5.3. Пуск и торможение синхронных двигателей

Пуск синхронныхдвигатетей. Он имеет ряд особенностей, отли­чающих его от других типов двигателей. Первая особенность свя­зана с тем, что при неподвижном роторе и подключении обмоток статора и возбуждения к источникам питания двигатель будет раз­вивать не постоянный по направлению, а в соответствии с форму­лой (6.1) знакопеременный вращающий момент из-за постоянно изменяющихся взаимных направлений магнитных полей статора и ротора.

Один из вариантов пуска связан с использованием небольшо­го по мощности вспомогательного двигателя, устанавливаемого на валу синхронного двигателя. С его помощью ненагруженный синхронный двигатель разгоняется до синхронной скорости, пос­ле чего осуществляется синхронизация с сетью. В агрегатах «синх­ронный двигатель—генератор постоянного тока» в качестве тако­го вспомогательного двигателя может быть использован сам гене­ратор, работающий в период пуска в двигательном режиме.

В настоящее время для пуска синхронных двигателей применя­ются асинхронный и частотно-управляемый способы пуска.

Для реализации асинхронного пуска на роторе двигателя укла­дывается дополнительная пусковая обмотка, выполняемая анало­гично короткозамкнутой обмотке асинхронного двигателя типа беличьей клетки. В этом случае при подключении двигателя к сети переменного тока происходит его разбег аналогично асинхронно­му двигателю до подсинхронной скорости, после чего он втягива­ется в синхронизм с сетью.

В зависимости от своих параметров пусковая обмотка двигателя обеспечивает две основные разновидности механической пуско­вой характеристики (рис. 6.4). Характеристика 1 обеспечивает бо­лее высокий синхронизирующий (входной) момент М_B1по срав­нению с характеристикой 2, но меньший начальный (пусковой) момент М_п1< М_п2, и наоборот. Выбор вида пусковой характери­стики двигателя определяется конкретными условиями его рабо­ты и видом производственного механизма.

В схеме вентильного двигателя реализуется частотный способ пуска двигателя. При этом способе с помощью специального задатчика скорости осуществляется плавное увеличение частоты питающего двигатель напряжения и тем самым скорости враще­ния его магнитного поля. При этом ротор «успевает» за магнит­ным полем и двигатель работает синхронно с источником пита­ния уже с самых малых своих скоростей. Такой способ пуска ха­рактеризуется к тому же и пониженными потерями энергии в дви­гателе.

Вторая особенность пуска двигателя связана с моментом по­дачи тока в обмотку его возбуждения. При пуске двигателя ис­пользуются два основных способа его возбуждения: с возбужде­нием перед синхронизацией двигателя и при постоянно (глухо) подключенном источнике питания цепи возбуждения.

При использовании первого варианта, который реализуется по схеме на рис. 6.5, на первом этапе пуска ключ б разомкнут, а ключ 4 замкнут. Обмотка возбуждения двигателя 2 оказывается замкну­той на резистор 3, и асинхронный пуск происходит в благоприят­ных условиях.

В конце пуска при достижении подсинхронной скорости по команде специального реле управления, в качестве которого мо­гут быть использованы реле частоты, тока или времени, ключ 4 размыкается, а ключ б замыкается. В результате в обмотку возбуж­дения подается ток от возбудителя 1 и двигатель 2 втягивается в синхронизм. Регулирование тока возбуждения осуществляется ре­зистором 5 в цепи обмотки 7 возбуждения возбудителя.

Второй вариант возбуждения двигателя соответствует схеме на рис. 6.1, а, являющейся более простой и получившей название схемы с постоянно (глухо) подключенным возбудителем. В этой схеме обмотка возбуждения с самого начала пуска постоянно под­ключена к возбудителю В. При скорости происходит самовозбуждение возбудителя 1и в обмотку возбуждения двига­теля подается ток возбуждения, благодаря чему при достижении подсинхронной скорости двигатель втягивается в синхронизм.

Пуск по схеме рис. 6.1, а происходит в менее благоприятных условиях, так как пусковой момент СД оказывается ниже, чем в случае применения схемы рис. 6.5, что затрудняет его синхрони­зацию. Поэтому схема на рис. 6.1, а применяется при относитель­но легких условиях пуска двигателя, когда момент нагрузки на его валу не превосходит 40...50 % его номинального момента, а инер­ционные массы ЭП и исполнительного органа невелики. При бо­лее трудных условиях пуска применяется схема рис. 6.5.

Третья особенность пуска определяется необходимостью ог­раничения пускового тока мощных двигателей при их асинхрон­ном пуске. В случае соизмеримых мощностей двигателя и пита­ющей сети значительные пусковые токи приводят к заметному падению напряжения в питающей сети, что неблагоприятно ска­зывается на работе других потребителей электроэнергии.

Ограничение пусковых токов может обеспечиваться включе­нием на время пуска в цепь статора добавочных резисторов или реакторов или же снижением на время пуска подводимого к дви­гателю напряжения с помощью автотрансформаторов или тиристорных пусковых устройств.

При реакторном пуске двигателей (рис. 6.6, а) замыкают вык­лючатель 1 при отключенном выключателе 2 и осуществляют пуск двигателя 4 с реактором 3 в цепи статора, обеспечивающего сни­жение пускового тока до допустимого уровня. При достижении двигателем подсинхронной скорости замыкают выключатель 2, который шунтирует реактор 3, и двигатель оказывается подклю­ченным на полное напряжение сети. Автоматизация пуска осуще­ствляется обычно в функции времени. В некоторых схемах вместо реактора 2 применяются более дешевые активные резисторы.

В случае использования автотрансформатора 5 (рис. 6.6, б) при пуске замыкаются выключатели 1 и 6 и к двигателю подводится пониженное напряжение. При достижении им подсинхронной скорости отключается выключатель 6, замыкается выключатель 2 и двигатель подключается непосредственно в сеть.

Сопоставление рассмотренных схем показывает, что при ис­пользовании автотрансформатора пусковой ток снижается про­порционально квадрату отношения напряжений двигателя и сети (Uд/Uc)², а при использовании реакторов или резисторов — пер­вой степени этого отношения. Однако автотрансформаторный спо­соб пуска является более сложным, дорогим и менее надежным по сравнению с реакторным (резисторным) и применяется реже.

Для ограничения пусковых токов двигателей, в том числе и высоковольтных, все большее распространение находят тиристорные регуляторы напряжения в качестве «мягких» пускателей или стартеров, обладающие более широкими функциональными воз­можностями по управлению двигателями и меньшей стоимостью.

Рис. 6.6. Схемы при ограничении пускового тока с использованием реак­торов (а) и автотрансформатора (б): 1 — автоматический выключатель; 2, 6 — выключатели; 3 — реактор; 4 — двига­тель; J — автотрансформатор

Торможение синхронных двигателей. Как и у других электродви­гателей, оно осуществляется переводом их в генераторный ре­жим, в котором они развивают на своем валу тормозной момент. Наиболее часто при этом используется схема динамического тор­можения (рис. 6.7), которая соответствует генераторному режиму двигателя при его работе независимо от сети переменного тока.

В этой схеме обмотки статора двигателя 2 отключаются от сети переменного тока и закорачиваются на добавочные резисторы 1 (или накоротко), а обмотка возбуждения остается подключенной к источнику возбуждения UB через регулировочный резистор 3. Двигатель при этом будет иметь механические характеристики, аналогичные характеристикам асинхронного двигателя, представ­ленным на рис. 5.26, б.

Торможение противовключением используется очень редко, так как перевод двигателя в этот режим сопровождается значитель­ными бросками тока и момента, требует токоограничения и при­менения сложных схем управления.

Рис. 6.7. Схема динамического торможения син­хронного двигателя: 1— резисторы в цепи ротора;

2 — двигатель; 3 — регу­лировочный резистор