Пуск асинхронных двигателей

Для пуска двигателя его обмотку статора подключают к трехфазной сети с помощью выключателя. Схема включения двигателя изображена на рис. 10.20, а. После включения выключателя происходит разгон двигателя. При этом момент, развиваемый двигателем, М и ток в его обмотке статора I изменяются в соответствии с графиками, изображенными на рис. 10.20, б. Двигатель разгоняется до установившейся частоты вращения, при которой момент, развиваемый двигателем, равен моменту сил сопротивления на его валу.

В условиях нормальной работы момент на валу двигателя может изменяться в довольно широких пределах, однако, если момент окажется больше М_max, двигатель остановится. Обычно считают, что допустимые изменения находятся в пределах от М = 0 до М = (0,8 ÷ 0,9) М_max .Естественно, имеется в виду работа в зоне характеристики, где s < s_кр.

Рис. 10.20. Схема включения асинхронного двигателя с коротко-замкнутой обмоткой статора (а); механическая характеристика и зависимость тока статора от скольжения (б)

Однако следует заметить, что длительная работа двигателя допустима при моментах на его валу, не превышающих номинального значения.

Если оказалось, что двигатель вращается не в требуемом направлении, то для изменения направления вращения ротора необходимо изменить порядок подсоединения обмотки статора к сети: начало обмотки С1 (рис. 10.20, а) соединить с линейным проводом В, начало обмотки С2 —с проводом А, начало обмотки С3 оставить соединенным с проводом С. При этом изменится порядок чередования фаз, что приведет к изменению направления вращения магнитного поля статора и, следовательно, ротора.

К недостаткам такого пуска относятся: 1) относительно малый пусковой момент: М_п = (1,2 ÷ 1,6) М_ном ; 2) относительно большой пусковой ток: I_п= (5 ÷ 7)I_ном .

Из-за первого недостатка иногда приходится выбирать двигатель большей мощности, чем это требуется по условиям работы при установившемся режиме, что экономически нецелесообразно. Действительно, если график момента сил сопротивления на валу М_с имеет вид, изображенный на рис. 10.20, б пунктирной линией, то после включения двигателя его ротор останется неподвижным, так как M_c,п > М_п , хотя М_max > М_с и по условиям нормальной работы двигатель подходит:

M_c,уст < М_ном .

Большой ток в периоды пуска двигателя может вызвать значительное падение напряжения в сети малой мощности, что неблагоприятно скажется на работе других потребителей, включенных в сеть, например вызовет мигание осветительных приборов и т. д. Однако следует отметить, что в настоящее время заводские сети имеют большое сечение, поэтому падение напряжения, возникающее при пуске двигателя, оказывается несущественным.

Рис. 10.21. Схема пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора: с добавочным сопротивлением в цепи обмотки статора (а) и переключения фаз обмотки со звезды на треугольник (в); механические характеристики двигателя при r_д = 0 и r_д ≠ 0 (б) и при соединении обмотки статора звездой и треугольником (г)

Большой пусковой ток ограничивает допустимое число пусков (включений) двигателя в час. При большом числе включений в час даже мало загруженный в установившемся режиме двигатель из-за больших пусковых токов может перегреться и выйти из строя.

В маломощных сетях, сечение проводов которых невелико, а протяженность значительная, для ограничения пускового тока применяют пуск с активным или индуктивным сопротивлением, включенным в цепь обмотки статора (рис. 10.21, а), или пуск с переключением обмотки со звезды на треугольник (рис. 10.21, в).

Перед пуском выключатель В₂ (рис. 10.21, а) устанавливают в выключенное положение, затем включают выключатель B₁. После окончания разбега ротора двигателя включают выключатель В₂, чем шунтируют добавочные пусковые резисторы. Соответствующим подбором сопротивления r_дможно ограничить пусковой ток до любого необходимого значения. Однако не следует забывать, что одновременно уменьшаются пусковой и критический моменты из-за снижения напряжения на обмотке статора, вызванного падением напряжения на сопротивлении r_д.

На рис. 10.21, б изображены механические характеристики двигателя при r_д = 0 (кривая 1) и  r_д ≠ 0 (кривая 2).

Пуск двигателя с переключением со звезды на треугольник возможен, когда обмотка статора может быть соединена звездой и треугольником и напряжение сети соответствует соединению обмотки статора треугольником. Например, двигатель имеет номинальное напряжение 380/220 В, а напряжение сети 220 В. Установив предварительно выключатель В₂ (см. рис. 10.21, в) в положение а, что соответствует соединению обмотки статора звездой, выключателем B₁включают двигатель в сеть. После окончания пуска выключатель В₂ перекидывают в положениеб, благодаря чему обмотка статора оказывается соединенной треугольником. Напряжение на фазе обмотки статора во время пуска будет меньше номинального в √3 раз, например при напряжении 220 В оно составит 220/√3 = 127 В. Вследствие этого ток фазы уменьшится в той же степени, а поскольку линейный ток больше фазного в √3 раз, пусковой линейный ток при таком способе пуска будет меньше по сравнению с прямым пуском в 3 раза. Одновременно в 3 раза уменьшатся пусковой и максимальный моменты, так как они пропорциональны квадрату фазного напряжения.

Значение критического скольжения не изменится, так как оно не зависит от напряжения. На рис. 10.21, г изображены механические характеристики двигателя, соответствующие схеме включения треугольником и пусковой схеме звездой.

Ввиду значительного снижения пускового момента указанный способ пуска возможен только при малых моментах сил сопротивления на валу двигателя.

Рис 10.22. Схема включения асинхронного двигателя с фазным ротором (контактными кольцами)

Пуск двигателя с фазным ротором (контактными кольцами) (рис. 10.22) осуществляется подключением обмотки статора к сети с предварительно введенными в цепь ротора добавочными резисторами r_д. По мере разгона двигателя резисторы r_д с помощью движка выводятся и по окончании пуска сопротивление резистора обращается в нуль, а обмотка ротора оказывается замкнутой накоротко, как и у двигателя с короткозамкнутым ротором. Введение добавочного сопротивления в цепь ротора при пуске асинхронного двигателя с контактными кольцами позволяет увеличить пусковой момент вплоть до максимального значения и одновременно значительно снизить пусковой ток. Это является одной из главных причин, почему вместо асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются двигатели с фазным ротором.

Значение пускового тока можно найти из выражения (10.30), в которое следует подставить r_д и s = 1:

I2п =	E2к	.
	√(r2+ rд)2 + x22

(10.60)

Соответствующим подбором значения r_д можно получить любое требуемое значение пускового тока ротора и, следовательно, пускового тока статора, так как

Ī_1п = Ī₀ + Ī'_2п.

Влияние сопротивления r_д на значение пускового момента можно выяснить с помощью выражения (10.54), в которое необходимо подставить r'_д и s = 1:

Mп =	3U1ф2(r'2 + r'д)	.
	ω0[(r'2 + r'д)2+ хк2]

(10.61)

Из выражения (10.61) вытекает, что введение добавочного сопротивления r_д до определенных его значений вызывает увеличение пускового момента. Наибольшее значение М_п, равное M_max,будет, когда r'₂ + r'_д= х_к:

Мп = Mmax =	3U1ф2	.
	2ω0хк

Дальнейшее увеличение сопротивления r_д вызывает уменьшение пускового момента.

Уменьшение пускового момента до требуемого значения с помощью резисторов r_диспользуется в некоторых механизмах для выбора люфтов и устранения ударов при пуске механизма.

Определение r_д с помощью выражений (10.60) и (10.61) невозможно, так как в каталогах не даются значения х₂ и х₁. Расчет пускового сопротивления r_д при заданном значении производят с использованием искусственной механической характеристики. Уравнение искусственной (реостатной) механической характеристики двигателя с добавочными резисторами в цепи ротора имеет тот же вид, что и уравнение естественной характеристики, разница лишь в значении s_кр,и :

Ми =	2Мmax			.
	sи	+	sкр,и
	sкр,и		sи

(10.62)

Критическое скольжение равно: для естественной характеристики

s_кр = r'₂/х_к ; (10.63)

для искусственной характеристики

sкр,и =	r'2 + r'д	.
	хк

(10.63a)

В уравнение искусственной механической характеристики вместо текущих значений М и sподставляют заданные значения пускового момента М_п и s = 1:

Мп =	2Мmax	.
	sкр,и/1 + 1/sкр,и

(10.64)

откуда определяют критическое скольжение s_кр,и , соответствующее искомому пусковому сопротивлению:

sкр,и =	Мmax	±	√	(	Мmax	)2 - 1.	,
	Мп				Мп

(10.64a)

Затем из отношений критических скольжений естественной (10.63) и искусственной (10.63а) механических характеристик определяют искомую величину r_д :

sкр	=	r'2			=		r2	;
sкр,и		r'2 + r'д					r2 + rд
rд = r2(			sкр,и	- 1).
			sкр

(10.65)

Пусковой ток ротора, соответствующий заданному пусковому моменту, находят из выражения (10.59), в которое подставляют М = М_п и s = 1:

I2п =	√	Мпω0	,
		3(r2 + rд)

(10.65a)

Рис. 10 23. Схема автоматического пуска асинхронного двигателя с контактными кольцами (а); механические характеристики двигателя при пуске (б)

Пример 10.1. Определить значение добавочного сопротивления, которое надо включить в цепь обмотки ротора, чтобы пусковой мо­мент составил 0,9М_max.

Паспортные данные двигателя: Р_ном = 20 кВт, n_ном = 1420 об/мин, U_ном = 380/220 В, η_ном = 87%,М_max/М_ном = 2,4 E_2к = 193 В, I_2ном = 68 А.

Решение. Значение r_д определяется из выражения (10.65):

rд = r2(	sкр,и	- 1).
	sкр

Значения r₂, s_к, s_кр,и в (10.65) определяются: r₂ — из (10.59а), s — из (10 58), s_кр,и — из (10.64), в которых значения s_ном — из (10.23), М_max — из (10.58 а), М_п — из (10.57).

После подстановки паспортных данных двигателя в указанные выше выражения получим: s_ном= 0,053, М_max = 324 Н•м, s_кр = 0,242, s_кр,и = 1,57, r₂ = 0,087, r_д = 0,476 Ом.

В системах автоматического управления, где пуск осуществляется дистанционно, пусковое сопротивление r_д по мере разгона двигателя уменьшается не плавно, а ступенями с помощью релейно-контакторных аппаратов.

Перед пуском двигателя (рис. 10.23, а) контакты контакторов ¹ К₁ и К₂ разомкнуты и в цепь ротора включено пусковое сопротивление, равное сумме r_д1 + r_д2, которому соответствует реостатная характеристика 1 (рис. 10.23, б).

¹ Описание устройства и принципа действия контактора дано в § 12.5.

После включения обмотки статора в сеть контактами контактора К ротор двигателя начинает разгоняться. Двигатель работает на характеристике 1. После достижения частоты вращения, соответствующей точке а, где двигатель развивает момент М₁, контакты контактора K₁автоматически замыкаются и выключают сопротивление r_д1. Вследствие этого двигатель начинает работать на механической характеристике 2, соответствующей сопротивлению r_д2. Двигатель разгоняется от частоты вращения, соответствующей точке б, до частоты вращения, соответствующей точке в. При достижении указанной частоты вращения автоматически замыкаются контакты контактора К₂ и двигатель начинает работать иа естественной характеристике 3 в точке г и разгоняется до установившейся частоты вращения n_уст, соответствующей моменту сил сопротивления М_с на его валу.

Легко показать, что отношение скольжений на естественной и искусственной (реостатной) механических характеристиках при одном и том же моменте, например М₂ (рис. 10.23, б), равно отношению сопротивлений цепи ротора:

s_д /s_в = s/s_и = r₂/(r₂ + r_д).

Действительно, приравняв правые части уравнений естественной (10.57) и искусственной (10.62) механических характеристик и сократив на 2М_max, получим

s/s_кр + s_кр /s = s_и /s_кр,и + s_кр,и /s_и ,

откуда

s/s_кр = s_и /s_кр,и,

или

s/s_и = s_кр /s_кр,и = r₂/(r₂ + r_д).

Это выражение часто используется при графоаналитическом расчете ступеней пускового реостата.