36160

Способы пуска электродвигателей переменного тока

Лекция

Физика

Прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей нормального исполнения Прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей специального исполнения Реостатный пуск двигателей с фазным ротором Пуск при пониженном напряжении на обмотке статора

Русский

2014-03-28

277.32 KB

52 чел.

ТЕМА ЛЕКЦИИ 14

Способы пуска электродвигателей переменного тока

ПЛАН ЛЕКЦИИ

  1.  Прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей нормального исполнения
  2.  Прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей специального исполнения
  3.  Реостатный пуск двигателей с фазным ротором
  4.  Пуск при пониженном напряжении на обмотке статора
  5.  Введение сопротивления в цепь статора асинхронных двигателей

1.1. Основные сведения

Для пуска асинхронных электродвигателей переменного тока применяют два способа:

  1. прямой пуск;
  2. пуск при пониженном напряжении;
  3. реостатный пуск двигателей с фазным ротором.

Рассмотрим особенности каждого способа пуска.

Прямой пуск асинхронных двигателей нормального исполнения с короткозамкнутым ротом

При прямом пуске двигатель включается непосредственно в сеть (рис.14.1)

 Рис. 14.1 Схема прямого пуска асинхронного двигателя

Для двигателей, у которых пусковой момент меньше номинального, должны быть приняты меры для уменьшения статического момента механизма на время пуска. Например, при пуске насоса, клапан на всасывающей магистрали должен быть открыт частично, тогда подача насоса при пуске будет меньше номинальной.

В начале пуска асинхронных двигателей  ротор неподвижен, скольжение  и поэтому  ЭДС в обмотке ротора  достигает наибольшего значения, равного  соответственно пусковые токи ротора  и статора   так же достигают максимального значения, (по мере разгона двигателя скольжение уменьшается и становиться меньше единицы  , соответственно уменьшается ЭДС ротора и токи статора и ротора). Соотношение  ЭДС в начале пуска и после разгона ротора равно   =  [гер401].

При прямом пуске начальный пусковой ток ротора превышает номинальный, в зависимости от типа двигателя, в 6…8 раз, так как активное сопротивление ротора и реактивное сопротивление ротора также зависят от скольжения. В момент пуска реактивное сопротивление ротора max. имеет максимальное значение, так как  для неподвижного ротора.

Кратность пускового тока статора   = 5 – 7.  По мере разгона ротора токи статора и ротора соответственно   и уменьшаются и устанавлиается режим работы, определяемый статической нагрузкой на валу двигателя.

Рис. 14.1 Изменение действующих токов статора и ротора при пуске асинхронного двигателя

Большие пусковые токи вызывают провалы напряжения в судовой сети, что может привести к массовому отключению работающих двигателей.

Поэтому Правила Регистра допускают прямой пуск двигателей такой мощности, чтобы провал напряжения был не более 15% от U н (т.е. напряжение в сети 380В  при пуске не должно быть меньше U' = 0,85 U= 0,85х380 = 323 В).

Прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей специального исполнения

К короткозамкнутым асинхронным двигателям специального исполнения относятся:

1. двигатели с повышенным скольжением;

2. глубокопазные;

3. двухклеточные.

По сравнению с асинхронными двигателями нормального исполнения эти двигатели имеют улучшенные пусковые свойства, а именно:

1. пониженные пусковые токи;

2. увеличенные пусковые моменты.

Объясним, каким образом получены эти свойства.

Из теории  электрических машин известно, что электромагнитный момент асинхронных электродвигателей определяется выражением (14-1) [гер.369 фла 15.15]

   М = CI'cosψФ,                                                (14-1)

  где  C   – конструктивный коэффициент (величина постоянная);

 I' – приведенный к обмотке статора ток ротора;

 ψ – угол сдвига по фазе между векторами ЭДС обмотки ротора Е'и приведенным током ротора I';

I'cosψ – активная составляющая тока ротора;

Ф – значение вращающегося магнитного потока обмотки статора.

 Электромагнитный момент двигателя тем больше, чем больше  активная составляющая тока ротора [в (14-1) активная составляющая тока ротора Iар=  I'cosψ], а для ее увеличения необходимо увеличивать активное сопротивление обмотки ротора.

Увеличение активного сопротивления ротора, помимо увеличения пускового момента двигателя, дает и второе преимущество: уменьшение пусковых токов.

Таким образом, увеличивая активное сопротивление обмотки ротора, можно:

  1. увеличить пусковой момент двигателя,
  2. уменьшить пусковой ток двигателя.

Такими положительными свойствами обладают т.н. двигатели с улучшенными пусковыми свойствами. К  последним относятся асинхронные двигатели:

1. с повышенным скольжением;

2. с глубокими пазами на роторе;

3. с двойной беличьей клеткой на роторе;

4. с фазной обмоткой на роторе (двигатели с фазным ротором).

Асинхронные двигатели с повышенным скольжением по сравнению с обычными асинхронными двигателями имеют увеличенный пусковой момент (рис.14.2). Для этого искусственно уменьшают площадь поперечного  сечения проводников обмотки ротора, вследствие чего увеличивается их активное сопротивление, а значит и активная составляющая тока ротора и соответственно электромагнитный момент двигателя, прямо пропорциональный  этой составляющей (см. выше выражение 14-1).

Рис. 14.2 Механические характеристики асинхронных двигателей обычного исполнения (1) и с повышенным скольжением (2)

 

Недостатком этих двигателей является пониженная (по сравнению с двигателями обычного исполнения) скорость вращения ротора.

У двигателей с глубоким пазом  обмотка на роторе  выполнена  в виде стержней прямоугольного профиля с высотой – h, превосходящей ширину– b в 15…20 раз ( рис. 14.3)

Увеличение активного сопротивления обмотки ротора при пуске объясняется поверхностным эффектом.

    

Рис. 14.3  Глубокопазная обмотка ротора (а) и кривая распределения тока по высоте паза  (б)

Суть этого явления состоит в том, что на переменном токе основная часть тока через поперечное сечение проводника вытесняется на его поверхность. Это объясняется тем, что индуктивное сопротивление центральной части проводника гораздо больше по сравнению с сопротивлением поверхностного слоя.

При пуске частота тока в роторе f  = 50 Гц, нижняя  часть проводника обмотки ротора имеет увеличенное индуктивное сопротивление, поэтому пусковой ток вытесняется в верхнюю часть, что равнозначно уменьшению площади его поперечного сечения, т.е. увеличению активного сопротивления. В результате уменьшается пусковой ток и одновременно увеличивается пусковой момент.

При номинальной скорости и небольшой частоте тока ротора (1.. .3Гц) поверхностный эффект пропадает, так как ток распределяется равномерно по высоте поперечного сечения проводника.

В двухклеточных  асинхронных двигателях (рис. 14.4) использованы оба способа повышения активного сопротивления.

Рис. 14.4 Двухклеточная обмотка ротора асинхронного двигателя (а) и его механические характеристики: пусковой обмотки (1), рабочей обмотки (2) и (3)- механическая характеристика асинхронного двигателя нормального исполнения.

Эти двигатели имеют пусковую обмотку П, которая работает как обмотка ротора двигателя с повышенным скольжением, и рабочую Р, которая работает как глубокопазная.

 Эксплуатационные показатели двигателей специального исполнения хуже, чем у двигателей нормального исполнения. Коэффициент полезного действия и коэффициент мощности cosφ у них ниже, а стоимость выше.

На судах из перечисленных выше трех типов двигателей специального исполнения используется только один – двигатель с двумя клетками. Такие двигатели установлены в электроприводах грузовых лебедок на судах польской постройки ( типа «Муром» ).

Реостатный пуск двигателей с фазным ротором

 Асинхронные двигатели с фазным ротором (АД с ФР)  пускают в ход с помощью резисторов,  включаемых в цепь ротора, что позволяет уменьшить пусковой ток и увеличить пусковой момент двигателя (рис.14.5).

Для пуска двигателя включают линейный контактор КЛ, через контакты которого обмотка статора двигателя подключается к питающей сети «напрямую». Контакты КУ1 и КУ2 контакторов ускорения при пуске должны быть разомкнуты. Тем самым последовательно в каждую из трех фазных обмоток ротора вводятся обе ступени добавочных (пусковых) резисторов R и R.

Рис. 14.5 Схема пуска асинхронного двигателя с фазным ротором

Пусковые резисторы увеличивают общее (эквивалентное) сопротивление цепей фазных обмоток ротора, что (см. выше) приводит, с одной стороны, к уменьшению пускового тока, с другой – к увеличению пускового момента.

Когда двигатель разгонится до скорости 30-40% номинальной, отключают первую ступень R, для чего замыкают контакты КУ1.

Двигатель с броском тока продолжает разгоняться, и при скорости 60-70% номинальной отключают вторую ступень R, для чего замыкают контакты КУ2.

Двигатель после отключения резисторов R и R продолжает разгоняться до номинальной скорости.

Отключение резисторов можно производить вручную – при помощи контроллеров, или полуавтоматически – при помощи более сложных по устройству магнитных станций.  Следует отметить, что, кроме указанных достоинств – увеличенный пусковой момент, меньший пусковой ток, двигатели специального исполнения имеют существенные недостатки:

  1. более сложное устройство обмоток роторов;
  2. наличие щеточного устройства у двигателей с фазным ротором, снижающее надежность двигателя;
  3. худшие эксплуатационные характеристики: меньшие значения коэффициента полезного действия и коэффициента мощности.

На судах из перечисленных выше типов двигателей специального исполнения ограниченное применение нашли двигатели с двумя клетками на роторе – в электроприводах грузовых лебедок ( суда польской постройки типа «Муром» ), и более широкое применение – двигатели с фазным ротором. Их применяют на многих сериях судов в электроприводах грузовых кранов и брашпилей.

Рассмотрим пуск двигателя с фазным ротором

Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются при большом статическом моменте на валу, когда асинхронный двигатель с  короткозамкнутым (к.з.) ротором не может, при пониженном напряжении, развить достаточный пусковой момент.

                                           (14-2)

– сложный коэффициент ( +АД –Ген );

– скорость вращения магнитного поля статора, не зависит от сопротивления цепи ротора и следовательно скорость вращения магнитного поля статора не изменяется при изменении сопротивления цепи ротора от нулевого значения для естественной механической характеристики (ЕМХ)  до максимального значения  (Рис 14.6).

Рис 14.6 Механические характеристики АД с фазным ротором при разных значениях сопротивления в цепи ротора  ( )

Включением активного сопротивления в цепь ротора уменьшают толчки пускового тока и регулируют . Различные добавочные сопротивления в цепи ротора  ( ) позволяют получить семейство механических характеристик с общей  скоростью  вращающегося магнитного поля статора –  , независящей от сопротивления в цепи ротора.

Критический момент двигателя (14-2)    не зависит от активного сопротивления в цепи ротора (на рис. 14.6  величина не изменяется при увеличении ). С увеличением  в цепи ротора увеличивается  только критическое скольжение и уменьшается критическая скорость, а критический момент не изменяется.

                                   (14-3)

при

Пусковой момент  увеличивается до критического (максимального) момента при выполнении условия:

,

тогда критическая скорость становится равной нулю .

При дальнейшем увеличении   сопротивления в цепи ротора критическая скорость    принимает отрицательные значения, а пусковой момент  начинает уменьшаться (рис. 14.6).

На  механических характеристиках АД при разных сопротивлениях ротора наблюдается одно и то же максимальное (критическое) значение момента  (рис. 14.6).

По сравнению с двигателями постоянного тока асинхронные двигатели при прочих равных условиях дольше разгонятся до рабочей скорости и имеют меньший пусковой момент.

Уравнение (14-5) для  соответствует неподвижному ротору с сопротивлениями   и  , в котором (роторе) создается ток   по действием ЭДС  так как

          (14-5)

В начале пуска имеет наименьшее значение из-за большого индуктивного сопротивления, так как частота тока ротора имееет максимальное значение (при  пуске ). А момент  двигателя пропорционален активной составляющей тока ротора  и (так как активная составляющая мала). Большой пусковой ток  не опасен для АД так как пусковой ток содержит большую реактивную составляющую из-за большого индуктивного сопротивления ротора .В начале пуска при индуктивное сопротивление ротора имеет максимальное значение.

для АД нормального исполнения

– для АД специального исполнения

Рис.14.7 Схема замещения фазы асинхронного двигателя

Рис. 14.8 Электромеханическая I(M) и механические характеристики(M)  асинхронного двигателя при при разных значениях сопротивления  цепи ротора,  – пусковой момент     двигателя с повышенным скольжением

Пуск асинхронного двигателя при пониженном напряжении на обмотке статора

Для уменьшения пусковых токов применяют схемы пуска при пониженном напряжении:

  1. включением резисторов в цепь обмотки статора (рис. 9.13, а);
  2. включением индуктивных сопротивлений в цепь обмотка статора (рис. 9.13, б);
  3. включением обмотки статора через автотрансформатор (рис.9.13, в);
  4. переключением обмотки статора  со способа соединения фазных обмоток статора () «звезда» на «треугольник» (рис. 14.9  г).

            

Рис.14.9 Схемы пуска асинхронного двигателя при пониженном напряжении

В схеме на рис. 14.9, а при пуске замкнуты контакты линейного контактора КЛ, поэтому обмотка статора подключается к питающей сети через пусковые токоограничивающие резисторы СП. После того, как двигатель наберет обороты, а пусковой ток уменьшится до безопасных значений (обычно 2…2,5 номинального), схема управления замыкает контакты второго контактора – ускорения КУ,  при этом двигатель подключается к сети «напрямую».

В схеме на рис. 14.9б для ограничения пусковых токов последовательно с обмоткой статора включены токоограничивающие рабочие обмотки дросселя насыщения Др. Его обмотка управления ОУ питается постоянным током через понижающий трансформатор Тр и выпрямитель Вп.

При пуске индуктивное сопротивление рабочих обмоток дросселя должно быть максимальным, поэтому ток в обмотке управления ОУ должен быть минимальным. Для этого ползунок резистора поста управления ПУ должен находиться в крайнем правом положении.

После пуска ток в обмотке управления ОУ постепенно увеличивают, для чего перемещают ползунок ПУ влево. Индуктивное сопротивление рабочих обмоток постепенно уменьшается.

Когда ползунок ПУ перемещен влево до упора, пуск закончен. При таком положении ползунка индуктивное сопротивление рабочих обмоток дросселя практически равно нулю, что равнозначно прямому подключению обмотки статора к питающей сети.

В схеме на рис. 14.9в использованы два контактора – регулировочный КЛ1 и линейный КЛ2, а также автотрансформатор АТр.. При пуске включается контактор КЛ1, при замыкании нижних контактов которого образуется нулевая точка «звезды» трех фазных обмоток автотрансформатора, а через верхние контакты подается питание питающей сети на верхние выводы этих обмоток.

В момент пуска ползунки автотрансформатора должны находиться в крайнем нижнем положении, при этом обмотка статора асинхронного двигателя закорочена через нижние контакты КЛ1, т.е. напряжение на ней равно нулю. Поэтому скорость ротора также равна нулю, ротор неподвижен.

Для пуска ползунки автотрансформатора постепенно перемещают вверх, при этом напряжение, снимаемое с обмоток автотрансформатора  и подаваемое на обмотку статора,  также постепенно увеличивается. Поэтому скорость двигателя  увеличивается.

Пуск закончен, если ползунки автотрансформатора перемещены в крайнее верхнее положение. Когда на обмотку статора подается полное напряжение питающей сети, автотрансформатор  не нужен.

В этот момент времени включается линейный контактор КЛ2 и отключается регулировочный КЛ1. При замыкании контактов КЛ2 обмотка статора двигателя подключается к питающей сети «напрямую», а при размыкании контактов КЛ1 автотрансформатор отключается от обмотки статора двигателя (он уже выполнил свою роль).

В схеме на рис. 14.9г использован линейный контактор КЛ и переключатель «звезда»-«треугольник» П. Для пуска включают линейный контактор КЛ, через замыкающиеся контакты которого напряжение питающей сети подается на верхние выводы обмотки статора двигателя АД. После этого переводят переключатель в нижнее положение «звезда». При этом нижние выводы обмотки статора соединяются вместе, в нулевую точку, обмотка статора соединена  «звездой» и на статор двигателя подаётся фазное напряжение. В результате преключения с треугольника на звезду пуск приизводится при пониженном напряжении, что спообствует уменьшению пускового тока.

 После того, как двигатель наберет обороты и перестанет увеличивать скорость, переключатель переводят в верхнее положение «треугольник». Двигатель с броском тока переключается со «звезды» на «треугольник», после чего разгоняется на «треугольнике» до скорости, зависящей от статического момента механизма.

Этот способ нашёл самое широкое применение на судах ввиду его простоты (не требуются резисторы, индуктивные сопротивления или автотрансформаторы) и эффективности - пусковой ток уменьшается в 3 раза.

Следует особо подчеркнуть, что переключение обмотки статора со «звезды» на «треугольник» применяется только для пуска, а не для регулирования скорости асинхронного двигателя. Это объясняется тем, что скорость двигателя на «треугольнике» незначительно больше скорости на «звезде».

Все 4 рассмотренные выше схемы пуска при пониженном напряжении имеют один и тот же принципиальный недостаток: резкое уменьшение пускового момента двигателя, поскольку электромагнитный момент двигателя пропорционален квадрату напряжения.

Например, если при пуске напряжение понижено до значения                U' = 0,8U, то пусковой момент двигателя составит

М'= (U' / U)= (0,8) * М= 0,64 М ( т.е. 64% отМ).

 

         При провале напряжения на 20% двигатель уменьшает пусковой момент на 36% (64% = 100% – 36%).

Поэтому пуск при пониженном напряжении можно применять для механизмов, у которых на малых скоростях незначительный  статический момент. К таким механизмам относятся центробежные насосы и вентиляторы, их статический момент пропорционален квадрату скорости (т.е. на малых скоростях небольшое значение  статического момента).

Введение сопротивления в цепь статора

Введение во все фазы статора АД одинаковых активных или индуктивных сопротивлений применяется для улучшения пусковых характеристик, а так же для регулирования угловой скорости двигателя (с помощью индуктивных сопротивлений).

Улучшение пусковых характеристик происходит за счет (ограничения) уменьшения толчков пускового тока мощных двигателей при необходимых пусковых моментах.

Для определения рабочего тока двигателя используем упрощенную схему замещения:

Рис.14.10   Схема замещения фазы асинхронного двигателя при включении добавочного сопротивления  в цепь статора.

В общем случае  – добавочное сопротивление включает индуктивную и активную составляющую. Добавочное сопротивление включено перед обмоткой статора.

Ток в добавочном сопротивлении:

                  (14-9)

Напряжение  между точками 1 и 2, это напряжение намагничивающей цепи и рабочего контура (приведенного сопротивления ротора).

                                  (14-10)

Где  – напряжение сети, приложенное к фазе статора.

Получим ток рабочего контура  – (приведенный к статору ток ротора):

Подставив значение тока  – в уравнение электромагнитного момента:

                                   (14-12)

Можно построить механические характеристики двигателя при включении в цепь статора добавочного активного  или  индуктивного сопротивления.

Рис.14.11 Механические характеристики асинхронного двигателя при включении в цепь статора: 1 – активного сопротивления, 2 – индуктивного сопротивления, 3 – естественная характеристика, 4 – при пониженном напряжении сети.

Значение сопротивления, включаемого в цепь статора, определяется пусковым током при пониженном напряжении . Это ток , который желательно иметь при пуске и его можно представить как часть  от тока прямого пуска  (или нормального пуска):

Включаемые в цепь статора добавочные сопротивления определяются следующими выражениями:

а) в случае включения активного сопротивления в цепь статора для двигателей мощностью менее 50квт

                             (14-13)

б)или в случае включения индуктивного сопротивления сопротивления в цепь статора для двигателей мощностью более 50квт

где :

         .

Для более точного определения пускового значения косинуса   существует следующее выражение (14-15).

       (14-15).

где:  косинус номинальный

             – кратность пускового момента

        Iп/ Iн  – кратность пускового тока

             – отношение потерь в меди статора к суммарным потерям в номинальном режиме (можно принять   )

           к.п.д. двигателя при номинальном режиме         

         номинальное скольжение.

Из механических характеристик следует, что с введением в цепь статора добавочных сопротивлений уменьшаются критические моменты и критическое скольжение, кроме того, активное сопротивление повышает  при пуске и увеличивает потери энергии.

Для двигателей мощностью более 50кВт, с целью уменьшения пусковых токов,  в цепь статора включают индуктивное сопротивление.

При пуске с помощью индуктивного сопротивления потери энергии уменьшаются, а вместе с ним уменьшается и нагрузка на первичные двигатели судовых генераторов.

Недостатком обоих методов пуска (введением активного или индуктивного сопротивления в цепь статора) является уменьшение напряжения, подаваемого на обмотку статора и как следствие снижение пускового момента. Поэтому эти методы пуска применяют для механизмов, имеющих незначительные  статические моменты сопротивления при пуске это насосы, вентиляторы, компрессоры.

Кратность пускового момента:

Значение индуктивного сопротивления выбирают таким образом, чтобы получить:

Тогда для двигателя с номинальным скольжением  пусковой момент будет .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4475. Основи адміністративного права України 103.5 KB
  Основи адміністративного права України Мета заняття.Ознайомити студентів із особливостями адміністративного права, адміністративними правопорушеннями та адміністративною відповідальністю. Дати загальну характеристику Кримінального кодексу Укра...
4476. Основи кримінального права України 143.5 KB
  Основи кримінального права України Мета заняття.Ознайомити студентів із особливостями кримінального права, адміністративними правопорушеннями та адміністративною відповідальністю. Дати загальну характеристику Кримінального кодексу України. Оха...
4477. Основи сімейного права України 131 KB
  Основи сімейного права України Мета заняття. Ознайомити студентів із основами сімейного законодавства, порядком укладання та розірвання шлюбу, особистими та майновими правами подружжя, взаємними правами та обов’язками батьків і дітей. Дати...
4478. Правоохоронна і правозахисна діяльність 180 KB
  Правоохоронна і правозахисна діяльність Мета заняття.Ознайомити студентів із завданнями та структурою судової влади. Дати характеристику судоустрою та судочинства. Охарактеризувати правоохоронну діяльність, правоохоронні та правозахисні органи...
4479. Загальні положення про математичне моделювання у гідрологічних прогнозах 154 KB
  Загальні положення про математичне моделювання у гідрологічних прогнозах Комплексне раціональне використання водних ресурсів в значній мірі спирається на наукове дослідження водного та льодового режиму річок, озер та водосховищ, що веде до зростання...
4480. Загальні відомості про розвиток довгострокових гідрологічних прогнозів 85 KB
  Загальні відомості про розвиток довгострокових гідрологічних прогнозів. Аналіз сучасного стану в області довгострокового прогнозування гідрологічного режиму річок Розвиток довгострокових гідрологічних прогнозів на різних етапах історії пов’я...
4481. Загальні принципи оцінки точності методик довгострокового прогнозування та справджуваності прогнозів 177 KB
  Загальні принципи оцінки точності методик довгострокового прогнозування та справджуваності прогнозів Похибка довгострокового прогнозу. Визначення допустимої похибки гідрологічного прогнозу Згідно Настанові по службі прогнозів оцінка прогнозу...
4482. Довгострокові прогнози меженного стоку влітку, восени і взимку 394 KB
  Довгострокові прогнози меженного стоку влітку, восени і взимку Закономірності і фактори меженного стоку Під меженним стоком рівнинних і гірських річок розуміють стік літньо-осіннього і зимового періодів, коли річки отримують живлення в основному в...
4483. Довгострокові прогнози шарів стоку весняного водопілля для рівнинних річок 2.4 MB
  Довгострокові прогнози шарів стоку весняного водопілля для рівнинних річок В період весняного водопілля, одної з найбільш багатоводних фаз гідрологічного режиму більшості рівнинних річок України, формування стоку обумовлене таненням накопичено...