Типовые схемы пуска синхронных электродвигателей
Подписка на рассылку
На сегодняшний день использование синхронных двигателей получило широкое распространение в сфере производства оборудования, работающего с постоянной скоростью, которое применяется в разных сферах человеческой деятельности. В связи с этим, существует несколько способов запуска синхронных электродвигателей, наиболее распространенные варианты которых будут представлены ниже.
Способы пуска синхронного электродвигателя
Способы пуска синхронного электродвигателя достаточно сложны, в этом заключается один из основных недостатков электродвигателей данного типа. Запуск синхронных электродвигателей осуществляется либо посредством воздействия вспомогательного пускового двигателя, либо с помощью асинхронного пуска. Рассмотрим каждый из способов в отдельности.
Асинхронный пуск синхронного электродвигателя
Асинхронный пуск синхронного электродвигателя предполагает расположение дополнительной короткозамкнутой обмотки в полюсных наконечниках полюсов ротора. Это необходимо, чтобы обеспечить во время пуска вывод чрезмерно большой Э.Д.С., образующейся в обмотке (1), что является возможным благодаря замыканию рубильника (2) на соединение (3). Благодаря тому, что магнитное поле, возникающее в результате включения напряжения трехфазной сети в обмотке статора (4), пересекает короткозамкнутую обмотку (пусковую обмотку), находящуюся в полюсных наконечниках ротора, индуктируются токи.
Действие этих токов в сочетании с вращающимся полем статора, запускают во вращение ротор, который постепенно набирает обороты. Достигнув 95-97% количества оборотов рубильник (2) ротора переходит в состояние, которое вынуждает обмотку ротора включить сеть постоянного напряжения.
Асинхронный пуск синхронного электродвигателя не лишен недостатков, точнее сказать, недостатка, которым является большой пусковой ток, который по значению может превышать в 7 раз рабочий ток. Столь высокое значение пускового тока является причиной падения напряжения в сети, что негативно сказывается на функционировании других потребителей энергии. Одним из наиболее распространенных вариантов решения упомянутого недостатка является использование автотрансформатора для понижения напряжения, а также использование тиристорных возбудителей для пуска синхронных электродвигателей, которые отличаются высоким К.П.Д. Именно высокое значение К.П.Д. во многом определило выбор тиристорных возбудителей в качестве комплектов большей части выпускаемых синхронных электродвигателей крупных размеров. К тому же, применение тиристорных возбудителей позволяет автоматизировать процесс подачи возбуждения синхронному двигателю. Автоматизация может быть реализована 2-мя способами: подача возбуждения синхронному двигателю в функции скорости и подача возбуждения синхронному двигателю в функции тока. При этом контроль подачи возбуждения синхронному двигателю в функции тока осуществляется с помощью реле тока.
На сегодняшний момент именно асинхронный пуск синхронных двигателей получил наибольшее распространение, так как его достаточно просто реализовать, а работает он крайне надежно.
Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя
Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя предполагает запуск синхронного электродвигателя благодаря работе другого двигателя, работа которого позволяет ротору синхронного двигателя развернуть полюса, осуществляя дальнейшее вращение совершенно самостоятельно. Чтобы запуск произошел, нужно создать условия, при которых количество пар полюсов асинхронного двигателя было бы меньше количества пар полюсов синхронного двигателя. Порядок запуска синхронного двигателя предполагает включение рубильника (3), пуск вспомогательного асинхронного двигателя (2), осуществляющего разворот ротора синхронного двигателя (1) до скорости, которая соответствует скорости поля статора. Далее включаются полюсы ротора после включения рубильника (4). При включении синхронного двигателя в сеть трехфазного тока, требуется синхронизация, осуществляемая реостатом (5). Реостат организует возбуждение, позволяющее установить напряжение обмотки статора, определяемое вольтметром V, равное напряжению в сети, которое указывает вольтметр V1.
При разомкнутом рубильнике лампы (6), расположенные параллельно ножам рубильника (7), буду мигать. По мере того, как будет меняться скорость ращения вспомогательного асинхронного двигателя, лампы будут постепенно начинать мигать все реже, пока все они не погаснут в раз. Это сигнал того, что синхронный двигатель пора включать в сеть трехфазного тока рубильником (7). Так как ротор двигателя далее может вращаться без помощи, то вспомогательный двигатель (2) пора отключать от сети посредством рубильника (3).
Это сложная процедура, являющаяся самым главным недостатком такого варианта асинхронного электродвигателя, что определяет крайне редкие случаи ее практической реализации.
Особенности пуска синхронного двигателя
2.6. пуск синхронных двигателей
Важнейшей особенностью синхронных двигателей, усложняющей вопросы их пуска и самозапуска, является то, что при относительно небольшой разнице (более 5\%) скоростей вращения поля статора (внешнего магнита на рис.2.1) и ротора, упругой силы притяжения (жесткости воображаемой пружины) не хватает, чтобы ускорить ротор до синхронной скорости. При этом, указанная упругая сила с частотой, определяемой разностью скоростей вращения поля статора и ротора, то «зацепляется», то «рвется», вызывая вибрацию ротора. Поэтому разгон ротора за счет синхронного момента возможен лишь при скольжении ротора . Отсюда ясно, что возможны два принципиально различных способа пуска синхронных двигателей.
Первый — частотный, когда сначала включается ток возбуждения, на статор подается от преобразователя частоты пониженное напряжение низкой частоты (зацепляется воображаемая пружина), а затем частота и величина напряжения на статоре плавно увеличиваются до номинальной, плавно разгоняя ротор до номинальной скорости. Этот вид пуска для синхронных двигателей общепромышленного назначения используется крайне редко из-за значительной стоимости преобразователя частоты.
Второй — асинхронный. Для его реализации явнополюсные двигатели оснащаются пусковой короткозамкнутой обмоткой, аналогичной обмотке ротора асинхронных двигателей. В неявнополюсных двигателях роль пусковой обмотки играет сплошное тело стального ротора. Этот способ пуска является самым массовым. Он состоит из двух этапов (рис.2.9). Сначала () обмотка возбуждения закорачивается наглухо или на гасительный резистор во избежание ее повреждения, далее на статор подается напряжение сети и ротор раскручивается асинхронным моментом на интервале времени [0,t1] аналогично рис.1.18.
Рис.2.9. Асинхронный пуск синхронного двигателя
При достижении ротором подсинхронной скорости в момент времени t1 включается возбуждение (зацепляется воображаемая пружина на рис.2.1) и ротор окончательно ускоряется за счет синхронного момента до номинальной скорости . При этом за счет упругости воображаемой пружины и инерционности ротора возможны его колебания, которые быстро затухают.
— переменный ток в закороченной наглухо или на гасительный резистор обмотке возбуждения. Частота его и величина по мере разгона ротора уменьшаются;
— постоянный ток, поступающий в обмотку возбуждения от возбудителя;
— пусковой ток статора достигающий при величины .
Для явнополюсных двигателей при пуске без нагрузки на валу возможно иногда втягивание в синхронизм до включения возбуждения за счет реактивного синхронного момента (второе слагаемое в выражении (2.4) или кривая 2 на рис.2.4 ).
Необходимо отметить, что многие синхронные двигатели могут запустится только без нагрузки или с малой нагрузкой со стороны технологического агрегата. Только при этом условии для таких двигателей возможно достижение подсинхронной скорости, то есть кривая в момент времени t1 пройдет выше точки А на рис.2.9.
Большинство современных синхронных двигателей допускают прямой пуск — включение на полное напряжение сети. Исключение составляют некоторые типы турбодвигателей, для которых по условию нагрева поверхности ротора не допускается прямой пуск. Для таких двигателей используют асинхронный реакторный пуск, когда в начале первой стадии пуска в цепь питания двигателя подключают реактор, снижающий напряжение на зажимах двигателя до допустимой величины.
Большой пусковой ток при асинхронном пуске вызывает увеличение потерь напряжения в сети — провал напряжения, который оказывает мешающее воздействие на работу других электроприемников. В ПУЭ нормируется допустимая величина таких провалов:
при редких пусках (1 раз в смену или реже) ;
при частых пусках (более 1 раза в смену) .
Если при прямом пуске не выполняются эти требования, то для ограничения провалов напряжения применяют реакторный пуск.
На рис.2.10 приведены расчетная и эквивалентная схемы для расчета допустимости прямого асинхронного пуска синхронного двигателя.
Пусковой ток (максимальное значение): ,
где — эквивалентное сопротивление системы;
— расчетное сопротивление двигателя при пуске;
— сверхпереходные индуктивные сопротивления синхронного двигателя по продольной и поперечной осям соответственно, которые указываются в паспортных данных.
Рис.2.10. Расчетная и эквивалентная схемы прямого пуска синхронных двигателей
Напряжение на шинах при максимуме тока :
Если принять , то из полученного соотношения следует, что:
для редких пусков ;
При невыполнении полученных условий прямой пуск не допустим и требуется ограничить величину с помощью пускового реактора (рис.2.11).
Реакторный пуск производится следующим образом. Сначала включается выключатель QF1, пусковой ток двигателя протекает через реактор, который ограничивает его до нужной величины, что особенно важно в начале интервала [0,t1] (рис.2.9). В конце этого интервала, когда уменьшается в несколько раз относительно своего максимального значения, включается выключатель QF2, отключается QF1, реактор выводится из работы и ротор разгоняется до подсинхронной скорости. Если момент сопротивления при пуске незначителен, ротор двигателя может достигнуть подсинхронной скорости и втянуться в синхронизм до вывода реактора из работы.
Необходимое сопротивление реактора можно определить следующим образом:
Откуда: для редких пусков , ;
для частых пусков , .
Рис.2.11. Расчетная и эквивалентная схемы реакторного пуска
Если двигатель пускается с нагрузкой на валу, например, с моментом сопротивления при равном , то необходима проверка на достаточность пускового момента двигателя , который снижается за счет реактора. Так как асинхронный момент пропорционален квадрату напряжения (1.7), то эта проверка состоит в следующем:
где 1,3 — коэффициент запаса, учитывающий нестабильность и возможное отклонение напряжения в сети от номинального.
При невыполнении этого условия, что встречается довольно редко в условиях слабой сети (больших ) и мощного двигателя (малое ), то необходимо либо усилить сеть, либо использовать автотрансформаторный пуск.
Пуск двигателей с неявновыраженными полюсами (турбодвигателей) имеет следующие специфические особенности, обусловленные тем, что роль пусковой обмотки играет тело сплошного цилиндрического ротора.
В начале пуска частота токов, индуктируемых в теле ротора, равна частоте напряжения в сети. За счет поверхностного эффекта эти токи протекают в поверхностном слое небольшой глубины. Активное сопротивление ротора (рис.1.1) максимально, индуктивное минимально и асинхронный момент максимален (1.8). Потери в теле ротора при этом большие и быстро нагревают поверхность ротора. Тепло с поверхности ротора посредством теплопередачи отводится в глубину ротора и температура нагрева поверхности ротора определяется интенсивностью этого теплоотвода. Если этот теплоотвод идет медленно, что характерно для двигателей, имеющих ротор относительно небольшого диаметра и небольшую массу, то поверхность ротора может нагреться выше допустимой температуры и прямой пуск не допустим. Для турбодвигателей, имеющих ротор относительно более массивный, указанный теплоотвод идет более интенсивно, температура поверхности ротора не высока и прямой пуск допустим.
Выбор пускового реактора для неявнополюсных синхронных двигателей, не допускающих по вышеуказанным причинам прямого пуска, производится из условия:
где — допустимое по условию нагрева поверхности ротора напряжение при пуске, которое указывается в паспорте двигателя. Как правило это напряжение составляет .
Если подставить это значение в выражение (2.12), и учесть, что , то получим следующее соотношение:
После выбора реактора следует проверить его на достаточность пускового момента для раскручивания механизма по условию (2.11) и на допустимость по провалу напряжения по условию (2.9).
Если пуск двигателя по каким либо причинам затягивается (снижено напряжение, увеличился момент сопротивления), то для предотвращения опасного перегрева пусковой обмотки явнополюсного или ротора неявнополюсного все синхронные двигатели оснащаются защитой от асинхронного хода с выдержкой времени 8. 10 секунд.
Содержание
Читать: Аннотация
Читать: Введение
Читать: 1. асинхронные электродвигатели
Читать: 1.1. эквивалентная схема и векторные диаграммы асинхронного двигателяЧитать: 1.2. вращающий момент и механическая характеристика адЧитать: 1.3. потери в асинхронных двигателях
Читать: Синхронные электродвигателиЧитать: Принцип работы и векторные диаграммыЧитать: Активная мощность синхронного двигателяЧитать: 2.4. потери в синхронных двигателяхЧитать: 2.5. рабочие характеристики синхронного двигателяЧитать: 2.6. пуск синхронных двигателей Читать: Самозапуск синхронных двигателейЧитать: Асинхронный режим синхронных двигателей
Читать: Литература
