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