1.8. Пуск электродвигателя

Для АДФР применяют реостатный пуск (рис. 1.10), для АДКЗ – прямой пуск от сети, пуск от пониженного напряжения – при помощи реактора или автотрансформатора, включенного в цепь статора, пуск с плавным подъемом частоты (и напряжения). При реостатном пуске уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент. Физически это объясняется тем, что хотя при введении активного сопротивления ток ротора уменьшается, активная составляющая тока и следовательно момент в соответствии с формулой:

М = СФI₂cos ₂ (1.71)

увеличивается. Для уменьшения числа ступеней пускового реостата в цепь ротора включают дроссель, шунтированный сопротивлением (рис. 1.10, а).

а) б)

Рис. 1.12 Рис. 1.13

Как известно, частота тока в роторе АД определяется из соотношения f₂ = f₁s. В начальный момент пуска (s = 1), когда частота тока в роторе максимальна, индуктивное сопротивление дросселя X = 2f₂L велико. При этом большая часть тока ротора проходит через активное сопротивление. По мере разгона ЭП уменьшается частота тока в роторе и индуктивное сопротивление дросселя, и при малых скольжениях оно становится настолько малым, что большая часть тока ротора проходит уже через дроссель. При правильном выборе R1, R2, X можно получить механическую характеристику ЭД, показанную на рис. 1.12, б. Наличие постоянно включенных сопротивлений в цепи ротора увеличивает скольжение ЭД в установившемся режиме на 7–10 %. Такую схему пуска используют в ЭП лебедки и ротора буровых установок.

Прямой пуск возможен для АД при условии, что электрическая сеть достаточно мощная и пусковые токи не вызывают недопустимо больших потерь напряжения в сети (не более 10 %). Пусковые свойства АДКЗ можно охарактеризовать коэффициентом качества пуска – отношением кратности пусковых моментов и токов:

 = (М_п/М_н)/(I_п/I_н). (1.72)

Для ЭД обычного исполнения  = 0,15–0,25. Для увеличения  АДКЗ изготавливают с глубоким и узким пазом или с двойной беличьей клеткой. Для таких глубокопазных ЭД  = 0,27–0,33, а с двойной беличьей клеткой  = 0,36–0,5. Однако, КПД и коэффициент мощности таких ЭД ниже, чем у обычных. При прямом пуске АДКЗ под нагрузкой его мощность должна составлять 20–30 % мощности трансформатора. Если прямой пуск от сети невозможен, применяют способ пуска при пониженном напряжении (от автотрансформатора или реактора). ЭД разгоняется при пониженном напряжении, а затем подается полное напряжение.

Пуск плавным подъемом частоты и напряжения возможен в случае питания АД от управляемого источника переменного тока (тиристорного или транзисторного преобразователя частоты). При таком пуске по мере разгона ЭД увеличивают частоту тока, а напряжение увеличивают таким образом, чтобы пусковой ток оставался все время неизменным. Подобный способ пуска находит применение для погружных ЭД центробежных насосов.

Для синхронных двигателей (СД) могут быть использованы: асинхронный пуск, частотный пуск от источника с плавно меняющимися частотой и напряжением. Основным способом пуска СД служит асинхронный пуск при полном или пониженном напряжении (рис. 1.11).

СД имеют пусковую обмотку, представляющую собой часть беличьего колеса и закладываемую в пазы полюсного наконечника ротора. При пуске обмотка возбуждения ротора замкнута на резистор R. После того, как СД разгонится под действием асинхронного момента, возникающего в пусковой обмотке, обмотка возбуждения отключается от разрядного резистора и в нее подается ток возбуждения. Ротор втягивается в синхронизм. При постоянной нагрузке пусковая обмотка на работу СД не влияет, но при изменении нагрузки изменяется угол  сдвига фаз между ЭДС статора и напряжением сети, что сопровождается увеличением или уменьшением скорости. В этом случае пусковая обмотка играет роль стабилизирующей. Возникающий асинхронный момент сглаживает колебания скорости ротора. Резистор, включенный в цепь обмотки возбуждения при пуске, выбирается таким образом, чтобы напряжение на обмотке не превосходило безопасного для изоляции значения. Если же обмотку возбуждения оставить разомкнутой, то вследствие того, что она имеет большое число витков, индуктируемая в ней ЭДС может создать напряжение, опасное для изоляции.

Синхронный двигатель характеризуется следующими пусковыми свойствами: кратностью пускового тока I_П/I_Н; кратностью пускового момента М_П/М_Н, которая зависит от числа стержней пусковой обмотки и от их активного сопротивления; кратностью входного момента М_вх, развиваемого СД в асинхронном режиме перед втягиванием в синхронизм (при скольжении s = 0,05) М_вх/М_Н, наименьшим допустимым напряжением на статоре при пуске U_П/U_Н. Последнюю характеристику следует учитывать при пуске СД от пониженного напряжения, которое понижают теми же способами, что и в асинхронных двигателях: применяют реакторы и автотрансформаторы. Для СД в последнее время применяется частотный пуск, при котором СД получает питание от преобразователя частоты, частота которого плавно увеличивается от нуля. При этом СД приходит во вращение уже при малой частоте тока.

Диапазон регулирования частоты вращения D = n_max/n_min. Малым считается диапазон 2:1, большим 5:1, но можно, через преобразователи частоты и системы регулирования, получить и 100:1.

Плавность регулирования характеризуется коэффициентом K_пл = n_i/n_i–1, где n_i – частота вращения на i-й ступени регулирования. Например, двухскоростной АД имеет K_пл = 2. Это очень низкая плавность.

Стабильность частоты вращения при изменении нагрузки зависит от жесткости МХ. У двигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения, а также у АД с увеличением нагрузки частота вращения несколько уменьшается. СД обладает абсолютной стабильностью.

Р_ДОП

М_ДОП б

Рис. 1.12

Экономичность регулирования частоты определяет способ регулирования. Включение резисторов в цепь якоря или ротора вызывает бесполезные потери электрической энергии. Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока изменением напряжения на якоре, хотя и связано с небольшими потерями, но требует дорогого и сложного оборудования.

Из формулы Р = Мn/9,55 следует, что если М = М_н, то при номинальной частоте вращения мощность, развиваемая двигателем будет номинальной. Если надо регулировать n при постоянном моменте (рис. 1.12, участок а-б), то с ее увеличением допустимая мощность растет пропорционально (участок 0г) до номинального значения. Если n надо увеличить, надо снижать момент (участок б-в), чтобы мощность осталась допустимой.

Рис. 1.13

Таким образом, в процессе регулирования n ЭП может работать в двух режимах: при постоянном моменте и постоянной мощности. Первый режим целесообразен для насосов, второй – для лебедок. В вентиляторах, центробежных насосах регулирование частоты вращения вверх недопустимо, так как мощность пропорциональна ³, что ведет к перегрузкам.

Для улучшения условий пуска применяют также АДФР, в цепь ротора которого включают пусковой реостат. Это позволяет повысить пусковой момент ЭД. При тяжелых условиях пуска применяют также пуск ЭД вхолостую с последующим соединением его с ИО специальной муфтой. Пример включения АДКЗ в сеть при помощи магнитного пускателя КМ приведен на рис. 1.13. Пуск и отключение ЭД осуществляется с помощью кнопок SB2 (пуск) и SB1 (останов). В схеме предусмотрена защита двигателя от КЗ с помощью предохранителей FU и от перегрузок с помощью тепловых реле FP1 и FP2, встроенных в магнитный пускатель. Магнитный пускатель КМ состоит из катушки, трех силовых контактов и блокировочного контакта. Тепловые реле FP1 и FP2 встроены в узел с магнитным пускателем.

Для построения нагрузочных диаграмм ЭП нужно определить время пуска и торможения. Их можно определить интегрируя уравнение движения:

dt = (Jd)/(M – M_c) (1.73)

с учетом соотношения  = n/9,55 получаем:

dt = (Jdn)/(9,55(M – M_c)), (1.74)

t = (J/9,55) dn/(M – M_c). (1.75)

Однако аналитический расчет по последней формуле связан с рядом трудностей, обусловленных тем, что момент сил сопротивления М_с и момент М в большинстве случаев являются сложными функциями частоты вращения, поэтому на практике широко пользуются приближенными графоаналитическими методами расчета, упомянутыми нами ранее в п. 1.6.

Рассмотрим один из них. В уравнении (1.75) бесконечно малые приращения dt и dn заменяют конечными разностями t и n, а разность моментов М – М_с – средним значением М_С в пределах n. Тогда:

t = (Jn_i) /(9,55( M_{c I})). (1.76)

Исходными данными расчета служат МХ двигателя и график момента сил сопротивления (рис.1.16а), по которым определяют график динамического момента М_С = М – М_С как функцию частоты вращения (рис. 1.16, б). График М_С = f(n) разбивают на участки n_i, определяют среднее значение М_срi, а затем по формуле (1.76) определяют время пуска на каждом участке. Время пуска (торможения) равно сумме времени на каждом из участков t_i.

а) б)

Рис. 1.16

Значение n_i можно выбрать одинаковыми или разными, в зависимости от изменения характера момента. Точность конечных результатов тем больше, чем больше число интервалов n_i.