21.7. Самозапуск асинхронных и синхронных электродвигателей

Кратковременные перерывы электро­снабжения или резкие снижения напря­жения на шинах электроустановок, вызванные переходом на резервное пи­тание, короткими замыканиями и дру­гими причинами, приводят к уменьше­нию частоты вращения подключенных электродвигателей или даже их полной остановке. Однако двигатели ответст­венных рабочих машин в этих условиях не отключают от сети, и после устра­нения причины, вызвавшей нарушение электроснабжения, происходит одновре­менный разбег этих электродвигателей в условиях пониженного напряжения на шинах вследствие значительного паде­ния напряжения в трансформаторах и других элементах, включенных между источником электроэнергии и шинами, от пусковых токов. Этот процесс назы­вается самозапуском. Самозапуск электродвигателей широко используется в промышленных установках, в том чис­ле и в системе собственных нужд электростанций, как средство устранения продолжительных перебоев в работе ответственных рабочих машин.

Продолжительность процесса само­запуска электродвигателей зависит от времени перерыва электроснабжения, па­раметров питающих трансформаторов, суммарной мощности неотключенных двигателей и их загрузки, механических характеристик рабочих машин, положе­ния регулирующих органов (задвижек, поворотных лопастей и пр.) и других факторов. Однако успешным является лишь такой самозапуск, при котором продолжительность процесса разбега до номинальной частоты вращения всех участвующих в нем двигателей не вы­ходит за допустимые пределы, опреде­ляемые или условием нагрева обмоток электродвигателей за время самозапуска, или условиями технологического про­цесса. Так, для электродвигателей си­стемы собственных нужд тепловых

электростанций среднего давления до­пустимая продолжительность процесса самозапуска определяется нагревом наи­более загруженных двигателей и состав­ляет 30 — 35 с; для электродвигателей тепловых электростанций высокого дав­ления она определяется условием сохра­нения технологического процесса котла и составляет всего 15 — 20 с, так как котлы высокого давления, обладая срав­нительно малой аккумулирующей спо­собностью, не допускают продолжи­тельных перерывов в подаче питатель­ной воды и отключаются технологи­ческими защитами при сравнительно небольшом отклонении режимных пара­метров от расчетных значений.

Характер процесса выбега электро­двигателей, предшествующего самоза­пуску, зависит от причины нарушения электроснабжения. В случае отключения источника питания (рабочего трансфор­матора) от сборных шин процесс про­текает иначе, чем при КЗ на сборных шинах или вблизи них. Это объясняет­ся следующим образом. При отключе­нии источника питания электродвигате­ли, присоединенные к сборным шинам, остаются электрически связанными друг с другом и с шинами и за счет запа­сенной кинетической и электромагнит­ной энергии поддерживают на шинах значительное напряжение. Вследствие не­одинаковой предшествующей нагрузки электродвигателей, неидентичности ме­ханических характеристик приводимых рабочих машин и ряда других причин ЭДС отдельных двигателей оказываются неодинаковыми по абсолютному значе­нию и не совпадающими по фазе, поэтому между электродвигателями цир­кулируют уравнительные токи и проис­ходит обмен энергией. Таким образом, при отключении источника питания вы­бег электродвигателей происходит в ус­ловиях их весьма существенного взаим­ного влияния друг на друга. Поэтому такой выбег называют групповым.

Поведение различных агрегатов при групповом выбеге зависит от многих факторов. Однако решающее влияние на него оказывают механические пара­метры агрегатов. Электродвигатели аг-

регатов, имеющих большие механиче­ские постоянные времени, работают в генераторном режиме и отдают часть энергии электродвигателям агрегатов, имеющих меньшие механические посто­янные времени, вынуждая их работать в двигательном режиме. Обмен энерги­ей приводит к тому, что электродвига­тели, работающие в генераторном ре­жиме, снижают частоту вращения быст­рее, а электродвигатели, работающие в двигательном режиме, наоборот, мед­леннее, чем при индивидуальном (оди­ночном) выбеге, т. е. выбеге в условиях полного отсутствия или несущественно­го взаимного влияния электродвигате­лей друг на друга. Так, в системе соб­ственных нужд электростанций двигате­ли вентиляторов при групповом выбеге работают в генераторном режиме, а двигатели насосов — в двигательном (рис. 21,18).

Скорость, с которой уменьшается остаточное напряжение на сборных ши­нах в процессе группового выбега, за­висит от суммарной мощности электро­двигателей, оставшихся присоединенны­ми к этим шинам, нагрузки электро­двигателей и других факторов. Она зна­чительно больше скорости, с которой уменьшается частота, поэтому к тому времени, когда напряжение практически полностью затухает (это время обычно не превышает 2 — 3 с), частота снижается не более чем на 10 — 20%. Уменьшение

остаточного напряжения сопровождает­ся уменьшением уравнительных токов между электродвигателями и соответ­ствующим уменьшением взаимного влияния электродвигателей друг на дру­га. При небольших значениях остаточ­ного напряжения взаимное влияние практически, прекращается и двигатели выбегают независимо друг от друга, как при их отключении от сборных шин.

Если выбег электродвигателей вы­зван КЗ на сборных шинах или вблизи них, то в начале процесса, пока не за­тухли ЭДС машин, все электродвигатели работают в режиме генератора. При этом взаимное влияние электродвигате­лей друг на друга отсутствует, а за счет переходных токов на валу каждого двигателя создается дополнительный тормозной момент. Поэтому выбег всех электродвигателей происходит несколь­ко быстрее, чем при отключении от шин.

На процессе группового выбега су­щественное влияние оказывают подклю­ченные к сборным шинам синхронные электродвигатели. Благодаря системе возбуждения они имеют значительные ЭДС (особенно при применении форси-ровки возбуждения) и во время выбега генерируют реактивную мощность, вследствие чего снижение остаточного напряжения на сборных шинах установ­ки происходит медленнее, чем при их отсутствии. Если устройства автомати­ческого включения резервного питания (АВР) электроустановки приводятся в действие от минимальной защиты на­пряжения, то из-за замедленного сниже-' ния напряжения происходит задержка в подаче энергии от резервного источ­ника и как следствие — значительное торможение электродвигателей за время перерыва электроснабжения.

Степень влияния синхронных элект­родвигателей на изменение частоты вра­щения других электродвигателей во вре­мя группового выбега зависит, в част­ности, от нагрузки синхронных двига­телей и механических характеристик при­водимых ими рабочих машин. Если ра­бочие машины обладают не зависящей от частоты вращения механической ха­рактеристикой и сильно загружены, то

во время группового выбега синхронные электродвигатели потребляют значи­тельную активную энергию, поэтому за­метно увеличивают торможение осталь­ных электродвигателей. Более благопри­ятно влияют синхронные двигатели, ко­торые приводят во вращение рабочие машины с нелинейно-возрастающими характеристиками, например насосы.

Возможность самозапуска и продол­жительность процесса разбега электро­двигателей после подачи питания зави­сят от многих факторов, но одним из главных является продолжительность перерыва электроснабжения. С уменьше­нием последней уменьшается торможе­ние электродвигателей за время выбега и более высоким оказывается напряже­ние на сборных шинах в момент под­ключения к ним источника электро­энергии, поэтому облегчается проиесс разбега электродвигателей. Особенно нежелательны продолжительные переры­вы электроснабжения для синхронных двигателей. Если время перерыва не превышает 0,15 с, то после восстанов­ления питания синхронные электродви­гатели остаются в синхронизме или ре-синхронизируются самостоятельно под действием имеющегося возбуждения. При значительных перерывах электро­снабжения для ресинхронизации син­хронных электродвигателей, как прави­ло, необходимы специальные меры. К ним относятся: замыкание обмотки воз­буждения электродвигателя на гаситель­ный резистор с последующей (спустя 2 — 3 с) подачей возбуждения, осущест­вляемое соответственно отключением и включением автомата гашения поля; отключение электродвигателей, приводя­щих в движение неответственные рабо­чие машины; быстродействующая раз­грузка рабочих машин (в сочетании с одной из указанных выше мер).

В момент подачи питания на сбор­ные шины напряжение источника элект­роэнергии и напряжение на сборных шинах, обусловленное неотключенными электродвигателями, могут оказаться в противофазе. При этом токи включения электродвигателей могут значительно превысить пусковые токи. Однако у

асинхронных электродвигателей ЭДС сравнительно невелики и во время на­рушения электроснабжения быстро зату­хают. Поэтому асинхронные электро­двигатели с короткозамкнутым ротором допускают включение без предваритель­ных расчетов тока включения. Асинхрон­ные электродвигатели с фазным ротором также допускают самозапуск без про­верки тока включения, если перед пода­чей питания на сборные шины обмотка ротора двигателей замыкается через пусковой резистор.

Электродвижущие силы синхронных электродвигателей в момент восстанов­ления электроснабжения могут быть соизмеримыми с напряжением источ­ника электроэнергии или даже сущест­венно превышать его, поэтому токи включения синхронных двигателей мо­гут более чем в 2 раза превышать пусковые токи, что недопустимо. Иссле­дования показали, что для всех син­хронных электродвигателей мощностью до 2000 кВт самозапуск допустим, если в самых неблагоприятных условиях (наи­большая мощность источника электро­энергии, наименьшее сопротивление се­ти, минимальное число подключенных электродвигателей, ЭДС электродвига­теля и напряжение источника находятся в противофазе) ток включения превыша­ет пусковой ток не более чем в 1,7 раза.

Самозапуск мощных синхронных электродвигателей, имеющих реактор­ный (автотрансформаторный) пуск, про­изводится с включенным реактором (автотрансформатором) и отключенным автоматом гашения поля, поэтрму ток включения таких электродвигателей на­ходится в допустимых пределах и его проверки не требуется. Не требуется проверки тока включения также в тех случаях, когда для синхронных электро­двигателей применяется схема ресинхро­низации с введением в цепь ротора разрядного резистора.

Для иллюстрации процесса самоза­пуска электродвигателей на рис. 21.19 приведены кривые изменения напряже­ния на сборных шинах, частоты враще­ния и суммарного тока группы электро­двигателей системы собственных нужд

агрегата 300 МВт конденсационной электростанции при их выбеге, связан­ном с отключением рабочего трансфор­матора собственных нужд, и последу­ющем разбеге после включения резерв­ного трансформатора.

Точный расчет процесса самозапуска (и предшествующего ему группового выбега) электродвигателей связан с не­обходимостью совместного решения дифференциальных уравнений электро­механических и электромагнитных пе­реходных процессов, число которых зна­чительно превышает число электродви­гателей, участвующих в самозапуске. Такой расчет возможен лишь при ис­пользовании ЭВМ. Поверочный анали­тический расчет процесса самозапуска (с момента подачи напряжения на сбор­ные шины установки) ведут в такой последовательности.

1. Определяют индуктивные сопро­ тивления трансформатора и других эле­ ментов, включенных между шинами, напряжение на которых при самозапуске можно считать неизменным (шины ис­ точника электроэнергии), и сборными шинами установки, к которым подклю­ чены электродвигатели.

2. Определяют параметры электро­ двигателей, участвующих в самозапуске [21.2].

3. По предварительно полученным кривым выбега находят частоту враще­ ния разных электродвигателей к мо­ менту подачи напряжения на сборные шины установки.

4. Определяют сопротивления от­ дельных электродвигателей при найден­ ных значениях частоты вращения. С этой целью целесообразно использовать фор­ мулу (21.23) или формулы (21.24) и (21.25). Можно также использовать полученные экспериментально кривые изменения то­ ка и частоты вращения во время пуска отдельных электродвигателей.

5. Определяют эквивалентное сопро­ тивление всех электродвигателей, участ­ вующих в самозапуске:

где п — число электродвигателей, участ­вующих в самозапуске; Z_экi — эквива­лентное сопротивление i-го электродви­гателя в рассматриваемый момент вре­мени.

6) Находят остаточное напряжение на сборных шинах, к которым подклю­ чены электродвигатели:

где— напряжение на сборных шинахисточника электроэнергии; Х_св — сум­марное индуктивное сопротивление эле­ментов связи, включенных между ши­нами источника электроэнергии и ши­нами установки, к которым подключе­ны электродвигатели.

7) Используя механические характе­ ристики электродвигателей, участвую­ щих в самозапуске, определяют вра­ щающий момент каждого из них при найденной в п. 3 частоте вращения и номинальном напряжении, а затем нахо­ дят соответствующий вращающий мо­ мент при напряжении U_ост:

где— вращающий момент электро­двигателя при номинальном напряже-

нии и скольжении, с которым он рабо­тает к моменту отключения короткого замыкания или повторной подачи на­пряжения на шины.

8. Используя механические характе­ ристики рабочих машин, определяют момент сопротивления на валу каждо­ го электродвигателя при соответствую­ щем скольжении.

9. Определяют избыточный момент на валу каждого двигателя как разность его вращающего момента и момента сопротивления.

Если избыточный момент на валу каждого электродвигателя положителен, то самозапуск двигателей возможен. Если же избыточный момент на валу одного или нескольких электродвигате­лей получается отрицательным, то само­запуск оказывается затянутым или не­возможным вообще. Поэтому в таком случае выявляют меры, обеспечивающие самозапуск электродвигателей ответст­венных рабочих машин. Такими мерами являются: уменьшение времени переры­ва электроснабжения (уменьшение вре­мени действия релейной защиты или устройств автоматического включения резервного питания); отключение элект­родвигателей менее ответственных ра­бочих машин; введение на время раз­гона в цепь обмотки возбуждения син­хронных электродвигателей разрядного резистора и подача возбуждения лишь по достижении подсинхронной частоты вращения и т. д.

Возможен и каскадный самозапуск, который характеризуется последователь­ным разгоном агрегатов по мере по­вышения напряжения на шинах за счет увеличения сопротивления тех электро­двигателей, которые повысили частоту вращения при меньших напряжениях на шинах электроустановки.

10. Зная избыточные моменты на валу каждого электродвигателя, напря­ жение на шинах и механические по­ стоянные времени агрегатов, определя­ ют время разгона каждого агрегата.

11. Рассчитывают дополнительное превышение температуры обмоток элек­ тродвигателей за время самозапуска и сравнивают его с допустимым превы-

шением температуры при кратковремен­ных перегрузках.