Лекция 10

Пуск и торможение электрических двигателей

Пуск – разгон ротора (якоря) двигателя из неподвижного состояния до установившегося значения частоты вращения, когда момент вращения равен моменту сопротивления . В процессе пуска . Процесс пуска характеризуется:

1. Кратностью пускового тока ;

2. Кратностью пускового момента ;

3. Временем пуска .

Таким образом, при пуске необходимо обеспечить надлежащее значение и предотвратить возникновение чрезмерного пускового тока, который опасен для двигателя.

Возможно три способа пуска двигателя:

- прямой, при котором двигатель подключается непосредственно к сети (статор АД или якорь ДПТ);

- реостатный, с помощью пускового реостата, включенного последовательно в цепь якоря (ротора);

- при пониженном напряжении, подводимом к якорю ДПТ (статору АД).

Основные требования, предъявляемые к пусковым свойствам двигателей, таковы:

1. Двигатель должен создавать пусковой момент, превышающий статический момент сопротивления, чтобы ротор двигателя мог придти во вращение и достигнуть установившейся частоты вращения.

2. Пусковой ток не должен достигать значений, которые могут вызвать повреждение двигателя и создавать в сети значительное падение напряжения, нарушающее работу других потребителей.

3. Схема пуска должна быть простой, экономичной, удобной в обслуживании, продолжительность пуска должна быть минимальной.

10.1 Пуск и торможение асинхронного двигателя

Длительность пуска зависит от мощности двигателя, но не превышает несколько десятков секунд. При этом не возникает опасности перегрева двигателя, но возможны значительные колебания момента асинхронного двигателя (АД), поэтому двигатели соединяют с механизмами через демпфирующие устройства (упругие муфты, ременные передачи и др.).

В условиях эксплуатации возникает необходимость ограничения пусковых токов с одновременным увеличением вращающего электромагнитного момента двигателя. Эту задачу решают путем искусственного увеличения активного сопротивления фаз обмотки ротора.

10.1.1 Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором

Конструкция АД с фазным ротором позволяет включать в цепь ротора добавочный резистор с активным сопротивлением, что даёт возможность изменять пусковые характеристики двигателя. При этом увеличивается критическое скольжение двигателя, а максимальный момент остаётся неизменным.

Рисунок 10.1 - Влияние активного сопротивления обмотки ротора на

механические характеристики асинхронного двигателя

В качестве добавочных сопротивлений применяют пусковые реостаты и дроссели. Управление переключением реостатов осуществляют магнитным пускателем.

а – трёхступенчатый реостат; б – двухступенчатый с дросселями

Рисунок 10.2 - Схема реостатного пуска АД с контактными (фазными) кольцам

Обычно пусковой реостат имеет 5 10 ступеней, которые автоматически «закорачиваются» по мере разгона ротора. Схема автоматического выведения пускового реостата работает в функции времени или тока ротора. Сопротивления ступеней реостата и моменты их переключения подобраны таким образом, чтобы пусковой момент двигателя изменялся от наибольшего значения, называемого начальным пусковым моментом, до значения, называемого моментом переключений.

Рисунок 10.3 - Схема управления пуском асинхронного двигателя

с фазным ротором в функции тока

При нажатии кнопки «пуск» контактор КМ1 подключает обмотку статора к сети, одновременно шунтируя кнопку «пуск». Пусковой ток ротора двигателя вызывает срабатывание токовых реле КА1 и КА2, которые размыкают свои контакты в цепи контакторов ускорения КМ2 и КМ3 до их включения. При разгоне двигателя ток в цепи ротора уменьшается и при снижении его до заданного значения реле КА2 своим контактом включает контактор КМ3, который шунтирует своими контактами первую ступень пускового реостата и цепь с реле тока КА2.

Аналогично срабатывает КА1, включая КМ2, и далее пуск продолжается по естественной механической характеристике.

Рисунок 10.4 - Схема управления пуском асинхронного двигателя

с фазным ротором в функции времени

Рисунок 10.5 - Пусковая механическая характеристика асинхронного двигателя

с контактными кольцами

При расчете пусковых реостатов используют равенство:

.

10.1.2 Способы пуска АД с короткозамкнутым ротором

1. Пуск непосредственным включением в сеть.

Включение двигателей в сеть, питающую другие силовые и осветительные устройства, не должно вызывать падения напряжения в ней более чем на 5% от номинального значения.

Рисунок 10.6 - Схема управления пуском трёхфазного асинхронного двигателя

с короткозамкнутым ротором

2. Пуск при пониженном напряжении.

Такой пуск возможен лишь для пуска без нагрузки или с небольшой нагрузкой на валу.

1. Переключением обмотки статора со «звезды» на « треугольник».

Такой метод пуска применяется для АД, работающих при соединении обмотки статора «треугольником». Во время подключения двигателя к сети переключатель ставят в положение , при этом напряжение на фазных обмотках статора понижается в . Во столько же раз уменьшается ток в фазных обмотках, но значение линейного тока уменьшается в 3 раза в сравнении с линейным током при соединении обмоток статора в «треугольник». После разгона ротора до частоты вращения близкой к установившемуся значению переключатель переводят в положение .

Рисунок 10.7 - Принципиальная схема пуска асинхронного двигателя переключением обмоток статора со «звезды» на « треугольник»

2. Использованием пусковых резисторов Rп, дросселей L; трёхфазного автотрансформатора.

а – пусковыми резисторами; б – дросселями; в – трёхфазным трансформатором (АТ)

Рисунок 10.8 - Принципиальные схемы пуска асинхронного двигателя

с короткозамкнутым ротором (силовая часть)

2.3.Создание АД с короткозамкнутым ротором, имеющим улучшенные пусковые свойства: с повышенным скольжением, глубокопазных и двухклеточных (имеет две обмотки - клетки). Одна – рабочая, в глубине сердечника, изготовленная из меди со значительным индуктивным сопротивлением; вторая – пусковая, вблизи воздушного зазора, с повышенным активным сопротивлением, изготовленная из латуни – сплав с более высоким удельным электрическим сопротивлением.

Для улучшения пусковых свойств АД с короткозамкнутым ротором их выполняют специальной конструкцией, заливая алюминиевые стержни «беличьего колеса» в глубокие пазы. При низкой частоте вращения ротора, которая соответствует номинальному (установившемуся) режиму работы АД, ток равномерно распределяется по сечению стержней.

При высокой частоте вращения ротора в начальный период пуска ток в стержнях вытесняется в верхнюю часть их – ближе к обмоткам статора – и эффективное поперечное сечение стержня уменьшается. Происходит увеличение активного сопротивления стержня. По мере пуска частота тока уменьшается и активное сопротивление стержня также уменьшается, как это происходит у АД с фазным ротором.

1 – стержни; 2 – сердечник

Рисунок 10.9 -- Устройство ротора с глубокими пазам

Во время пуска АД проявляет себя и эффект силового взаимодействия вихревых токов в стали ротора с вращающимся магнитным полем статора машины. Этот эффект также способствует увеличению пускового момента, но приводит к появлению провала в механической характеристике при больших скольжениях s=0,75 0,85 до значения 0,8 М_п. Это значение называется минимальным моментом , оно задаётся обычно кратностью .

Аналогично работает двигатель с двухклеточным ротором. В сердечнике ротора расположены две обмотки (клетки): рабочая в глубине сердечника, обладающая при пуске значительным индуктивным сопротивлением, и пусковая (вблизи воздушного зазора) с повышенным активным сопротивлением.

1 – рабочая обмотка; 2 – пусковая обмотка; 3 – сердечник ротора; 4 – замыкающие

кольца

Рисунок 10.10 - Устройство двухклеточного ротора

10.1.3 Торможение асинхронных двигателей

Важным свойством АД является их способность наряду с двигательным режимом развивать при определенных условиях режим торможения. Наибольшее распространение получили три способа торможения: торможение противовключением, динамическое торможение и рекуперативное (генераторное) торможение.

1. Торможение противовключением. Торможение осуществляют путем изменения порядка чередования фаз статорной обмотки. При этом магнитное поле статора изменяет направление вращения, а ротор по инерции вращается в противоположную сторону. Этот режим используется для резкого торможения или при спуске груза.

Рисунок 10.11 - Зависимость частоты вращения асинхронного двигателя

от скольжения для генераторного, двигательного и тормозного режимов

При рассмотрении тормозных режимов пользуются упрощенной формулой механических характеристик АД (формула Клосса):

,

где М, S – текущие значения момента сил вращения и текущее значение скольжения.

В режиме противовключения S>1.

2.Динамическое торможение. Для получения режима динамического торможения обмотку статора отключают от сети переменного тока и подключают на время торможения к источнику постоянного тока. Наиболее распространённые схемы включения обмоток статора таковы:

Рисунок 10.12 - Схемы подключения обмоток статора асинхронного двигателя

к источнику постоянного тока

Постоянный ток создает неподвижное магнитное поле относительно статора. В момент отключения от сети переменного тока и в последующее время ротор продолжает вращаться по инерции в том же направлении. Время естественной остановки колеблется от нескольких секунд до минут.

Основным преимуществом способа динамического торможения электродвигателя является то, что окончательная остановка двигателя сопровождается уменьшением до нуля электрических величин: ω, Е, I, М_эм.

Нагрузкой АД в режиме торможения является сопротивление, включённое в цепь ротора, для двигателя с контактными кольцами, или сопротивление самой обмотки в случае короткозамкнутого ротора.

Взаимодействие тока ротора с результирующим магнитным полем статора асинхронного двигателя создаёт тормозной момент. Двигатель в этом случае работает в режиме генератора независимо от сети переменного тока, преобразуя кинетическую энергию движущихся частей электропривода и рабочей машины в электрическую энергию, которая рассеивается в виде теплоты в цепи ротора.

Рисунок 10.13 - Схема управления пуском асинхронного двигателя

с короткозамкнутым ротором и его динамического торможения в функции времени

При нажатии кнопки SB1 замыкается цепь питания управляющей катушки линейного контактора КМ1, который срабатывает и своими силовыми контактами включает двигатель, а также подключает реле времени КТ к источнику постоянного тока и шунтирует кнопку SB1. Срабатывание реле КТ приводит к замыканию его контактов в цепи управляющей катушки контактора торможения КМ2, но этот контактор не срабатывает, так как цепь управления им разомкнута блокировочным контактом КМ1.

Для остановки двигателя нажимают кнопку SB2, при этом отключаются силовые контакты КМ1 и включается блокировочный контакт КМ1, что приводит к срабатыванию тормозного контактора КМ2. Напряжение постоянного тока поступает в обмотку статора двигателя, что приводит к динамическому торможению вращающегося по инерции ротора. Одновременно размыкается блокировочный контакт КМ2 в цепи управления катушкой линейного контактора КМ1.

Резистор R_Т предназначен для ограничения постоянного тока в обмотке статора двигателя при динамическом торможении. Протекание постоянного тока в обмотке статора непродолжительно, потому что при отключении КМ1 размыкается его контакт в цепи питания реле времени КТ, что приводит к размыканию с некоторой временной задержкой контактов КТ в цепи управляющей катушки тормозного контактора КМ2. В результате обмотка статора двигателя отключается контактами КМ2 от сети постоянного тока через некоторое время, равное выдержке времени КТ на размыкание контактов.

3.Рекуперативное торможение. Этот вид торможения может быть реализован в системе «преобразователь частоты – двигатель» при остановке АД или его переходе с характеристики на характеристику. Для этого уменьшают частоту сети U_с и, значит, синхронную скорость вращающегося магнитного поля статора. В силу механической инерции ротора его частота вращения будет отставать и постоянно превышать синхронную частоту. За счёт этого и возникает режим торможения с отдачей энергии в сеть. При этом должно быть устройство для передачи этой энергии в сеть.

Рекуперативное торможение является наиболее экономичным видом торможения асинхронного двигателя.

4.Торможение при самовозбуждении. Основано на том, что после отключения АД от сети его электромагнитное поле исчезает не мгновенно, а в течение некоторого времени. За счёт использования энергии этого поля и специальных схем включения АД можно обеспечить его самовозбуждение и реализовать тормозной режим. В практике применяют конденсаторное и магнитное торможение АД.

Рисунок 10.14 - Схема конденсаторного торможения (а) и механические

характеристики (б) асинхронного двигателя

Конденсаторы могут подключаться к статору постоянно (глухое подключение) или при помощи дополнительного контактора, будучи при этом соединёнными в схему «треугольника» или «звезды».

Интенсивность торможения зависит от ёмкости конденсаторов. Чем она больше, тем больше максимум тормозного момента будет смещаться в область низких частот.

Магнитное торможение реализуется после отключения статора от сети и замыкания фаз статора накоротко с помощью контактов их выводов. При этом тиристоры закрыты. За счет запасённой в двигателе электромагнитной энергии происходит самовозбуждение двигателя и на его валу создается тормозной момент. Торможение в этом случае быстротечно, но моменты торможения достаточно велики.

Рисунок 10.15 - Схема магнитного торможения асинхронного двигателя

Тиристоры VS1, VS2, VS3, VS4 – регулируют питание статора АД. Дополнительный тиристор VS5 накоротко замыкает обмотки статора, осуществляя торможение.

Когда интенсивность торможения коротким замыканием обмоток уменьшится, то открывают VS1, который пропускает выпрямленный ток в соответствующую обмотку статора, и обеспечивает режим динамического торможения.

10.2 Пуск и торможение синхронного двигателя

10.2.1 Пуск синхронного двигателя

При неподвижном роторе и подключении к сети обмотки статора, а обмотки возбуждения к источнику носителя тока синхронный двигатель (СД) будет развивать знакопеременный вращающий момент и не сможет разогнаться до без применения специальных мер по его запуску.

Известно два способа пуска СД:

1).разгон СД до синхронной скорости с помощью небольшого вспомогательного двигателя устанавливаемого на валу СД, например, генератор постоянного тока АД;

2).асинхронный, когда в роторе СД укладывается асинхронная пусковая обмотка, выполняемая аналогично короткозамкнутой обмотке АД; она выключается при отличии угловой скорости на 3-5% от синхронной скорости и происходит «втягивание» СД в синхронизм с сетью.

Рисунок 10.16 - Общий вид пусковых характеристик синхронного двигателя

При пуске СД используют две основные схемы его возбуждения:

а) с подключением возбудителя в конце пуска.

Рисунок 10.17 - Схема пуска синхронного двигателя с подключением возбудителя

в конце пуска

На первом этапе пуска контакт 6 разомкнут, а контакт 4 замкнут. Обмотка возбуждения 2 оказывается замкнутой на резистор 3 и асинхронный пуск происходит в благоприятных условиях. В конце пуска при достижении подсинхронной скорости по команде контроллера, использующего датчики частоты, тока или времени; контакт 4 размыкается, а контакт 6 замыкается. В обмотку возбуждения подаётся ток от возбудителя 8 и синхронный двигатель втягивается в синхронизм.

б) с постоянно подключенным возбудителем.

Рисунок 10.18 - Схема пуска синхронного двигателя с постоянно подключённым

возбудителем

В этой схеме обмотка возбуждения с самого начала пуска постоянно подключена к возбудителю 2. При скорости происходит самовозбуждение возбудителя и в обмотку возбуждения поступает ток, благодаря чему синхронный двигатель втягивается в синхронизм. Пуск по схеме рис. 10.5 происходит в менее благоприятных условиях, так как пусковой момент СД оказывается ниже, чем при использовании схемы рис. 10.4.

Пуск СД может происходить с ограничением . При наличии мощной питающей сети СД запускают прямым подключением к сети без ограничения тока.

.

При пуске СД большой мощности , соизмеряемой с мощностью сети, ограничивают пусковые токи для чего используют добавочные резисторы, реакторы или автотрансформаторы.

Рисунок 10.19 - Пусковые схемы синхронного двигателя с дополнительными

реакторами (а) и автотрансформатором (б)

При питании синхронного двигателя от векторного (динамического) преобразователя частоты переменного тока может быть реализован частотный пуск. При этом с помощью программного задатчика обеспечивается такой темп изменения частоты питающего СД напряжения (скорости вращения магнитного поля статора), при котором ротор «успевает» за полем и двигатель работает синхронно с сетью с малых скоростей вращения ротора. При этом способе пуска меньше потери энергии.