способов запуска асинхронных электродвигателей.

Способы запуска

Преимущества

Недостатки

Запуск «звезда – треугольник»

Запуск через автотрансформатор

Запуск при помощи частотного преобразователя