Меню

Бросок пускового тока асинхронного двигателя



Пуск асинхронного двигателя

Пусковые свойства двигателей.

При пуске ротор двигателя, преодолевая момент нагрузки и момент инерции, разгоняется от частоты вращения п = 0 до п . Скольжение при этом меняется от sп = 1 до s. При пуске должны выполняться два основных требования: вращающий момент должен бить больше момента сопротивления (Мвр>Мс) и пусковой ток Iп должен быть по возможности небольшим.

В зависимости от конструкции ротора (короткозамкнутый или фазный), мощности двигателя, характера нагрузки возможны различные способы пуска: прямой пуск, пуск с использованием дополнительных сопротивлений, пуск при пониженном напряжении и др. Ниже различные способы пуска рассматриваются более подробно.

Прямой пуск.

Пуск двигателя непосредственным включением на напряжение сети обмотки статора называется прямым пуском. Схема прямого пуска приведена на рис. 3.22. При включении рубильника в первый момент скольжение s = l, а приведенный ток в роторе и равный ему ток статора

максимальны (см.п.3.19 при s=1). По мере разгона ротора скольжение уменьшается и поэтому в конце пуска ток значительно меньше, чем в первый момент. В серийных двигателях при прямом пуске кратность пускового тока kI = IП / I1НОМ = ( 5,…,7), причем большее значение относится к двигателям большей мощности.

Значение пускового момента находится из (3.23) при s = 1:

Из рис. 3.18 видно, что пусковой момент близок к номинальному и значительно меньше критического. Для серийных двигателей кратность пускового момента МП/ МНОМ = (1.0,…,1.8).

Приведенные данные показывают, что при прямом пуске в сети, питающей двигатель, возникает бросок тока, который может вызвать настолько значительное падение напряжение, что другие двигатели, питающиеся от этой сети, могут остановиться.

С другой стороны, из-за небольшого пускового момента при пуске под нагрузкой двигатель может не преодолеть момент сопротивления на валу и не тронется с места. В силу указанных недостатков прямой пуск можно применять только у двигателей малой и средней мощности (примерно до 50 кВт).

Пуск двигателей с улучшенными пусковыми свойствами.

Улучшение пусковых свойств асинхронных двигателей достигается использованием эффекта вытеснения тока в роторе за счет специальной конструкции беличьей клетки. Эффект вытеснения тока состоит в следующем: потокосцепление и индуктивное сопротивление X2 проводников в пазу ротора тем выше, чем ближе ко дну паза они расположены (рис.3.23). Также X2 прямо пропорционально частоте тока ротора.

Следовательно, при пуске двигателя, когда s=1 и f2 = f1 = 50 Гц , индуктивное сопротивление X2 = max и под влиянием этого ток вытесняется в наружный слой паза. Плотность тока j по координате h распределяется по кривой, показанной на рис.3.24. В результате ток в основном проходит по наружному сечению проводника, т.е. по значительно меньшему сечению стержня, и, следовательно, активное сопротивление обмотки ротора R2 намного больше, чем при нормальной работе. За счет этого уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент МП (см. (3.37), (3.38) ).

По мере разгона двигателя скольжение и частота тока ротора падает и к концу пуска достигает 1 – 4 Гц. При такой частоте индуктивное сопротивление мало и ток распределяется равномерно по всему сечению проводника. При сильно выраженном эффекте вытеснения тока становится возможным прямой пуск при меньших бросках тока и больших пусковых моментах.

К двигателям с улучшенными пусковыми свойствами относятся двигатели, имеющие роторы с глубоким пазом, с двойной беличьей клеткой и некоторые другие.

Двигатели с глубокими пазами.

Как показано на рис.3.25, паз ротора выполнен в виде узкой щели, глубина которой примерно в 10 раз больше, чем ее ширина. В эти пазы-щели укладывается обмотка в виде узких медных полос. Распределение магнитного потока показывает, что индуктивность и индуктивное сопротивление в нижней части проводника значительно больше, чем в верхней части.

Поэтому при пуске ток вытесняется в верхнюю часть стержня и активное сопротивление значительно увеличивается. По мере разгона двигателя скольжение уменьшается, и плотность тока по сечению становится почти одинаковой.

В целях увеличения эффекта вытеснения тока глубокие пазы выполняются не только в виде щели, но и трапецеидальной формы. В этом случае глубина паза несколько меньше, чем при прямоугольной форме.

Двигатели с двойной клеткой.

В таких двигателях обмотки ротора выполняются в виде двух клеток (рис.3.26): во внешних пазах 1 размещается обмотка из латунных проводников, во внутренних 2 – обмотка из медных проводников.

Таким образом, внешняя обмотка имеет большее активное сопротивление, чем внутренняя. При пуске внешняя обмотка сцепляется с очень слабым магнитным потоком, а внутренняя – сравнительно сильным полем. В результате ток вытесняется во внешнюю клетку, а во внутренней тока почти нет.

Читайте также:  Защита постоянного тока от скачков напряжения

По мере разгона двигателя ток из внешней клетки переходит во внутреннюю и при s =sНОМ протекает в основном по внутренней клетке. Ток во внешней клетке при этом сравнительно небольшой.

Результирующий пусковой момент, складывающийся из моментов от двух клеток, значительно больше, чем у двигателей нормальной конструкции, и несколько больше, чем у двигателей с глубоким пазом. Однако следует иметь в виду, что стоимость двигателей с двойной клеткой ротора выше.

Пуск переключением обмотки статора.

Если при нормальной работе двигателя фазы статора соединены в треугольник, то, как показано на рис.3.27, при пуске первоначально они соединяются в звезду.

Для этого сначала включается выключатель Q, а затем переключатель S ставится в нижнее положение Пуск. В таком положении концы фаз Х, Y, Z соединены между собой, т.е. фазы соединены звездой. При этом напряжение на фазе в √3 раз меньше линейного.

В результате линейный ток при пуске в 3 раза меньше, чем при соединении треугольником. При разгоне ротора в конце пуска переключатель S переводится в верхнее положение и, как видно из рис. 3.27, фазы статора пересоединяются в треугольник.

Недостатком этого способа является то, что пусковой момент также уменьшается в 3 раза, так как момент пропорционален квадрату фазного напряжения, которое в √3 раз меньше при соединении фаз звездой. Поэтому такой способ применим при небольшом нагрузочном моменте и только для двигателей, нормально работающих при соединении обмоток статора в треугольник.

Пуск при включении добавочных резисторов в цепь статора.(рис. 3.28)

Перед пуском выключатель (пускатель) находится в разомкнутом состоянии и замыкается выключатель Q1.

При этом в цепь статора включены добавочные резисторы RДОБ. В результате обмотка статора питается пониженным напряжением U1n = U1НОМInRДОБ. После разгона двигателя замыкается выключатель Q2 и обмотка статора включается на номинальное напряжение U1НОМ. Подбором RДОБ можно ограничить пусковой ток до допустимого.

Следует иметь в виду, что момент при пуске, пропорциональный U 2 , будет меньше и составляет (U / U1НОМ) 2 номинального. Важно отметить, что при этом способе пуска значительны потери в сопротивлении RДОБ (RДОБI 2 1n). Можно вместо резисторов RДОБ включить катушки с индуктивным сопротивлением ХДОБ, близким к RДОБ.

Применение катушек позволяет уменьшить потери в пусковом сопротивлении.

Автотрансформаторный пуск.

Кроме указанных способов можно применить так называемый автотрансформаторный пуск.

Соответствующая схема показана на рис.3.29.

Перед пуском переключатель S устанавливается в положение 1, а затем включается автотрансформатор и статор питается пониженным напряжением U. Двигатель разгоняется при пониженном напряжении и в конце разгона переключатель S переводится в положение 2 и статор питается номинальным напряжением U1ном.

Если коэффициент трансформации понижающего трансформатора n, тогда ток I на его входе будет в n раз меньше. Кроме того, пусковой ток будет также в n раз меньше, т.е. ток при пуске в сети будет в n 2 раз меньше, чем при непосредственном пуске.

Этот способ, хотя и лучше рассмотренных в п.3.14.7, но значительно дороже.

Пуск двигателя с фазным ротором.

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется путем включения пускового реостата в цепь ротора, как это показано на рис.3.30.

Начала фаз обмоток ротора присоединяются к контактным кольцам и через щетки подключаются к пусковому реостату с сопротивлением Rp.

Приведенное к обмотке статора сопротивление пускового реостата Rp рассчитывается так, чтобы пусковой момент был максимальный, т.е. равен критическому. Так как при пуске скольжение sП = 1, то sП = 1 = sК , равенство МП = М Пmaх = МК будет обеспечено. Тогда

Пуск двигателя происходит по кривой, показанной на рис.3.31. В момент пуска рабочая точка на механической характеристике находится в положении а, а при разгоне двигателя она перемещается по кривой 1, соответствующей полностью включенному реостату.

При моменте, соответствующем точке е , включается первая ступень реостата и момент скачком увеличивается до точки b – рабочая точка двигателя переходит на кривую 2; в момент времени, соответствующей точке d, выключается вторая ступень реостата, рабочая точка скачком переходит в точку с и двигатель выходит на естественную характеристику 3 и затем в точку f. Реостат закорачивается, обмотка ротора замыкается накоротко, а щетки отводятся от колец.

Таким образом, фазный ротор позволяет пускать в ход асинхронные двигатели большой мощности при ограниченном пусковом токе. Однако этот способ пуска связан со значительными потерями в пусковом реостате.

Кроме того, двигатель с фазным ротором дороже двигателя с короткозамкнутым ротором. Поэтому двигатель с фазным ротором применяется лишь при больших мощностях и высоких требованиях к приводу.

Читайте также:  Уравнение мгновенного значения тока начальная фаза

Источник

Пуск асинхронных двигателей

В большинстве случаев асинхронные двигатели включаются прямым включением в сеть. В статорной цепи двигателя замыкаются контакты электромагнитного пускателя, обмотки подключаются к линейному напряжению сети, возникает вращающееся электромагнитное поле, и привод начинает работать.

Пуск асинхронного приводаКонечно, при этом происходит пусковой бросок тока, превышающий номинальное значение в пять-семь раз. И длительность этого броска зависит от продолжительности пуска, то есть от мощности двигателя. Чем больше двигатель, тем большее время требуется ему для разгона и тем длительнее будет воздействие повышенного тока на питающую сеть и статорную обмотку.

Для “слабых” асинхронных электроприводов мощностью не более 3 кВт указанные недостатки прямого включения в сеть не являются критичными. Конечно, имеющим место броском тока нельзя пренебрегать, но даже бытовая сеть переменного тока обычно обладает некоторым резервом по мощности, позволяющим выдержать моментную перегрузку.

Что же касается самого приводного двигателя, то при отсутствии “просадок” напряжения он всегда запустится безо всяких для себя последствий. Поэтому, прямое включение в сеть часто применяется для асинхронных приводов небольших насосных и вентиляторных установок, циркулярных пил, наждаков, металлообрабатывающих станков.

Пуск этих приводов происходит в относительно благоприятных условиях, а двигатели рассчитываются на постоянную работу при соединении статорных обмоток в «звезду» и линейном напряжении 380 вольт (номинальное напряжение 380/220 вольт).

Но когда мощность двигателя исчисляется десятью, 15-ю и более киловаттами, прямое включение в сеть становится просто неприемлемым. Тогда броски пускового тока необходимо ограничивать, поскольку они создают лишнюю нагрузку на сеть и могут вызвать “просадку” напряжения.

Самый популярный способ ограничения пускового тока асинхронного привода – это пуск при пониженном напряжении. Для двигателей 660/380 вольт такой пуск технически можно реализовать переключением обмоток со «звезды» на «треугольник». В «звезде» двигатель потребляет меньший ток, и нагрузка на сеть уменьшается.

Переключение на «треугольник» через несколько секунд после пуска можно организовать при помощи реле времени, или контролируя ток в статорной цепи. Однако, существует одна проблема – при снижении напряжения питания снижается и момент двигателя на валу.

Причем если напряжение было снижено в два раза, то момент понижается в четыре раза – зависимость квадратичная. И это при том, что пусковой момент асинхронных двигателей и без того ограничен в силу особенностей асинхронной механической характеристики.

Поэтому, понижение напряжения и переключение со «звезды» на «треугольник» применяется только в электроприводах, имеющих технологическую возможность запускаться при полном отсутствии нагрузки на валу. Это актуально для гонных двигателей преобразовательных агрегатов, для приводов мощных многопильных станков и тому подобных приводов.

Пуск при пониженном напряжении совсем не подходит, например, для привода ленточного конвейера, который практически всегда вынужден запускаться в нагруженном состоянии. Для таких приводов применяется реостатный пуск, также позволяющий ограничить пусковой ток двигателя, но без снижения крутящего момента.

Для реостатного пуска применяются двигатели с фазным ротором, позволяющим включить дополнительные сопротивления в свою цепь. Сопротивления можно выводить и по ступеням, при этом пуск получится более плавным. Реостатное регулирование часто применяют и для изменения скорости привода во время работы.

Но самым эффективным для асинхронного привода является пуск с использованием частотного преобразователя (ПЧ). Изменяя частоту и величину питающего напряжения, преобразователь позволяет асинхронному двигателю запускаться и работать с оптимальными показателями в составе любого привода. При этом совершенно исключаются броски тока, а крутящий момент достигает максимально возможных значений.

Источник

Бросок пускового тока асинхронного двигателя

Пуск асинхронного привода прямым включением в сеть связан с бросками тока в статорной цепи. Это общеизвестный факт. Но не все задумывались о том, в чем причина этого явления. Мы привыкли, что ток любого электродвигателя прямо пропорционален вращающему моменту на валу. А здесь, казалось бы, парадоксальная ситуация: момент двигателя при пуске ограничен, а ток может превышать номинальное значение в семь раз. Как же так получается?

Возникновение бросков тока при пуске асинхронных двигателейВсе дело в физике работы асинхронной машины. Переменное электромагнитное поле статора наводит ЭДС в обмотке ротора двигателя. Величина этой ЭДС, в соответствии с законами электромагнитной индукции, зависит от скорости изменения электромагнитного поля статора, то есть от частоты вращения этого поля относительно ротора (от скольжения).

Но если поле статора начинает вращаться сразу после подачи напряжения, то ротору необходимо какое-то время, для того, чтобы разогнаться. И чем мощнее и больше двигатель, тем больше времени требуется ротору для разгона – увеличенная масса способствует инерции.

Величина скольжения, в свою очередь, имеет самое большое значение именно в первый момент пуска. В этот момент скольжение равно единице, ротор еще неподвижен, а поле уже вращается с максимальной скоростью. ЭДС в роторной цепи достигает максимального значения, так же как и ток ротора.

Читайте также:  Движение каких частиц образует электрический ток в полупроводниках не имеющих примеси

Ток ротора тоже является переменным, поэтому он тоже создает свое переменное электромагнитное поле. Это поле опять же наводит ЭДС уже в статорной цепи двигателя. А под воздействием упомянутой ЭДС в статоре начинает протекать дополнительная составляющая тока, компенсирующая МДС ротора.

Таким образом, ток в статоре всегда складывается из двух сонаправленных составляющих. Величина одной составляющей обусловлена собственным сопротивлением статорной обмотки. Эта составляющая имеет постоянное значение и на идеальном холостом ходу двигателя весь статорный ток сводится только к ней.

А вторая составляющая статорного тока зависит от тока в роторной цепи и своего максимума достигает в первый момент пуска двигателя, уменьшаясь до нуля по мере приближения к точке идеального холостого хода. За счет второй составляющей статорный ток двигателя и достигает таких огромных значений при пуске.

Остается невыясненным только один нюанс: почему большой пусковой ток асинхронного двигателя не обеспечивает столь же большого пускового момента, как это бывает у двигателей постоянного тока? Причина состоит в том, что момент двигателя создается только активной составляющей тока ротора, то есть той составляющей, которая совпадает по фазе с роторной ЭДС.

А соотношение активного и реактивного тока ротора зависит, прежде всего, от частоты ЭДС, наводимой в роторной обмотке. Чем выше частота, тем более «переменным» становится ток и тем большее значение приобретает индуктивное сопротивление обмоток ротора. А чем больше индуктивное сопротивление роторных обмоток, тем более реактивным становится роторный ток.

Максимальной частоты ЭДС ротора достигает именно в момент пуска, когда ротор неподвижен. В этот момент роторная ЭДС изменяется с частотой питающей сети – 50 герц. Впоследствии, когда двигатель выходит на рабочий участок характеристики, эта частота падает до нескольких герц, и индуктивное сопротивление обмоток перестает иметь значение, а ток ротора становится практически полностью активным.

Да, пусковой ток в роторной цепи асинхронного двигателя велик, но это преимущественно реактивный ток, он не может обеспечить большой электромеханический момент. Активный ток достигает необходимой величины только после снижения частоты ЭДС и выхода двигателя на рабочую характеристику. С этим и связаны две проблемы пуска асинхронных двигателей: ограниченный пусковой момент и, напротив, повышенный в несколько раз пусковой статорный ток.

Максимальной частоты ЭДС ротора достигает именно в момент пуска, когда ротор неподвижен. В этот момент роторная ЭДС изменяется с частотой питающей сети – 50 герц. Впоследствии, когда двигатель выходит на рабочий участок характеристики, эта частота падает до нескольких герц, и индуктивное сопротивление обмоток перестает иметь значение, а ток ротора становится практически полностью активным.

Источник

Учебные материалы

Помощь студентам

В первый момент пуска частота вращения ротора n2 равна нулю и скольжение

При пуске двигателя должны выполняться условия:

  1. вращающий момент должен быть больше момента сопротивления, создаваемого рабочим механизмом;
  2. пусковой ток Iпуск не должен иметь большого значения (должно выполняться условие Iпуск ≤ (5÷7)Iном).

В зависимости от конструкции ротора, мощности двигателя и характера нагрузки применяются различные способы пуска:

  1. прямой пуск;
  2. пуск с использованием пусковых реостатов, включаемых в цепь обмотки фазного ротора;
  3. пуск при пониженном напряжении.

При прямом пуске обмотка статора двигателя сразу включается на полное напряжение сети. При этом пусковые токи в статоре и роторе имеют максимальные значения. По мере разгона ротора скольжение уменьшается и токи уменьшаются.

Бросок тока при пуске может вызвать значительное падение напряжения в сети, что может привести к остановке рядом работающих двигателей, так как момент, развиваемый ими прямо пропорционален квадрату напряжения сети

Данный способ пуска получил наибольшее применение для двигателей мощностью до 50 кВт.

Пуск с включением пускового реостата в цепь фазного ротора обеспечивается наиболее благоприятное соотношение между пусковым моментом и пусковым током. Однако этот способ пуска связан со значительными потерями мощности в пусковом реостате.

При пуске двигателя при пониженном напряжении существуют следующие способы понижения напряжения:

  • переключением обмотки статора с треугольника на звезду (фазное напряжение на статоре понижается в 3 1/2 раз);
  • включением в цепь обмотки статора реактивных катушек (дросселей);
  • подключением двигателя к сети через понижающий автотрансформатор.

Пуск двигателя при пониженном напряжении связан с понижением пускового момента

что является существенным недостатком данного способа пуска.

Источник