Типовые схемы пуска синхронных электродвигателей

Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для электроприводов, работающих с постоянной скоростью (компрессоров, насосов и т.д.). В последнее время, вследствие появления преобразовательной полупроводниковой техники, разрабатываются регулируемые синхронные электроприводы.

Достоинства синхронных электродвигателей

Синхронный двигатель несколько сложнее, чем асинхронный, но обладает рядом преимуществ, что позволяет применять его в ряде случаев вместо асинхронного.

1. Основным достоинством синхронного электродвигателя является возможность получения оптимального режима по реактивной энергии , который осуществляется путем автоматического регулирования тока возбуждения двигателя. Синхронный двигатель может работать, не потребляя и не отдавая реактивной энергии в сеть, при коэффициенте мощности ( cos фи) равным единице.Если для предприятия необходима выработка реактивной энергии, то с и нхронный электродвигатель, работая с перевозбуждением, может отдавать ее в сеть.

2. Синхронные электродвигатели менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные электродвигатели. Их максимальный момент пропорционален напряжению сети, в то время как критический момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения.

3. Синхронные электродвигатели имеют высокую перегрузочную способность. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть автоматически увеличена за счет повышения тока возбуждения, например, при резком кратковременном повышении нагрузки на валу двигателя.

4. Скорость вращения синхронного двигателя остается неизменной при любой нагрузке на валу в пределах его перегрузочной способности.

Способы пуска синхронного электродвигателя

Возможны следующие способы пуска синхронного двигателя: асинхронный пуск на полное напряжение сети и пуск на пониженное напряжение через реактор или автотрансформатор.

Пуск синхронного двигателя осуществляется как пуск асинхронного. Собственный пусковой момент синхронной машины мал, а у неявнополюсной равен нулю. Для создания асинхронного момента ротор снабжается пусковой беличьей клеткой, стержни которой закладываются в пазы полюсной системы. (В явнополюсном двигателе стержни между полюсами, естественно, отсутствуют.) Эта же клетка способствует повышению динамической устойчивости двигателя при набросах нагрузки.

За счет асинхронного момента двигатель трогается и разгоняется. Ток возбуждения в обмотке ротора при разгоне отсутствует. Машина пускается невозбужденной, так как наличие возбужденных полюсов осложнило бы процесс разгона, создавая тормозной момент, аналогичный моменту асинхронного двигателя при динамическом торможении.

При достижении так называемой подсинхронной скорости, отличающейся от синхронной на 3 — 5%, подается ток в обмотку возбуждения и двигатель после нескольких колебаний около положения равновесия втягивается в синхронизм. Явнополюсные двигатели за счет реактивного момента при малых моментах на валу иногда втягиваются в синхронизм без подачи тока в обмотку возбуждения.

В синхронных двигателях трудно одновременно обеспечить необходимые значения пускового момента и входного момента под которым понимают асинхронный момент, развиваемый при достижении скоростью 95% синхронной. В соответствии с характером зависимости статического момента от скорости, т.е. в соответствии с типом механизма, для которого предназначен двигатель, на электромашиностроительных заводах приходится варьировать параметры пусковой клетки.

Иногда для ограничения токов при пуске мощных двигателей уменьшают напряжение на зажимах статора, включая последовательно обмотки автотрансформатора или резисторы. Следует иметь в виду, что при пуске синхронного двигателя цепь обмотки возбуждения замыкается на большое сопротивление, превышающее сопротивление самой обмотки в 5 — 10 раз.

В противном случае под действием токов, наводимых в обмотке при пуске, возникает пульсирующий магнитный поток, обратная составляющая которого, взаимодействуя с токами статора, создает тормозной момент. Этот момент достигает максимального значения при скорости, несколько превышающей половину номинальной, и под его влиянием двигатель может приостановить разгон на этой скорости. Оставлять на время пуска цепь возбуждения разорванной опасно, так как возможно повреждение изоляции обмотки индуцируемыми в ней ЭДС.

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя

Схема возбуждения синхронного двигателя с глухоподключенным возбудителем довольно проста и может применяться в том случае, если пусковые токи не вызывают падения напряжения в сети больше допустимого и статистический момент нагрузки Мс

Асинхронный пуск синхронного двигателя производится присоединением статора к сети. Двигатель разгоняется как асинхронный до скорости вращения, близкой к синхронной.

В процессе асинхронного пуска обмотка возбуждения замыкается на разрядное сопротивление, чтобы избежать пробоя обмотки возбуждения при пуске, так как при малой скорости ротора в ней могут возникнуть значительные перенапряжения. При скорости вращения, близкой к синхронной, срабатывает контактор КМ (цепь питания контактора на схеме не показана), обмотка возбуждения отключается от разрядного сопротивления и подключается к якорю возбудителя. Пуск заканчивается.

Слабым местом большинства электроприводов с синхронными двигателям, значительно усложняющим эксплуатацию и повышающим затраты, многие годы являлся электромашинный возбудитель. В настоящее время широкое распространение для возбуждения синхронных двигателей находят тиристорные возбудители . Они поставляются в комплектном виде.

Тиристорные возбудители синхронных электродвигателей более надежны и имеют более высокий к.п.д. по сравнению с электромашинными возбудителями. С их помощью легко решаются вопросы оптимального регулирования тока возбуждения для поддержания постоянства cos фи, напряжения на шинах, от которых питается синхронный двигатель, а также ограничение токов ротора и статора синхронного двигателя в аварийных режимах.

Тиристорными возбудителями комплектуется большинство выпускаемых крупных синхронных электродвигателей. Они выполняют обычно следующие функции:

• пуск синхронного двигателя с включенным в цепь обмотки возбуждения пусковым резистором,
• бесконтакное отключение пускового резистора после окончания пуска синхронного двигателя и защиту его от перегрева,
• автоматическую подачу возбуждения в нужный момент пуска синхронного электродвигателя,
• автоматическое и ручное регулирование тока возбуждения
• необходимую форсировку возбуждения при глубоких посадках напряжения на статоре и резких набросах нагрузки на валу синхронного двигателя,
• быстрое гашение поля синхронного двигателя при необходимости снижения тока возбуждения и отключениях электродвигателя,
• защиту ротора синхронного двигателя от длительной перегрузки по току и коротких замыканий.

Если пуск синхронного электродвигателя производится на пониженное напряжение, то при «легком» пуске возбуждение подается до включения обмотки статора на полное напряжение, а при «тяжелом» пуске подача возбуждения происходит при полном напряжении в цепи статора. Возможно подключение обмотки возбуждения двигателя к якорю возбудителя последовательно с разрядным сопротивлением.

Процесс подачи возбуждения синхронному двигателю автоматизируется двумя способами: в функции скорости и в функции тока.

Система возбуждения и устройство управления синхронных двигателей должны обеспечивать:

• пуск, синхронизацию и остановку двигателя (с автоматической подачей возбуждения в конце пуска);
• форсировку возбуждения кратностью не менее 1,4 при снижении напряжения сети до 0,8U н ;
• возможность компенсации двигателем реактивной мощности, потребляемой (отдаваемой) смежными электроприемниками в пределах тепловых возможностей двигателя;
• отключение двигателя при повреждениях в системе возбуждения;
• стабилизацию тока возбуждения с точностью 5% установленного значения при изменении напряжения сети от 0,8 до 1,1;
• регулирование возбуждения по отклонению напряжения статора с зоной нечувствительности 8%;
• при изменении питающего напряжения статора синхронного двигателя от 8 до 20% ток изменяется от установленного значения до 1,4 I н , увеличение тока возбуждения для обеспечения максимальной перегружаемости двигателя.

На схеме, приведенной на рисунке, подача возбуждения синхронному двигателю осуществляется с помощью электромагнитного реле постоянного тока КТ (реле времени с гильзой). Катушка реле включается на разрядное сопротивление Rразр через диод VD. При подключении обмотки статора к сети в обмотке возбуждения двигателя наводится ЭДС. По катушке реле КТ проходит выпрямленный ток, амплитуда и частота импульсов которого зависят от скольжения.

При пуске скольжение S = 1. По мере разгона двигателя оно уменьшается и интервалы между выпрямленными полуволнами тока возрастают; магнитный поток постепенно снижается по кривой Ф(t).

При скорости, близкой к синхронной, магнитный поток реле успевает достигнуть значения потока отпадания реле Фот в момент, когда через реле КТ ток не проходит. Реле теряет питание и своим контактом создает цепь питания контактора КМ (на схеме цепь питания контактора КМ не показана).

Рассмотрим контроль подачи возбуждения в функции тока с помощью реле тока. При пусковом токе срабатывает реле тока КА и размыкает свой контакт в цепи контактора КМ2.

График изменения тока и магнитного потока в реле времени КТ

При скорости, близкой к синхронной, реле КА отпадает и замыкает свой контакт в цепи контактора КМ2. Контактор КМ2 срабатывает, замыкает свой контакт в цепи возбуждения машины и шунтирует резистор Rразр.

Способы пуска и схемы подключения синхронного двигателя

Синхронные электрические машины обладают рядом преимуществ в сравнении с другими типами агрегатов. Но в то же время, включать их напрямую в сеть под нагрузку нельзя. Поэтому в данной статье мы рассмотрим способы пуска и схемы подключения синхронного двигателя.

Способы пуска

За счет значительной инерции ротора он не способен сдвинуться под нагрузкой полем статора. В случае подачи рабочего напряжения не удастся получить устойчивую магнитную связь и вращение не начнется. Для решения этой задачи применяются способы запуска ротора до определенной скорости вращения. Как правило, это то число оборотов, которое приближается к значению в режиме синхронной работы.

Среди наиболее распространенных способов приведения синхронного двигателя в движение можно выделить:

• Асинхронный пуск – этот способ обеспечивается путем введения в конструкцию ротора стальных элементов в форме беличьей клетки. При подаче напряжения в клетке наводится ЭДС и возникает магнитное взаимодействие. Основным недостатком данного способа являются большие пусковые токи, в разы превышающие номинальный режим синхронного двигателя. Поэтому в схеме запуска используются реакторы или автотрансформаторы для снижения негативного воздействия.
• Частотный пуск – обеспечивается посредством частотных преобразователей. Которые снижают частоту питающего напряжения на рабочих обмотках. Это позволяет замедлить скорость вращения магнитного поля синхронного двигателя. Благодаря чему начинается вращение ротора.
• Двигательный пуск – для начала движения вал синхронного агрегата подсоединяется к разгонному двигателю. На этапе старта вращение обеспечивается от приводной электрической машины. Как только основной двигатель выйдет на подсинхронную скорость, разгонный агрегат выводится из работы.

Для каждого из способов используются соответствующие схемы и оборудование, позволяющие оптимизировать режим работы. Поэтому далее рассмотрим несколько характерных примеров для каждого способа запуска.

Асинхронный пуск

В этом способе используются синхронные двигатели специального типа, но скорость нарастания тока и его величину в рабочих обмотках принудительно снижают. Для этого устанавливаются реакторы или автотрансформаторы.

Как видите на схеме, в цепь питания каждой фазной обмотки синхронного двигателя устанавливается реактор. При включении контактора К2 напряжение подается на обмотки ток в реакторе не может вырасти скачкообразно. Поэтому пуск электродвигателя получается более плавным, чем в случае прямого включения. При разгоне электрической машины до подсинхронной скорости шунтирующий выключатель К1 выводит индуктивный элемент из цепи и агрегат работает в штатном режиме.

В данной схеме происходит автоматическое снижение напряжения на рабочих обмотках синхронного двигателя за счет автотрансформатора. Регулятор Р3 плавно повышает разность потенциалов до установившейся величины, ток при этом пропорционально нарастает. После достижения номинального момента, выключатель К1 зашунтирует автотрансформатор. Этот способ позволяет снижать пусковые токи со значительно большим усилием, чем в случае применения реакторов.

Частотный пуск

Основой современного частотного пуска являются схемы на полупроводниковых элементах, как правило, тиристорных преобразователях. Такие устройства снижают частоту изменения кривой напряжения, но практически не нарушают действующее значение.

Такой способ запуска сокращает время на разгон синхронного двигателя и снижает значение токовой нагрузки в момент пуска. Однако, современная схема частотного пуска имеет куда более сложную реализацию:

Двигательный пуск

Способ двигательного запуска предусматривает одновременную установку на один вал и синхронного, и разгонного двигателя. Старт вращения обеспечивает асинхронный разгонный электродвигатель, который легко набирает обороты под нагрузкой. Синхронный агрегат включается в работу при достижении подсинхронной скорости вращения.

Однако существенным недостатком такого способа является длительный промежуток времени от старта до момента вхождения электрической машины в синхронизм.

Еще больше деталей смотрите в нашем видео ниже:

Электрооборудование установок гидромеханизации — Схемы управления синхронными двигателями

Содержание материала

Процессы управления синхронным двигателем сводятся к автоматизированному пуску и регулированию тока возбуждения в рабочем режиме. Особенности пуска синхронного двигателя, рассмотренные в § 5-4, обусловливают определенные способы соединения возбудителя с обмоткой полюсов ротора (см. рис. 5-30).
Ниже рассматриваются схемы с глухоподключенным возбудителем и с сопротивлением в цепи возбуждения.
Полная схема управления синхронным двигателем с глухоподключенным возбудителем
Рассматриваемая схема (рис. 9-16) имеет в гидромеханизации повсеместное распространение. Она применяется для управления синхронными двигателями в приводе грунтовых насосов любых установок (плавучие и стационарные землесосные снаряды, перекачивающие станции), а также крупных водяных насосов.
В качестве возбудителя используется генератор постоянного тока, якорь которого механически связан с ротором двигателя СД1.
1 Часто применяются также возбудители с собственным двигателем привода небольшой мощности.

Пуск двигателя осуществляется в асинхронном режиме (см. § 5-4). На подсинхронной скорости двигатель втягивается в синхронизм и переходит к режиму работы на постоянной скорости (синхронный режим) .
Двигатель подключается к шинам 6000 В через разъединитель Р и масляный выключатель МВ. В данной схеме используется пружинный привод масляного выключателя, в частности типа ПП-67, с заводом пружин посредством коллекторного двигателя ДП (см. § 3-5, рис. 3-12).

Рис. 9-16. Схема управления, зашиты и сигнализации синхронного двигателя 6000 В с глухо подключенным возбудителем.
Пунктиром обведены катушки, установленные на приводе выключателя.

Схема привода МВ работает следующим образом.
Для приведения привода в состояние готовности к включению масляного выключателя переключателем УП замыкается цепь двигателя ДП, который при своем вращении через механическую передачу растягивает пружины привода («заводит» привод).

В крайнем положении растянутых пружин двигатель отключается размыкающими контактами конечного выключателя КВДП; в этом же положении замыкаются замыкающие контакты в цепи катушки ЭВ. При сжатых пружинах (после срабатывания привода) контакты КВДЛ соответственно изменяют свое положение.
Если переключатель УП остается в положении, когда его контакты замкнуты (левое положение рукоятки), то размыкающие контакты КВДП обеспечивают автоматический завод привода и состояние его готовности для следующего включения МВ.
Для включения масляного выключателя следует нажать кнопку Пуск. При этом замыкается цепь реле пуска двигателя РПД, которое одной парой замыкающих контактов шунтирует кнопку, а другой — замыкает цепь электромагнита включения привода ЭВ. В цепи катушки ЭВ предварительно должен быть замкнут пакетный выключатель ПВ. Включение катушки ЭВ носит импульсный характер; при срабатывании привода на включение размыкающие блок-контакты МВ (контакты КСА) размыкаются, прерывая цепь катушки ЭВ. Одновременно замыкаются замыкающие контакты МВ в цепях катушки отключения ЭО и реле положения привода РПП.
Отключение масляного выключателя производится при замыкании цепи катушки отключения ЭО нажатием на одну из кнопок Стоп. Отключение произойдет также при ошибочной попытке размыкания одного из разъединителей —ввода (на схеме не показан; см. рис. 12-12) или двигателя (разъединитель Р). При воздействии на приводы этих разъединителей для их отключения замыкаются контакты блокировочных: кнопок КБРВ или КБРД.
В схеме применена форсировка возбуждения, выполненная следующим образом.
При снижении напряжения пропорционально уменьшается момент на валу двигателя. Для поддержания момента при снижении напряжения следует увеличить ток возбуждения.
При полном напряжении на шинах 6000 В магнитный поток катушки реле минимального напряжения РФ, питающейся через трансформатор напряжения типа НТМИ (от вторичной обмотки, соединенной в звезду; см. § 3-6), достаточен для того, чтобы якорь реле находился в притянутом состоянии (как указано выше, замыкающие контакты РПП при включенном МВ замкнуты).
В этом состоянии размыкающие контакты реле РФ в цепи катушки контактора форсировки Ф разомкнуты, контактор Ф отключен и реостат возбуждения РВ введен в цепь обмотки возбуждения ОВВ возбудителя. При снижении напряжения на обмотках трансформатора НТМИ якорь реле РФ отпадает и его размыкающие контакты замыкают цепь контактора Ф. Контакты последнего, закрываясь, шунтируют реостат РВ, форсируя возбуждение. При восстановлении напряжения реостат вновь вводится в цепь возбуждения.
В рабочем режиме реостат служит для регулирования тока возбуждения и, следовательно, коэффициента мощности двигателя.
Схема также предусматривает следующие виды защит.

1. Защита максимального тока, осуществляемая с помощью электромагнитных реле РТМ, встроенных в привод (см. § 13-3), катушки которых подключены к обмоткам трансформаторов тока 1TTа и 1ΤΤс (см. § 3-6). При достижении тока, проходящего через катушки, равного величине уставки, якорь реле втягивается и, воздействуя на расцепитель привода, отключает масляный выключатель МВ.
2. Защита минимального напряжения, обеспечивающая отключение масляного выключателя при понижении напряжения ниже уставки реле РНВ, подключенного к обмотке трансформатора НТМИ. Реле встроено в привод выключателя и воздействует на расцепитель при отпадании якоря (см. § 13-3).
3. Контроль изоляции, осуществляемый с помощью реле напряжения РКП, включенного в обмотку трансформатора НТМИ, соединенную в открытый треугольник (см. § 3-6). При нарушении изоляции в одной из фаз на стороне напряжения 6000 В на зажимах открытого треугольника возникает напряжение, достаточное для срабатывания реле. При этом размыкающие контакты реле РКИ прерывают цепь катушки реле РПЦ, предотвращая возможность включения масляного выключателя. Одновременно замыкающие контакты РКИ включают световое табло Л5 и звонок Зв звуковой сигнализации.

Действие цепей сигнализации и измерения (амперметры, вольтметры и фазометр) усматривается из схемы рис. 9-16 и в особом пояснении не нуждается.
Схемы управления возбуждением синхронного двигателя с сопротивлением в цепи возбудителя
Управление приводом выключателя, защита и сигнализация аналогичны рассмотренному для двигателя с глухоподключенным возбудителем. Ниже поясняется лишь управление возбуждением двигателя с помощью магнитной станции для цепей ротора, выпускаемой электротехнической промышленностью и поставляемой в комплекте с синхронными двигателями.
В схеме, представленной на рис. 9-17, обмотка возбуждения двигателя СД при пуске замкнута на сопротивление СГ, которое служит

Рис. 9-17. Схема управления возбуждением синхронного двигателя с сопротивлением в цепи возбуждения.
для увеличения сопротивления цепи возбуждения и снижения пускового пульсирующего момента (см. рис. 5-29). Кроме того, оно выполняет функцию разрядного сопротивления, предотвращая пробой изоляции обмотки возбуждения приостановке двигателя, когда возбудитель отключается контактами кв.
Схема работает следующим образом.
При включении выключателя МВ начинается процесс асинхронного пуска двигателя СД; возникающий толчок тока приводит к срабатыванию реле РПТ, замыкающего своими контактами цепь реле времени 1PB и через замыкающие контакты последнего — цепь реле 2РВ. При этом открываются размыкающие контакты 1РВ и 2РВ в цепи катушки
контактора КВ.
Одновременно при включении выключателя замыкается его блок- контакт МВ и получает питание катушка промежуточного реле РП. Закрываясь в цепи катушки контактора КВ, замыкающие контакты реле РП подготавливают его к включению. Цепь этой катушки остается, однако, разомкнутой до тех пор, пока открыты размыкающие контакты реле 1РВ и 2РВ.
Конструкция контактора КВ предусматривает самоотключение его катушки после срабатывания размыкающими контактами КВ, включенными последовательно с ней. При этом якорь контактора в притянутом положении удерживается механической защелкой. Последующее освобождение якоря и размыкание контактов производятся воздействием на защелку электромагнитом ЭМЗ.
По мере разгона двигателя пусковой ток снижается и при определенном его значении якорь реле РПТ отпадает и замыкающие контакты PUT разрывают цепь катушки реле 1PB; контакты 1РВ затем прерывают цепь катушки реле 2РВ. Отпадание реле 1PB и 2РВ влечет за собой замыкание с выдержкой времени размыкающих контактов 1РВ и 2РВ в цепи катушки контактора КВ. Контактор КВ включается, в результате чего в схеме происходят следующие изменения. Катушка КВ отключается размыкающими блок-контактами КВ в ее цепи, но якорь контактора удерживается в притянутом состоянии механической защелкой. Обмотка возбуждения двигателя СД замыкается на якорь возбудителя замыкающими главными контактами КВ и отключается от сопротивления СГ размыкающими контактами. В цепях управления закрываются контакты КВ, подготавливая операцию последующего отключения двигателя. Одновременно замыкающие блок-контакты КВ шунтируют катушку реле РПТ в цепи трансформатора тока.
При отключении двигателя выключателем МВ блок-контакты последнего, разрываясь, прекращают питание катушки реле РП. При отпадании якоря реле РП его размыкающие контакты, закрываясь, подают питание одновременно на катушку контактора КВ и электромагнита защелки ЭМЗ. Якорь контактора КВ притягивается для облегчения освобождения защелки, а электромагнит ЭМЗ, воздействуя на нее, расцепляет механизм удержания якоря КВ, и он отпадает, возвращая аппараты схемы в исходное состояние.
Как и в схеме с глухоподключенным возбудителем (рис. 9-16), в данной схеме предусмотрена форсировка возбуждения, контролируемая реле напряжения РФ, катушка которого включена на зажимы вторичной обмотки трансформатора напряжения. При понижении напряжения якорь реле РФ отпадает и его размыкающие контакты замыкаются в цепи контактора форсировки Ф. Срабатывание последнего обеспечивается, кроме того, через замыкающие контакты реле времени 2РВ, катушка которого включается, как показано выше, при замыкании реле РПТ. Таким образом, действие форсировки возбуждения дублируется по току нагрузки двигателя.
Для удержания контактора во включенном состоянии требуется меньший ток, нежели для его включения из разомкнутого состояния.
Поэтому питание катушки после включения осуществляется через добавочное сопротивление 2СД 1 , которое вводится размыкающими контактами Ф при включении контактора.
Рассмотренные схемы пуска предусматривают включение двигателя на полное напряжение сети.
Асинхронный пуск синхронных двигателей большой мощности сопровождается значительным броском тока и соответствующим ему понижением напряжения питающей сети. В случае необходимости ограничения бросков тока пуск синхронных двигателей в известных случаях производится при пониженном напряжении. Для этого статор двигателя подключают к сети через реактор или автотрансформатор, шунтируемые затем, по завершении переходного процесса пуска, особыми выключателями.
В связи с этим различают схемы легкого и тяжелого пуска синхронных двигателей.
Первый случай относится к пуску ненагруженных двигателей или двигателей с небольшим моментом нагрузки на валу. При легком пуске втягивание двигателя в синхронизм и подача возбуждения происходят при пониженном напряжении.
При тяжелом пуске подаче возбуждения предшествует переключение статора на полное напряжение.
Схемы пуска при пониженном напряжении в установках гидромеханизации не применяются и поэтому более подробно здесь рассмотрены не будут.

1 Такое добавочное сопротивление, служащее для уменьшения тока катушек при продолжительном включении, называется экономическим.