5.3. Пуск синхронных двигателей

Если обмотку статора возбужденного синхронного двигателя, не имеющего на роторе массивных полюсов или пусковой обмотки, включить в сеть, то ротор останется неподвижным. Момент, возникающий в результате взаимодействия вращающегося поля якоря c МДС возбуждения неподвижного ротора, меняет свой знак с частотой вращения поля n₁.

Вследствие инерционности ротор не достигает большой скорости вращения за половину периода Т = 1/n₁ пока момент имеет одно направление. Во вторую половину периода момент меняет свое направление и останавливает ротор. Поэтому используют специальные способы пуска: при помощи вспомогательного двигателя, частотный и асинхронный.

Пуск при помощи вспомогательного (разгонного) двигателя.

Этот способ используют только для двигателей, пускаемых без нагрузки. С валом синхронного двигателя СД муфтой М соединен вал вспомогательного (разгонного) двигателя ВД (рис. 5.6). Мощность этого двигателя Р_ВД должна быть немного больше величины потерь холостого хода синхронного двигателя р_ХХСД. Поэтому Р_ВД обычно невелика и составляет 0,02–0,05 от номинальной мощности основного двигателя СД.

Вспомогательным двигателем разворачивают ротор синхронной машины до скорости, близкой к синхронной, и способом точной или грубой синхронизации включают обмотку якоря в сеть. После включения синхронного двигателя в сеть загружают рабочую машину РМ.

Использование такого пуска для нагруженных синхронных двигателей экономически нецелесообразно, так как в этом случае мощности пускаемого сд и вспомогательного вд двигателей соизмеримы.

Частотный пуск возможен, если обмотку якоря двигателя включить на выход синхронного генератора или преобразователя частоты, позволяющих плавно регулировать частоту f и величину напряжения U.

Перед пуском желательно установить токи возбуждения: номинальный I _{f H} у генератора и I _{f Х}, обеспечивающий E_f = U_H при холостом ходе, у двигателя. При малой частоте f изменения напряжения генератора ток якоря двигателя образует вращающееся с малой скоростью магнитное поле. Возбужденный ротор двигателя втягивается в синхронизм при частоте f = (1–4) Гц. Постепенно увеличивают частоту f до номинальной, ротор двигателя за счет синхронного момента разворачивается до номинальной частоты вращения, при этом напряжение U изменяют пропорционально f.

Частотный пуск можно применять для нагруженных двигателей. Но при этом нужно три машины (синхронные генератор и двигатель, приводной двигатель) или преобразователь частоты по мощности соизмеримые с синхронным двигателем. Высокая стоимость – основной недостаток этого способа пуска. Поэтому частотный пуск оправдан только в случае частотного регулирования скорости вращения двигателя.

Наиболее широко распространен асинхронный пуск. Такой пуск возможен только для двигателей с пусковой клеткой, массивными полюсами или ротором (схема на рис. 5.7).

Перед пуском контакт K₂ АГП разомкнут, K₁ замкнут, обмотка возбуждения отключена от возбудителя и замкнута на гасительное сопротивление R_Г = (5–10) r_f, что предохраняет изоляцию обмотки возбуждения от повреждения в начале пуска. Если оставить обмотку возбуждения разомкнутой, то вращающийся магнитный поток якоря Ф_а, индуктирует в ней при неподвижном роторе ЭДС, превышающую номинальное напряжение возбуждения U_{f Н} в 20–100 раз. В обмотке возбуждения, замкнутой на R_Г, возникают токи, уменьшающие сцепление потока Ф_а с обмоткой возбуждения и индуктированная ЭДС обычно не превышает U_fH. Включение R_Г уменьшает эффект одноосного включения, сильно проявляющийся при замыкании обмотки возбуждения накоротко, что облегчает условия пуска.

Н апряжение возбуждения U_f перед пуском регулируют так, чтобы после пуска установился режим работы двигателя с требуемым cosφ.

Обмотку якоря контактами выключателя K включают в сеть. Ток якоря образует вращающееся с частотой n₁ магнитное поле, индуктирующее токи в пусковой обмотке или массивных частях неподвижного ротора. Взаимодействие индуктированных в пусковой обмотке или массиве ротора токов с вращающимся магнитным полем якоря образует асинхронный вращающий момент M_a. Под действием этого момента ротор двигателя разворачивается до близкой к синхронной частоты n ≈ (0,97–0,99)n₁. При частоте вращения ротора n ≥ 0,95n₁ включают АГП: контакт K₂ замыкается - включает обмотку возбуждения на напряжение возбудителя U_f, практически одновременно контакт K₁ размыкается и выключает R_Г из цепи возбуждения.

Под действием напряжения U_f в обмотке возбуждения возникает ток возбуждения I _f, который образует МДС возбуждения F_f. Вследствие взаимодействия МДС возбуждения и якоря ротор машины достигает синхронной частоты вращения n₁.

Вхождение двигателя в синхронизм зависит от величины асинхронного момента М_а при близких к синхронной частотах вращения ротора: чем больше М_а, тем легче двигатель втягивается в синхронизм. Поэтому в технических данных двигателя указывают развиваемый двигателем при n = 0,95n₁ или скольжении s = (n₁ – n)/n₁ = 0,05 относительный асинхронный момент М_0,05 = М_{а(s = 0,05)} /М_Н. Этот момент называют моментом входа. У большинства двигателей момент входа М_0,05 = 1,2–2.

Для двигателей небольшой мощности при нагрузке менее (0,4–0,5)Р_2Н используют более простую схему пуска без АГП с наглухо подключенным к обмотке возбуждения якорем возбудителя (генератора постоянного тока). В течение всего времени пуска обмотка возбуждения практически замкнута накоротко, так как сопротивление обмотки якоря возбудителя мало. При частоте вращения ротора n = (0,6–0,7)n₁ происходит самовозбуждение возбудителя, увеличивается ток I_f в обмотке возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм.

При прямом асинхронном пуске обмотку якоря включают на полное напряжение сети U_C и пусковые токи в обмотке якоря в 5–6 раз превышают номинальный. Для уменьшения пусковых токов применяют асинхронный пуск от пониженного напряжения (реакторный, автотрансформаторный).