Прямой пуск
Наиболее распространенным способом запуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором является прямой пуск. Говоря о прямом пуске, мы имеем виду прямое включение в сеть асинхронного двигателя, на номинальном напряжении и постоянной частоте. При этом двигатель достаточно быстро набирает номинальные обороты. Такой способ является наиболее экономически выгодным, потому что не требует затрат на дополнительные устройства.
Прямой пуск применяется в основном для маломощных двигателей, потому что они создают относительно небольшой момент сопротивления в момент запуска. Но даже для его преодоления двигателю требуется произвести значительную работу. Ведь при запуске даже таких маломощных двигателей прямым пуском, можно получить пусковые токи которые превышают номинальные в 10-12 раз! Несомненно, это сказывается на питающей сети, а также кабелях подключенных к АД. Также высокие пусковые токи оказывают значительное влияние на обмотку самого двигателя, что тоже отрицательно на ней сказывается. Еще одним минусом прямого пуска является высокая нагрузка на механическую часть двигателя.
Схема прямого пуска выглядит следующим образом (k – магнитный пускатель)
Реостатный пуск асинхронного привода
До появления надежных и качественных управляемых полупроводниковых преобразователей самым распространенным способом управления пуском асинхронного двигателя являлся реостатный пуск. Популярен такой пуск асинхронных приводов и поныне.
Реостатный пуск актуален только для асинхронных двигателей, имеющих фазный ротор со специальными выводами для подключения сопротивлений. Главным преимуществом реостатного пуска асинхронного привода является тот факт, что при введении сопротивлений в цепь ротора момент двигателя не падает, понижается лишь его скорость.
Поэтому в приводах, вынужденных запускаться под нагрузкой, чаще всего применяются асинхронные двигатели с фазным ротором, пуск которых осуществляется не переключением со «звезды» на «треугольник», а именно выведением роторных сопротивлений.
Схем реостатного пуска асинхронного привода очень много, но объединяет их одно: в роторной цепи двигателя по мере его разгона последовательно выводятся активные сопротивления. Обыкновенно они шунтируются силовыми контактами отдельных контакторов, но существуют асинхронные привода, пуск которых управляется бесступенчатым реостатом.
Например, роторные цепи асинхронных двигателей многих шахтных подъемных машин содержат жидкостные реостаты. Это устройства с неподвижными и подвижными электродами, расположенными и сдвигающимися в резервуаре, заполненном специальным электролитом.
Применение жидкостного реостата не только позволяет обеспечить плавный, бесступенчатый пуск, но и помогает избежать таких нежелательных явлений как электрическая дуга при выведении сопротивлений, что немаловажно для мощных двигателей.
Схемы ступенчатого реостатного пуска отличаются некоторым разнообразием. Наиболее популярными из них являются такие:
1. Реостатный ступенчатый пуск при помощи командоконтроллера. Оператор, управляющий приводом, переключает рукоятку контроллера, который поочередно включает контакторы, расположенные в роторной цепи двигателя и шунтирующие сопротивления. От оператора привода при этом требуется некоторый опыт и представление о правильной работе привода, поскольку продолжительность работы двигателя на каждой ступени разгона он будет определять самостоятельно, «на глаз».
Такая схема пуска характерна для промышленных механизмов, имеющих неравномерный режим работы с частыми пусками и остановами в различных условиях. Наиболее типичный случай – вагон трамвая или подъемный кран.
2. Реостатный ступенчатый пуск в функции времени. Для приводов, запускающихся только в одних и тех же условиях, можно рассчитать не только величину сопротивления каждой ступени реостата, чтобы избежать рывков и бросков тока, но и выявить необходимую продолжительность работы на каждой ступени. Установив в цепи катушек контакторов роторной цепи реле времени можно обеспечить двигателю практически идеальный пуск с нажатия всего одной кнопки. Все, что необходимо – это правильно подобрать уставку для каждого реле.
3. Реостатный ступенчатый пуск в функции тока. Это более сложная схема пуска асинхронного двигателя, учитывающая условия пуска. В роторной цепи двигателя устанавливается выпрямитель, напряжение с которого подается на реле тока.
При достижении током определенного значения привод переключается на следующую ступень реостата. Таким образом, пуск одного и того же привода в разных условиях может занимать разное время. Но для оператора привода будет достаточно просто нажать кнопку «ПУСК» как и в случае пуска в функции времени.
Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором пусковой ток
Пуск асинхронных двигателей можно производить при полном напряжении (прямой пуск) и при пониженном напряжении.
Прямой пуск осуществляется при помощи рубильников, переключателей, магнитных пускателей и других пусковых аппаратов.
При прямом пуске к двигателю подается полное напряжение сети. Недостатком этого способа пуска являются большие пусковые токи, которые в 2-7 раз больше номинальных токов двигателей.
Наиболее простым является прямой пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Пуск и остановка таких двигателей производятся включением или отключением рубильника (магнитного пускателя) и т. п. На рис. 261 показана схема прямого пуска асинхронного короткозамкнутого двигателя.
Рис. 261. Прямой пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
Для уменьшения пусковых токов асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором уменьшают напряжение, подводимое к обмоткам статора двигателя.
Рассмотрим подробнее способ пуска асинхронных двигателей при пониженном напряжении с помощью переключателя со звезды на треугольник.
На рис. 262 дана принципиальная схема включения обмотки статора с переключателем со звезды на треугольник. При пуске обмотка статора с помощью рубильника соединяется звездой и, как только двигатель разовьет максимальную возможную скорость вращения, переключатель откидывается влево, обмотка статора оказывается включенной треугольником. При этом способе пуска двигателя пусковой ток уменьшается в три раза. Поясним это на примере.
Рис. 262. Переключение обмотки статора со звезды на треугольник при пуске двигателя
На рис. 263, а схематически изображена обмотка статора, соединенная при пуске звездой. Пусть напряжение между линейными проводами двигателя равно 380 в, а следовательно, напряжение, приходящееся на фазу двигателя при пуске:
Рис. 263. Включение обмотки статора двигателя: а — звездой, б — треугольником
Несколько способов пуска асинхронного двигателя
- Прямой пуск
- Пуск с понижением напряжения
- Соединение ротора с реостатом во время включения
- Запуск в ход однофазного мотора
- Применение сопротивления при пуске
- Использование конденсатора
Существуют требования, которым должен отвечать запуск асинхронного двигателя. Во-первых, это отсутствие необходимости в использовании специальных устройств. Во-вторых, это сведение пусковых токов до минимума и пускового момента (далее Мпуск) до максимума. Рассмотрим способы пуска асинхронного двигателя, удовлетворяющие выдвинутым требованиям.
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.
