Способы пуска. При пуске двигателя по возможности должны удовлетворяться основные требования: процесс пуска должен осуществляться без сложных пусковых устройств; пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи - по возможности малыми. Иногда к этим требованиям добавляют и другие, обусловленные особенностями конкретных приводов, в которых используют двигатели: необходимость плавного пуска, максимального пускового момента и пр.
Практически используют следующие способы пуска: непосредственное подключение обмотки статора к сети (прямой пуск); понижение напряжения, подводимого к обмотке статора при пуске; подключение к обмотке ротора пускового реостата.
Прямой пуск. Этот способ применяют для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Двигатели этого типа малой и средней мощности обычно проектируют так, чтобы при непосредственном подключении обмотки статора к сети возникающие пусковые токи не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры, опасных с точки зрения механической и термической прочности основных элементов машины.
В асинхронных двигателях отношение L / R сравнительно мало (особенно в малых двигателях), поэтому переходный процесс в момент включения характеризуется весьма быстрым затуханием свободного тока. Это позволяет пренебречь свободным током и учитывать только установившееся значение тока переходного процесса.
Двигатели обычно пускают с помощью электромагнитного выключателя К - магнитного пускателя (рис. 4.27, а) и разгоняют автоматически по естественной механической характеристике М (рис. 4.27,6) от точки П, соответствующей начальному моменту пуска, до точки Р, соответствующей условию М = М ст. Ускорение при разгоне определяется разностью абсцисс кривых М и М ст и моментом инерции ротора двигателя и механизма, который приводится во вращение. Если в начальный момент пуска М п < М ст, двигатель разогнаться не сможет.
| Рис. 4.27. Схема прямого пуска асинхронного двигателя и графики изменения моментов и тока |
Значение начального пускового момента можно получить из формулы (4.46а), приняв s = 1:
(4.58)
Мп = m1 U12R'2 /{w1 [(R1 + R'2)2 + (X1 + Х'2)2 ]}.
Отношение моментов М п / М ном = k п.м называют кратностью начального пускового момента. Для двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью 0,6—100 кВт ГОСТом установлено k п.м = 1,0÷2,0; мощностью 100-1000 кВт - k п.м = 0,7÷1,0.
Получение кратностей пускового момента, больших регламентированных ГОСТом, обычно нежелательно, так как это связано либо с увеличением активного сопротивления ротора (см. 4.58), либо с изменением конструкции ротора (см. § 4.11), что ухудшает энергетические показатели двигателя.
Недостатком данного способа пуска кроме сравнительно небольшого пускового момента является также большой бросок пускового тока, в пять — семь раз превышающий номинальное значение тока.
Несмотря на указанные недостатки, пуск двигателя путем непосредственного подключения обмотки статора к сети широко применяют благодаря простоте и хорошим технико-экономическим свойствам двигателя с короткозамкнутым ротором — низкой стоимости и высоким энергетическим показателям (η, cos φ1, k м и др.).
Пуск при пониженном напряжении. Такой пуск применяют для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором большой мощности, а также для двигателей средней мощности при недостаточно мощных электрических сетях. Понижение напряжения может осуществляться следующими путями:
а) переключением обмотки статора с помощью переключателя с нормальной схемы Δ на пусковую схему Y. При этом напряжение, подаваемое на фазы обмотки статора, уменьшается в √3 раз, что обусловливает уменьшение фазных токов в √3 раз и линейных токов в 3 раза. По окончании процесса пуска и разгона двигателя до номинальной частоты вращения обмотку статора переключают обратно на нормальную схему;
|
| Рис. 4.28. Схемы включения асинхронного двигателя при пуске с понижением напряжения |
б) включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных активных (резисторов) или реактивных (реакторов)сопротивлений (рис. 4.28, а). При этом на указанных сопротив лениях создаются некоторые падения напряжения Δ U доб, пропорциональные пусковому току, вследствие чего к обмотке статора подается пониженное напряжение. По мере разгона двигателя снижается ЭДС Е 2s, индуцированная в обмотке ротора, а следовательно, и пусковой ток. В результате уменьшается падение напряжения Δ U доб на указанных сопротивлениях и автоматически возрастает приложенное к двигателю напряжение. После окончания разгона добавочные резисторы или реакторы замыкаются накоротко контактором К 1;
в) подключением двигателя к сети через понижающий автотрансформатор АТр (рис. 4.28, 6), который может иметь несколько ступеней, переключаемых в процессе пуска соответствующей аппаратурой.
Недостатком указанных методов пуска путем понижения напряжения является значительное уменьшение пускового и максимального моментов двигателя, которые пропорциональны квадрату приложенного напряжения, поэтому их можно использовать только при пуске двигателей без нагрузки.
| Рис. 4.29. Механические характеристики при включении обмотки статора двигателя по схемам Y и Δ (а) и графики изменения М и I 1 при пуске двигателя путем переключения обмотки статора со Y на Δ (б) |
На рис. 4.29 для примера приведены механические характеристики двигателя при номинальном и пониженном напряжении, т. е. при соединении обмотки статора по схемам Y и Δ, атакже графики изменения тока I 1 и момента М при пуске двигателя путем переключения обмотки статора со Y на Δ. Присоединении по схеме Y максимальный и пусковой момент уменьшаются в три раза, вследствие чего двигатель не в состоянии осуществить пуск механизма с нагрузочным моментом М н.
Пуск с помощью реостата в цепи ротора. Этот способ применяют для пуска двигателей с фазным ротором. Если в цепь ротора включить пусковой реостат R п, то активное сопротивление цепи ротора увеличится, вследствие чего точка К на круговой диаграмме (рис. 4.30, а) сместится ближе к точке О (точка К'). При этом максимальный момент (отрезок А м Е м) не изменяется, а пусковой момент возрастает от значения М п до М' п, так как увеличивается отрезок КЕ п, пропорциональный этому моменту. Одновременно повышается критическое скольжение, а поэтому зависимость М =f (s) сдвигается в область больших скольжений, а зависимость п 2= f (М) — в область меньших частот вращения (рис. 4.30, 6 и в, кривые 1—4).
Для того чтобы пусковой момент был равен максимальному, необходимо так подобрать сопротивление пускового реостата R п, чтобы точка К' находилась вблизи точки А м. Это условие выполняется при R' п + R' 2 + R 1 ≈ X 1 + X' 2. Включение сопротивления R пуменьшает также и пусковой ток двигателя, так как в этом случае
(4.59)
In = U1 /√(R'n + R'2+ R1)2 + (X1 + Х'2)2.
Пусковой реостат имеет обычно три — шесть ступеней (рис. 4.31, а), что позволяет в процессе пуска постепенно уменьшать пусковое сопротивление, поддерживая высокое значение пуско-вого момента двигателя. Сначала двигатель пускается по характеристике 4 (рис. 4.31,6), соответствующей сопротивлению
|
| Рис. 4.30. Круговая диаграмма при включении реостата в цепь ротора асинхронного двигателя и получаемые при этом механические характеристики |
|
| Рис. 4.31. Схема реостатного пуска асинхронного двигателя |
пускового реостата R п3 = R доб1 + R доб2 + R доб3, и развивает вращающий момент М п.mах. По мере увеличения частоты вращения вращающий момент М уменьшается и может стать меньше некоторого момента M п.min. Поэтому при M = M п.min часть пускового реостата R доб3 выводят, замыкая контактор КЗ. Вращающий момент при этом мгновенно возрастает до М п.mах, а затем с увеличением частоты вращения изменяется по характеристике 3, соответствующей сопротивлению реостата R п2 = R доб1 + R доб2. При дальнейшем уменьшении момента М до M п.min часть реостата R доб2 снова выключается контактором К2 и двигатель переходит на работу по характеристике 2, соответствующей сопротивлению R п1 = R доб1. Таким образом, при постепенном (ступенчатом) уменьшении сопротивления пускового реостата вращающий момент двигателя изменяется от М п.mах до M п.min, а частота вращения возрастает по ломаной кривой, показанной на рис. 4.31,6 жирной линией. В конце пуска пусковой реостат полностью выводят контактором К1, обмотка ротора замыкается накоротко, и двигатель переходит на работу по естественной характеристике 1. Выключение отдельных ступеней пускового реостата в процессе разгона двигателя может осуществляться вручную или автоматически. Таким образом, посредством реостата, включенного в цепь ротора, можно осуществить пуск двигателя при M п ≈ М mах и резко уменьшить пусковой ток.
На рис. 4.31, в показан характер изменения тока I 1 и частоты вращения n 2 при пуске двигателя рассматриваемым способом. Ток также изменяется по ломаной кривой между двумя крайними значениями I mах и I min.
Недостатком данного способа является его относительная сложность и необходимость применения более дорогих двигателей с фазным ротором. Кроме того, указанные двигатели имеют несколько худшие рабочие характеристики, чем двигатели с короткозамкнутым ротором такой же мощности (кривые η и cos φ1 проходят ниже). В связи с этим двигатели с фазным ротором применяют только при тяжелых условиях пуска, когда необходимо развивать максимально возможный пусковой момент.