При пуске в ход, то есть при трогании с места и разгоне, момент, развиваемый двигателем, должен превышать момент сопротивления нагрузки, иначе двигатель не сможет разогнаться. В начальный момент пуска, когда скорость двигателя равна нулю, а скольжение – единице, ЭДС в обмотке ротора максимальна (см. 2.37), а пусковой ток в обмотке статора I 2 , в соответствии с (2.40), значительно превышает номинальный рабочий ток. Соответственно возрастает и ток в обмотке статора, то есть ток, потребляемый двигателем от питающей сети. Кратность пускового тока y п = I П /I НОМ для двигателей с короткозамкнутым ротором достигает 5 – 7. По мере разгона двигателя скольжение уменьшается, что приводит к уменьшению ЭДС и силы тока в обмотке ротора. Соответственно уменьшается и ток в обмотке статора.
Большой пусковой ток должна быть недопустимым, как для самого двигателя, так и для сети, питающей двигатель. В случае если пуски реализуются часто, то большой пусковой ток приводит к повышению температуры обмоток двигателя, что может привести к преждевременному старению его изоляции. В случае если после подачи напряжения на двигатель, он по какой - либо причине не запустился, двигатель должен быть немедленно отключен, автоматическим устройством защиты, срабатывающим при повышенном токе, или вручную. В питающей сети при большой силе тока снижается напряжение, что влияет на работу других потребителей, подключенных к сети. По этой причине прямой пуск двигателя непосредственным включением в питающую сеть допускается лишь в том случае, когда мощность двигателя, намного меньше мощности, на которую рассчитана сеть питания.
У двигателей с фазным ротором снижение пускового тока достигается включением в цепь ротора трехфазного пускового реостата. Активные сопротивления, включенные в цепь каждой фазы ротора, обеспечивают уменьшение тока в обмотке ротора, а значит и в обмотке статора. При этом увеличение активного сопротивления в цепи ротора обеспечивает увеличение коэффициента мощности cosψ 2 , и получение достаточно большого пускового момента при уменьшенном пусковом токе. По мере увеличения скорости вращения двигателя сопротивление пускового реостата плавно или ступенчато уменьшается до нуля.
Уменьшить пусковой ток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором можно путем пуска при пониженном напряжении питания. Возможно также включение на время пуска по схеме звезда, статорной обмотки рассчитанной на соединение в треугольник. При этом при этих способах существенно снижается вращающий момент и они применимы лишь при пуске без нагрузки или при малой нагрузке. Уменьшение пускового тока при сохранении большого вращающего момента путем пуска при пониженной частоте напряжения питания.
Для механизмов, имеющих тяжелые условия пуска, в которых желательно использовать асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, целесообразно применять двигатели с улучшенными пусковыми свойствами: c большим пусковым моментом и меньшим, чем у двигателей общего назначения, пусковым током. Такими являются двигатели с двухклеточным и глубокопазным ротором. Форма пазов и активных проводников обмотки якоря двухклеточного и глубокопазного ротора показаны на рис. 2.30
Ротор двухклеточного двигателя имеет две короткозамкнутые обмотки: внешнюю 1 (рис. 2.30а.), или пусковую, выполненную стержнями с малым поперечным сечением из материала с пониженной электропроводностью (латуни, бронзы) и внутреннюю 2, или рабочую – выполненную стержнями с большим поперечным сечением из материала с высокой электропроводностью (меди). В начале пуска двигателя (при n = 0, s = 1) частота тока в роторе равна частоте сети. При этом индуктивные сопротивления клеток велики по сравнению с активными (X L = 2πfL). Особенно велико индуктивное сопротивление нижней, рабочей, клетки, глубоко погруженной в тело ротора и сцепленной с большим потоком рассеяния (показан пунктирными линиями на рис. 2.30). Ток проходит в основном по верхней клетке с большим активным сопротивлением благодаря чему уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент. По мере разгона двигателя частота тока ротора уменьшается в десятки раз, так как скольжение уменьшается от единицы до сотых долей ее. Следовательно индуктивное сопротивление ротора, пропорциональное частоте, уменьшается и становится незначительным и для пусковой и для рабочей обмотки. При этом ток ротора, распределяющийся между клетками обратно пропорционально их сопротивлениям, начинает протекать в основном в рабочей обмотке с малым активным сопротивлением. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, процесс пуска двухклеточного двигателя сходен с процессом реостатного пуска двигателя с фазным ротором.
Рисунок 2.30 – Формы пазов двухклеточного и глубокопазного ротора
Имеются и другие конструкции ротора с двойной клеткой, к примеру с фигурными пазами 3 залитыми алюминием (рис. 2.30б). Здесь повышенное активное сопротивление клетки при пуске обеспечивается только за счёт вытеснения тока в верхние части проводников, так как материал обеих клеток одинаков. Такая конструкция проще и дешевле, но пусковые характеристики двигателя несколько хуже.
Аналогично вытеснение тока в верхнюю часть проводника при пуске, когда частота тока в роторе велика, обеспечивается в глубокопазном роторе (рис. 2.30в), в котором проводник 4, обычно медный сильно вытянут по высоте. Вытеснение тока в верхнюю часть проводника равноценно уменьшению его сечения и обеспечивает увеличение активного сопротивления ротора во время пуска и уменьшение пускового тока.
Пуск асинхронного двигателя - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Пуск асинхронного двигателя" 2014, 2015.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (фиг. 225, 226) является самым распространенным из электрических двигателей, применяемых в промышленности.
Устройство асинхронного двигателя следующее. На неподвижной части двигателя - статоре 1 (фиг. 226) размещается трехфазная обмотка 2, питаемая трехфазным током. Начала трех фаз этой обмотки выводятся на общий щиток, укрепленный снаружи на корпусе 3 двигателя.
Так как в обмотках статора протекает переменный ток, то по стали статора будет проходить переменный магнитный поток. Для уменьшения вихревых токов, возникающих в статоре, его делают из отдельных штампованных листов легированной стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Отдельные листы изолируют один от другого лаком. Листы с выштампованными пазами для обмотки стягивают между собой болтами, изолированными от статора. Собранный сердечник статора укрепляют в чугунном корпусе 3 двигателя.
Вращающуюся часть двигателя - ротор 4 собирают также из отдельных листов стали. В пазы ротора закладывают медные стержни, которые с двух сторон припаивают к медным кольцам 5.
Если представить себе одну обмотку такого ротора, то она по внешнему виду будет напоминать «беличье колесо» (фиг. 227,а).
В настоящее время у всех двигателей мощностью до 100 кВт «беличье колесо» делается из алюминия путем заливки его под давлением в пазы ротора (фиг. 227, б).
Вал 6 ротора (фиг. 226) вращается в подшипниках, закрепленных в подшипниковых щитах 7 и 8. Щиты при помощи болтов крепятся к корпусу двигателя. На один конец вала ротора насаживается шкив для передачи вращения рабочим машинам или станкам. Пуск двигателя с короткозамкнутым ротором очень прост. Для этого нужно при помощи рубильника (или другого пускового приспособления) включить обмотку статора под напряжение, и ротор начнет вращаться. При пуске двигатель с короткозамкнутым ротором берет из сети пусковой ток в 5-7 раз больший, чем ток, который потребляет двигатель при нормальной работе (номинальный ток).
Большие пусковые токи двигателей вызывают большое падение напряжения в сети, что вредно отражается на работе других потребителей.
В момент пуска, когда частота тока ротора равна частоте тока статора, индуктивное сопротивление роторной обмотки велико, угол сдвига фаз между э. д. с. E 2S и током ротора I 2 также велик. Поэтому пусковой вращающий момент двигателя будет небольшим. Выше было указано, что путем увеличения
активного сопротивления цепи роторной обмотки можно увеличить вращающий момент двигателя. Можно было бы сделать роторную обмотку большего сопротивления, но это вызвало бы большой нагрев обмотки и уменьшение к. п. д. двигателя. Для улучшения пусковых характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют двигатели с двумя короткозамкнутыми обмотками на роторе и двигатели с глубоким пазом.
Двигатель с двумя клетками (короткозамкнутыми обмотками) был предложен Доливо-Добровольским. На роторе такого двигателя помещают две клетки (фиг. 228): одну - пусковую, имеющую большое активное сопротивление и малое индуктивное сопротивление, и другую - рабочую, обладающую, наоборот, малым активным сопротивлением и большим индуктивным сопротивлением.
Стержни пусковой клетки изготовляют обычно из марганцовистой латуни. Материалом рабочей клетки служит красная медь. Сечение рабочей клетки делается больше сечения пусковой клетки. В результате подбора материала и сечения клеток сопротивление пусковой клетки получается в четыре-пять раз больше сопротивления рабочей клетки.
Как видно из фиг. 228, б. между стержнями пусковой и рабочей обмоток имеется узкая щель, размеры которой определяют индуктивность нижней рабочей клетки.
Рассмотрим работу двухклеточного двигателя.
В момент пуска двигателя, когда частота токов ротора равна частоте сети, магнитный поток рассеяния рабочей клетки велик И поэтому индуктивность клетки также велика. Благодаря этому сдвиг фаз между током рабочей клетки и э. д. с, индуктированной в ней, будет большим, а момент вращения, создаваемый клеткой, - малым. В результате большого активного сопротивления и малой индуктивности верхней пусковой клетки ток и э. д. с, индуктированные в ней, будут незначительно сдвинуты по фазе и вращающий момент, развиваемый пусковой клеткой, будет большим. Следовательно, при пуске вращающий момент двигателя получается преимущественно за счет пусковой клетки.
С увеличением скорости двигателя частота токов ротора уменьшается, индуктивное сопротивление клеток оказывает на работу двигателя все меньшее влияние и поэтому распределение токов в клетках определяется только их активным сопротивлением. Но как было указано выше, активное сопротивление рабочей клетки в несколько раз меньше сопротивления пусковой клетки. Поэтому при нормальной работе двигателя большая часть тока проходит по рабочей клетке и вращающий момент получается преимущественно за счет рабочей клетки.
На фиг. 229 показана зависимость вращающего момента двухклеточного двигателя от величины скольжения. На диаграмме кривая 1 показывает изменение момента, создаваемого пусковой обмоткой, кривая 2 - изменение момента, создаваемого рабочей обмоткой. Сумма мгновенных значений моментов двух обмоток дает кривую М момента двухклеточного двигателя.
|
Более простым в изготовлении является ротор, у которого обе клетки заливают алюминием. На фиг. 230 показан внешний вид и частичный разрез ротора с двойной литой алюминиевой клеткой.
Двухклеточный двигатель дороже асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором обычной конструкции на 20-30 0 / 0 . Наши заводы изготовляют двух-клеточные двигатели от 5 до 2000 кВт.
Наряду с двухклеточным двигателем применяются двигатели с глубоким пазом (фиг, 231). Отношение длины паза к ширине берется в пределах 10-12. В момент пуска нижняя часть паза сцеплена с большим числом магнитных линий потока рассеяния, чем верхняя часть паза. Вследствие этого индуктивное сопро-
тивление нижней части паза больше, чем верхней. Это приводит к вытеснению тока ротора в верхнюю часть стержней обмотки. Плотность тока в верхних слоях стержня увеличивается, что равносильно уменьшению сечения стержней и увеличению активного сопротивления обмотки. Это, как известно, приводит к увеличению вращающего момента двигателя. Кроме того, увеличение индуктивного сопротивления обмотки ротора вызывает уменьшение пускового тока. С увеличением скорости двигатель приобретает свойства, соответствующие его нормальной конструкции.
В табл. 17 приведены пусковые характеристики двигателя с короткозамкнутым ротором нормального исполнения, двухклеточного двигателя и двигателя с глубоким пазом. Пусковые свойства даются в виде отношения пускового тока І П к номинальному току І H и в виде отношения пускового момента MІ П к номинальному моменту M H .
При управлении от инвертора важны характеристики двигателя в области малых скольжений. А при использовании софт-стартера важны параметры двигателя во всем диапазоне скольжений.
Характеристики двигателя
Пусковые характеристики двигателя определяют пределы для запуска под полным или пониженным напряжением. Это особенно важно учитывать в случаях, когда требуется:
Конструкция ротора влияет на пусковые характеристики двигателя. От конструкции статора зависит работа двигателя на полной скорости. Форма, размещение и материал стержней ротора влияют на характер протекающих по ним токов, и на стартовый момент, соответственно.
Пусковые характеристики двигателя можно определить исходя из его спецификации. Данная таблица отображает параметры различных двигателей мощностью 110 кВт.
ТЗР – ток заблокированного ротора;
ТПН – ток под полной нагрузкой;
МЗР – момент заблокированного ротора;
МПН – момент под полной нагрузкой.
Крайняя правая колонка таблицы – момент двигателя при ограничении пускового тока на уровне 300% от номинального.
Максимальный пусковой ток двигателя под полным напряжением определяется Током Заблокированного Ротора (ТЗР). Уровень ТЗР различен для разных типов двигателей. Например, у двигателя «H» стартовый ток на 55% больше по сравнению с двигателем «E».
| Пусковой момент характеризуется Моментом Заблокированного Ротора (МЗР). МЗР значительно варьируется у различных двигателей. Например, пусковой момент двигателя «А» в два раза выше, чем у двигателя «I».
|
|
| ТЗР и МЗР взаимосвязаны
При определении пусковой характеристики двигателя необходимо одновременно учитывать и ТЗР, и МЗР. В данном примере двигатели ранжируются по моменту при токе, равному 300% от номинального. |
||
Момент изменяется пропорционально квадрату тока.
Двигатели B и G выдают практически одинаковый момент при полном напряжении. Однако, при токе 3xТПН двигатель B производит на 60% больший стартовый момент.
Резюме
В ыбирая двигатель с малым током заблокированного ротора (ТЗР) при высоком моменте заблокированного ротора (МЗР), можно достичь:
При подаче напряжения питания на двигатель, ток мгновенно возрастает до уровня ТЗР. Это вызывает нежелательные для источника питания переходные процессы. По мере увеличения скорости двигателя ток постепенно падает. Нагрузка двигателя влияет только на время ускорения, но не на амплитуду тока, которая всегда равна ТЗР.
При подаче напряжения питания на двигатель момент мгновенно возрастает до уровня МЗР. Это вызывает переходные ударные нагрузки, которые могут повредить оборудование. Обычно, прежде, чем достичь значения максимального момента (незадолго до набора максимальной скорости), момент падает от уровня МЗР до уровня предельного перегрузочного момента.
1.
Бросок тока
2.
Амплитуда тока
3.
Бросок момента
4.
Амплитуда момента
Пуск при пониженном напряжении может помочь преодолеть эти ограничения, путем постепенного увеличения напряжения.
Пусковой ток снижается.
Снижается также и пусковой момент пропорционально квадрату снижения тока.
Ток можно ограничивать только до того уровня, когда момент на валу двигателя еще превышает момент нагрузки
(желтая
кривая).
<-- Чтобы быть эффективным, устройство пуска с пониженным напряжением должно позволять двигателю разогнаться до 90% его номинальной скорости, прежде, чем подавать полное напряжение.
Если это сделать раньше, ток поднимется практически до уровня ТЗР, что перечеркнет все преимущества пуска с пониженным напряжением.
Устройства пуска с пониженным напряжением
Электромеханические:
Эти устройства предназначены для снижения напряжения на период пуска двигателя. Трансформатор имеет множество отводов, что позволяет установить напряжение пуска.
Ток двигателя снижается за счет снижения напряжения и дополнительно за счет влияния самого трансформатора на линейный ток.
Резисторы подключаются последовательно в каждую фазу между линейным контактором и двигателем.
Падение напряжения на резисторах вызывает снижение напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя, благодаря чему снижается пусковой ток и момент.
Ограничения:
| Стартовое напряжение определяется сопротивлением применяемых резисторов. Если их сопротивление будет слишком высоким, момента двигателя будет недостаточно, чтобы разогнать его дополной скорости. Время пуска с пониженным напряжением контролируется предустановленным таймером. Если времени будет слишком мало, двигатель не наберет максимальную скорость до момента шунтирования резисторов.
|
Звезда/Треугольник
Первоначально двигатель подключается «звездой», а затем, по истечении предустановленного времени, отключается от сети и переподключается в соединение «треугольником».
Линейный ток и момент двигателя в соединении «звезда» составляет одну треть по сравнению с соединением «треугольником», когда на обмотки подается полное напряжение.
В данном примере в соединении обмоток «звездой» момент недостаточный для разгона данной нагрузки. Переключение на соединение «треугольник» происходит слишком рано (скольжение 60%).
Ограничения:
- Невозможно настроить.
- Разрыв цепи в момент переключения со «звезды» на «треугольник» вызывает броски тока и момента.
Переходный разрыв цепи
Переходный разрыв цепи возникает, когда пускатель проходит стадию отключения двигателя при переключении обмоток:
Стадия : подключение с пониженным напряжением («звездой»);
Стадия : отключение от пониженного напряжения (разрыв цепи);
Стадия : подключение к полному напряжению («треугольником»).
Запуск с переходным разрывом цепи вызывает очень высокие переходные токи и момент, что может даже более пагубно влиять на источник питания и механическое оборудование, чем пуск с полным напряжением.
Когда вращающийся двигатель отключается от сети, он начинает работать в режиме генератора. Амплитуда выходного напряжения при этом может сравняться с напряжением источника питания. Поэтому в момент замыкания контактора на клеммах двигателя может быть все еще существенное напряжение, при чем равное по амплитуде напряжению питания, но не совпадающее с ним по фазе.
Можно считать, что переподключение двигателя в таком случае происходит с удвоенным напряжением питания, что вызывает удвоенный ток заблокированного ротора и переходный момент, в четыре раза превышающий момент заблокированного ротора.
Софт-стартер
Софт-стартер управляет напряжением, подаваемым на двигатель, с помощью полупроводниковых ключей переменного тока (тиристоров), подключенных последовательно в цепь питания двигателя.
Резюме
Характеристики двигателя определяют результаты, которые могут быть достигнуты с помощью софт-стартера.
Уделите особое внимание параметрам двигателя в случае, когда:
Т ехнически, софт-старт – это лучшее решение для запуска двигателя с пониженным напряжением. Коммутация соединения обмоток в последовательности «звезда-треугольник» является наименее дорогими наиболее часто используемым способом запуска двигателя. Однако, его рабочие характеристики далеки от совершенства.
