книги из ГПНТБ / Блантер С.Г. Электрооборудование для нефтяной промышленности учебник

произойдет изменение его характеристики, однако двигатель будет развивать прежний вращающий момент, требуемый приводным меха­ низмом, но при ином значении скольжения.

При работе двигателя с постоянным моментом нагрузки в случае снижения напряжения скольжение двигателя возрастет до величины

s' s ( уг")2, т. е. изменится приблизительно обратно пропорцио­

нально квадрату напряжения, и его частота вращения несколько уменьшится. Это в свою очередь повлечет за собой уменьшение про­ изводительности приводимого механизма.

Ток ротора при повышении напряжения будет изменяться обратно пропорционально напряжению. При уменьшении напряжения это изменение будет происходить в большей степени. Поэтому умень­ шение напряжения влечет за собой чрезмерный нагрев ротора двига­ теля.

При изменении напряжения изменится и ток статора двигателя: его реактивная составляющая — приблизительно пропорционально напряжению (в ненасыщенной части характеристики намагничива­ ния), активная составляющая — обратно пропорционально напря­ жению.

Синхронный двигатель. Синхронный двигатель широко распро­ странен в нефтяной промышленности, особенно для электроприводов средней и большой мощности (поршневые компрессоры, буровые

вращения поля статора и определяемой по формулам (3.29) или (3.30). Поскольку частота вращения синхронного двигателя не зави­ сит от момента сопротивления на валу при его изменении от нуля

При отсутствии нагрузки на валу синхронного двигателя ось полюсов его обмотки возбуждения совпадает с осью полюсов враща­ ющегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Увели­ чение нагрузки синхронного двигателя приводит к появлению угла сдвига между осями полей статора и ротора. Этот угол, обознача­ емый б, называется внутренним углом синхронной машины, а зави­ симость электромагнитного момента от внутреннего угла 0 назы­ вается угловой характеристикой синхронного двигателя.

Уравнение угловой характеристики синхронного двигателя можно

где U — напряжение сети; Е0 — э. д. с , индуктированная в обмотке статора полем ротора; xd и xq — синхронные сопротивления по про­ дольной и поперечной осям.

Из формулы (3.46) следует, что электромагнитный момент син­

На рис. 3.9, в показаны зависимости полного электрического момента

и)0

Максимальное значение дополнительной составляющей момента обычно не превышает 25—30% основной и имеет место при 0 = = 45 эл. град. Поэтому полный электромагнитный момент имеет максимум при 0М я« 72 75 эл. град.

При возрастании угла 0 от 0 до 0М момент двигателя возрастает. Этот участок характеристики обеспечивает устойчивую работу элек­ тропривода, так как при возрастании момента сопротивлений избы­ точный момент становится отрицательным, благодаря чему ротор начинает отставать, увеличивая угол 0 до тех пор, пока момент дви­ гателя не станет равным моменту нагрузки.

При 9 > 9М условие устойчивой работы двигателя нарушается, так как при увеличении нагрузки угол 9 растет, а момент двигателя

обычно X = Мм/Мн = 2 -f- 2,5.

Участок механической и угловой характеристик правее оси ор­

теля в режим рекуперативного торможения нужно, чтобы момент сопротивления изменил свой знак, т. е. стал двигательным. Под дей­ ствием этого момента ротор начинает ускорять свое движение, умень­ шая угол 8 до нуля и далее до отрицательных значений, при которых двигатель начинает отдавать энергию в сеть.

Как следует из (3.46), амплитуда основной составляющей электро­ магнитного момента пропорциональна первой степени напряжения

В этом заключается одно из преимуществ синхронного двигателя перед асинхронным.

отключают от сети и замыкают на резистор. Механические характе­ ристики в этом случае подобны характеристикам асинхронного дви­ гателя при динамическом торможении.

§ 20. ПУСК ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Существуют следующие способы пуска двигателей постоянного тока: прямой (безреостатный), пуск реостатом в цепи якоря и пуск плавным подъемом напряжения на якоре.

При прямом пуске двигателя в начальный момент, когда его э. д. с. равна нулю, в обмотке якоря может возникнуть недопустимо большой ток, так как сопротивление этой обмотки незначительно. Пиковое значение пускового тока может превышать номинальное значение в 8—15 раз.

Такие большие токи для большей части двигателей недопустимы и поэтому безреостатный пуск применяется весьма редко и только

Максимальное значение пускового тока двигателей постоянного тока определяется условиями обеспечения нормальной работы кол­ лектора. При больших пусковых токах велики пусковые моменты и ускорения, что при наличии зубчатых передач может привести к уда­ рам и поломкам зубьев. Для двигателей нормального исполнения допустимый пусковой ток составляет 1,8—2,5 номинального зна­ чения.

Для ограничения пускового тока в цепь якоря при пуске вводят пусковой реостат, сопротивление которого выбирают так, чтобы полу­ чить заданный пусковой ток и соответствующий пусковой момент. Поскольку на промыслах отсутствуют сети постоянного тока, подоб­ ный способ пуска в нефтяной промышленности не применяют.

Для пуска двигателя плавным подъемом напряжения на якоре необходимо иметь автономный источник регулируемого напряжения. В качестве такого источника может служить генератор постоянного тока либо управляемый выпрямитель. В начальный момент пуска к якорю двигателя подводится напряжение, составляющее примерно 10% номинального значения, вследствие чего пусковой ток не пре­ вышает допустимого значения. По мере разгона двигателя вследствие увеличения э. д. с. ток и вращающий момент двигателя будут умень­ шаться.

Чтобы избежать этого, постепенно повышают напряжение. По­ средством правильного выбора схемы управления повышением напря­ жения можно обеспечить неизменное значение тока и вращающего момента двигателя почти за все время пуска. Пуск оканчивается, когда напряжение на зажимах якоря двигателя достигнет номиналь­ ного значения и двигатель разгонится до номинальной частоты вра­ щения.

При пуске двигателя плавным подъемом напряжения на якоре необходимо питать обмотку возбуждения двигателя от независимого источника напряжения, так как ток возбуждения двигателя при пуске должен быть номинальным.

При отключении двигателей параллельного и смешанного возбу­ ждения э. д. с , индуктируемая в обмотке возбуждения, может дости­ гать значений, опасных для электрической прочности изоляции обмотки. Для уменьшения этой э. д. с. обмотку возбуждения замы­ кают на р а з р я д н о е с о п р о т и в л е н и е или создают раз­ рядный контур.

§ 21. ПУСК ДВИГАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Асинхронный двигатель. При пуске асинхронного двигателя частота тока в обмотке ротора, а следовательно, и э. д. с , индукти­ рованная в ней, в десятки раз превышает частоту и э. д. с при

Это в свою очередь приводит к уменьшению момента запускаемого двигателя, увеличению времени пуска и нагреванию обмоток дви­ гателя. Часто вследствие большой потери напряжения пуск не может состояться. Поэтому при пуске асинхронных двигателей стремятся снизить кратность пускового тока, а у двигателей с фазным рото­ ром — увеличить пусковой момент.

Способы пуска асинхронных двигателей сводятся к следующему.

сети; пуск переключением со звезды на треугольник; пуск посредством пускового трансформатора; пуск с помощью сопротивлений в цепи статора (активных или индуктивных); пуск плавным подъемом ча­ стоты от отдельного генератора (частотный пуск); пуск подъемом напряжения.

Пуск двигателя с фазным ротором обычно осуществляется с по­ мощью реостата, включаемого в цепь ротора. При введении в цепь ротора активного сопротивления пусковой ток уменьшается, а пу­ сковой момент увеличивается (до некоторого предела). Физически это объясняется тем, что хотя при введении активного сопротивления ток ротора уменьшается согласно формуле (3.38), его активная со­

двигатель с сопротивлением гп в цепи ротора, он начнет вращаться и увеличивать угловую скорость. При этом его момент уменьшается по линии а'Ъ". В точке Ъ", когда момент достигнет значения Мг (момент переключения), контактором Кх выводится (обычно автомати­ чески) одна секция пускового резистора и сопротивление в цепи ротора уменьшается на величину гх. Ток ротора и момент при этом мгновенно возрастут, так как при переключении э. д. с. ротора оста­ лась неизменной (ввиду малой длительности времени переключения), а сопротивление цепи ротора уменьшилось.

Сопротивление первой ступени реостата выбирается таким, чтобы значение возросшего момента было равно Мх. Это условие будет выполненно, если характеристика, соответствующая новому значению сопротивления якорной цепи, пройдет через точки со0 и Ъ'. После замыкания первой ступени двигатель будет работать на новой реостатной характеристике, его угловая скорость начнет возрастать, а ток ротора и момент будут уменьшаться.

в с е т ь, на номинальное напряжение обмотки статора. Такой пуск называется прямым.

Современные короткозамкнутые асинхронные двигатели по вели­ чине возникающих при пуске электродинамических усилий и по усло­ виям нагрева обмоток допускают прямой пуск. Поэтому прямой пуск всегда возможен, когда сеть достаточно мощна и пусковые токи двигателей не вызывают недопустимо больших потерь напряже­ ния в сети (не более 10—12%). Асинхронные короткозамкнутые двигатели имеют неблагоприятные пусковые характеристики: потре­ бляют из сети значительный ток, но развивают относительно неболь­ шой пусковой момент. Это объясняется тем, что при пуске двигателя коэффициент мощности его весьма низок, незначительна при этом и активная составляющая тока, а следовательно, и пропорциональ­ ный ей момент двигателя.

Пусковые качества асинхронных короткозамкнутых двигателей характеризуют коэффициентом качества пуска, представляющего

Эта величина для двигателей различных типов и мощностей колеб­ лется примерно в пределах 0,15—0,25.

С целью увеличения этого соотношения короткозамкнутые дви­ гатели изготовляются с ротором, имеющим глубокие пазы и узкие

глубокопазных и двухклеточных двигателей примерно на 0,01 ниже, чем у двигателей нормального исполнения (с одной клеткой).

Иногда мощность асинхронного короткозамкнутого двигателя ненамного отличается от мощности питающего трансформатора или генератора переменного тока. В этом случае необходимо определить предельную мощность асинхронного короткозамкнутого двигателя, подключаемого к трансформатору или генератору. При этом учиты­ вают влияние следующих факторов:

механическое воздействие пусковых токов на трансформатор (или генератор);

тепловое действие пусковых токов на обмотки трансформатора (или генератора);

потери напряжения в обмотках трансформатора (или генератора)

ив питающей двигатель сети, приводящие к снижению пускового

имаксимального моментов двигателя.

Степень влияния каждого из этих факторов зависит от конкретных условий пуска и параметров двигателя и трансформатора (частота пусков, пуск под нагрузкой или без нее, работал ли трансформатор с нагрузкой до пуска двигателя, питается ли от трансформатора осве­ тительная нагрузка, кратность пускового тока, к. п. д. и cos ср двига­ теля, напряжение короткого замыкания трансформатора).

Расчеты показывают, что мощность асинхронного короткозамкнутого двигателя, пускаемого под нагрузкой от полного напряжения сети, не должна превышать 20—30% мощности трансформатора, если от него питается только силовая нагрузка. Если же от трансформа­ тора питается и осветительная нагрузка, то мощность запускаемого двигателя не должна превышать 5—10% мощности трансформатора.

Если прямой пуск короткозамкнутого двигателя невозможен, применяют один из способов пуска п р и п о н и ж е н н о м н а ­ п р я ж е н и и . Вначале разгон происходит при пониженном на­ пряжении; после того как частота вращения двигателя достигнет установившейся величины, подается полное напряжение.

В случае пуска при пониженном напряжении пропорционально квадрату напряжения на зажимах обмотки статора двигателя пони­ жается также пусковой момент, что является недостатком такого пуска. Поэтому эти способы применимы, если нужно пустить двига­ тель на холостом ходу или под неполной нагрузкой. Пуск при пони­ женном напряжении характерен для мощных двигателей высокого напряжения.

Пуск переключением обмотки статора двигателя со звезды на треугольник может быть применен в случаях, когда выведены все шесть концов обмотки статора и двигатель нормально работает с соединением обмотки статора в треугольник. При пуске обмотка статора включается в звезду, а при достижении нормальной частоты вращения переключается в треугольник. При таком способе пуска по сравнению с прямым пуском при соединении обмотки в треуголь­ ник напряжение фаз обмоток уменьшается в ] / 3 раз, пусковой момент уменьшается в ] / 3 • |/3 = 3 раза, пусковой ток в фазах обмотки уменьшается приблизительно в j/З раз, а в сети приблизи­ тельно в ]/3 • j/З = 3 раза. Этот способ ранее широко применялся при пуске двигателей низкого напряжения, однако с увеличением мощности сетей потерял свое прежнее значение и в настоящее время используется сравнительно редко.

Пуск плавным подъемом частоты или напряжения применяется в случае, когда асинхронный двигатель питается от автономного генератора переменного тока. При таком пуске по мере разгона двигателя увеличивают частоту тока (увеличением частоты вращения первичного двигателя — дизеля), а напряжение регулируют так,, чтобы пусковой ток оставался все время неизменным.

Рассмотрим влияние снижения напряжения на пуск асинхрон­ ного двигателя. Пониженное напряжение U, при котором еще обеспе­ чивается необходимый пусковой момент, будет определяться из выра­ жения

где Мп — пусковой момент при номинальном напряжении; Мп_ э — пусковой момент, необходимый для обеспечения пуска электропри­ вода.

Следовательно,

где Та — электромеханическая постоянная времени пуска электро­ двигателя; Мя — номинальный момент двигателя.

Время разгона при любом напряжении в долях времени разгона при полном напряжении

т. е. относительное время разгона обратно пропорционально квадрату напряжения.

Синхронный двигатель. Для пуска синхронных двигателей могут быть использованы следующие способы: п у с к без нагрузки с п о -

мотки статора синхронного двигателя от источника электроэнергии с плавно регулируемой частотой в диапазоне от нуля до номинального значения; а с и н х р о н н ы й п у с к п о д н а г р у з к о й , производимый по аналогии с пуском короткозамкнутого асинхрон­ ного двигателя.

В настоящее время основным способом пуска синхронных двига­ телей является а с и н х р о н н ы й п у с к , осуществляемый включением статорной обмотки в питающую сеть при номинальном или пониженном напряжении на зажимах двигателя.

Если обмотку статора двигателя присоединить к сети трехфаз­ ного тока, а его обмотку возбуждения при этом питать постоянным током, то ротор вращаться не начнет, так как при неподвижном роторе усилие, возникающее в результате взаимодействия магнит­ ных полей статора и ротора, будет изменять свое направление с ча­ стотой 100 Гц. Если же ротор синхронного двигателя довести до ча­ стоты вращения, близкой к синхронной (подсинхронная частота вращения), то частота изменения знака вращающегося момента, определяемая величиной скольжения ротора относительно враща­ ющегося поля статора, будет мала и ротор двигателя может разо­ гнаться до синхронной частоты вращения (втянуться в синхро­ низм).

Для разгона синхронного двигателя до подсинхронной частоты вращения служит пусковая обмотка, аналогичная обмотке ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя, образованная стерж­ нями, заложенными в полюса ротора.

При подключении обмотки статора синхронного двигателя к сети его обмотка возбуждения действует как вторичная обмотка транс­ форматора, первичной обмоткой которого является обмотка статора. Вследствие того, что обмотка возбуждения имеет большое количе­ ство витков, индуктируемое в ней напряжение может оказаться опасным как для изоляции, так и для обслуживающего персонала. Во избежание этого на период пуска обмотку возбуждения замы­ кают на так называемый разрядный резистор, который выбирается с таким расчетом, чтобы напряжение на обмотке возбуждения не превосходило безопасного для изоляции значения 1000—2000 В.

С точки зрения уменьшения напряжения на зажимах обмотки возбуждения наилучшим является замыкание ее накоротко, посколь­ ку в этом случае напряжение на ее зажимах равно нулю. Однако такое соединение часто применять недопустимо. Токи, индуктирован­ ные в обмотке возбуждения, взаимодействуя с полем статора, со­ здают дополнительный момент (одноосный момент), действующий согласно с моментом пусковой обмотки при частотах вращения до полусинхронной и встречно — при частотах выше полусинхронной. При закороченной обмотке возбуждения одноосный момент может снизить пусковой момент двигателя настолько, что он начнет устой­ чиво работать при частоте вращения, близкой к полусинхронной.