Элементы автоматических устройств ПУСК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ
ПУСК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ

Пуск асинхронного двигателя. 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.

Рис. 9-9. Схема прямого пуска асинхронного двигателя (а) и графики изменения моментов и тока (б)

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.

Двигатели обычно пускают с помощью электромагнитного выключателя К-магнитного пускателя (рис.9-9,а) и разгоняют автоматически по естественной механической характеристике Μ (рис.9-9,б) от точки П, соответствующей начальному моменту пуска, до точки Р, соответствующей условию М = Мст. Если в начальный момент пуска Мпст, двигатель разогнаться не сможет.

Отношение моментов Mп/Mном = kп.м называют кратностью начального пускового момента. Для двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью 0,6... 100 кВт ГОСТом установлено kп.м= 1,0...2,0; мощностью 100...1000 кВт- kп.м= 0,7...1,0.

Получение кратностей пусковогомомента, больших регламентированных ГОСТом, обычно нежелательно, так как это связано либо с увеличением активного сопротивления ротора, либо с изменением конструкции ротора, что ухудшает энергетические показатели двигателя.

Недостатком данного способа пуска кроме сравнительно небольшого пускового момента является таксисе большой бросок пускового тока, в 5...7 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 показателем (η, cosφ1, kм и др.).

Рис. 9-10. Схемы включения асинхронного двигателя при пуске с понижением напряжения

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 Υ. При этом напряжение, подаваемое на фазы обмотки статора, уменьшается в раз, что обусловливает уменьшение фазных токов 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;

б)включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных активных (резисторов) или реактивных (реакторов) сопротивлений (рис.9-10,а). После окончания разгона добавочные резисторы или реакторы замыкаются накоротко контактором К1;

Рис. 9-11. Механические характеристики при включении обмотки статора двигателя по схемам У и Δ (а) и графики изменения Μ и I1 при пуске двигателя путем переключения обмотки статора с Υ на Δ (б)

в) подключением двигателя к сети через понижающий автотрансформатор АТр (рис.9-10,б), 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 при пуске двигателей без нагрузки или при незначительной нагрузке.

На рис. 9-11 для примера приведены механические характеристики двигателя при номинальном и пониженном напряжении, т. е. при соединении обмотки статора по схемам Υ и Δ, а также графики изменения тока I1 и момента Μ при пуске двигателя путем переключения обмотки статора с нормальной схемы Y на пусковую Δ. При соединении по схеме Υ максимальный и пусковой моменты уменьшаются в 3 раза, вследствие чего двигатель не в состоянии осуществить пуск механизма с нагрузочным моментом Мн.

Пуск с помощью реостата в цепи ротора. Этот способ применяют для пуска двигателей с фазным ротором. Если в цепь ротора включить пусковой реостат Rп, то активное сопротивление цепи ротора увеличится, а пусковой момент возрастает от значения Мп до значения М'п. Одновременно повышается критическое скольжение, а поэтому зависимость M=f(s) сдвигается в область больших скольжений, а зависимость n2 = f(M) - в область меньших частот вращения (рис.9-12,а, б, кривые 1-4).

Рис. 9-12. Механические характеристики получаемые при включении реостата в цепь ротора асинхронного двигателя

Пусковой реостат имеет обычно три - шесть ступеней (рис.9-13,а), что позволяет в процессе пуска постепенно уменьшать пусковое сопротивление, поддерживая высокое значение пускового момента двигателя. Сначала двигатель пускается по характеристике 4 (рис.9-13,б), соответствующей сопротивлению пускового реостата Rп3 = Rдоб1 + Rдоб2 + Rдоб3, и развивает вращающий момент Мпmax. По мере увеличения частоты вращения вращающий момент Μ уменьшается и может стать меньше некоторого момента Mпmin. Поэтому при M=Mпmin часть пускового реостата Rдоб3 выводят, замыкая контактор КЗ. Вращающий момент при этом мгновенно возрастает до Мпmax, а затем с увеличением частоты вращения изменяется по характеристике 3, соответствующей сопротивлению реостата Rп2 = Rдоб1 + Rдоб2. При дальнейшем уменьшении момента Μ до Mпmin часть реостата Rдоб2 снова выключается контактором К2, и двигатель переходит на работу по характеристике 2, соответствующей сопротивлению Rп1= Rдоб1.

Рис. 9-13. Схема реостатного пуска асинхронного двигателя (а) и диаграммы изменения момента, частоты вращения в процессе пуска (б)

Таким образом, при постепенном (ступенчатом) уменьшении сопротивления пускового реостата вращающий момент двигателя изменяется от Мпmax до Mпmin, а частота вращения возрастает по ломаной кривой, показанной на рис.9-13,б 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 Мп≈Мтах и резко уменьшить пусковой ток.

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 cosφ1 проходят ниже). В связи с этим двигатели с фазным ротором применяют только при тяжелых условиях пуска, когда необходимо развивать максимально возможный пусковой момент.

Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя. Частота вращения асинхронного двигателя

(9-17)

Из формулы (9-17) следует три принципиально возможных метода регулирования асинхронных двигателей: изменение частоты f (частотное регулирование), числа полюсов (полюсное регулирование) и скольжения s. Скольжение s обычно изменяют путем изменения потерь в цепи ротора с помощью реостата (роторное регулирование), но в некоторых случаях для этого изменяют величину питающего напряжения.

Частотное регулирование. Этот способ регулирования частоты вращения позволяет применять наиболее надежные и дешевые асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Однако для изменения частоты питающего напряжения требуется наличие источника электрического тока переменной частоты. В качестве последнего используют либо синхронные генераторы с переменной частотой вращения, либо преобразователи частоты — электромашинные или статические, выполненные на управляемых полупроводниковых вентилях (транзисторах или тиристорах).

Существенное изменение величины потока Ф при регулировании n нежелательно, так как увеличение Ф против нормального вызывает увеличение насыщения магнитной цепи и сильное увеличение намагничивающего тока, а уменьшение Ф вызывает недоиспользование машины, уменьшение перегрузочной способности и увеличение тока I2 при том же значении М (из равенства )и т.д. Поэтому в большинстве случаев целесообразно поддерживать Ф=const. При этом одновременно с регулированием частоты пропорционально ей необходимо изменять также напряжение, т.е. поддерживать

U1/f1=const, (9-18)

что является выражением закона Костенко.

Закон Костенко — характеристики асинхронного двигателя при частотах питающего напряжения, отличных от номинальной, зависят от соотношения между напряжением сети U1 и частотой f1, т. е. питающее напряжение следует изменять прямо пропорционально его частоте. При этом мощность двигателя увеличивается прямо пропорционально возрастанию частоты вращения.

При широком диапазоне регулирования правильнее поддерживать

Ф=E1/f1=const.

К недостаткам частотного регулирования относится громоздкость и высокая стоимость питающей установки.

Полюсное регулирование. Такое регулирование позволяет получить ступенчатое изменение частоты вращения. На рис.9-14 показана простейшая схема (для одной фазы), позволяющая изменять, позволяющая изменять число полюсов обмотки статора в 2 раза. Для этого каждую фазу обмотки статора разделяют на две части, которые переключают с последовательного соединения на параллельное. Из рис. 9-14 видно, что при включении катушек 1—2 и 3—4 в две параллельные ветви число полюсов уменьшается в 2 раза, а следовательно, частота вращения магнитного поля увеличивается в 2 раза.

Рис. 9-14. Схема переключения одной фазы обмотки статора для изменения числа полюсов при 2p=4 (а) и 2p = 2 (б)

При переключении число последовательно включенных витков в каждой фазе уменьшается вдвое, но так как частота вращения возрастает в 2 раза, ЭДС, индуцированная в фазе, остается неизменной. Следовательно, двигатель при обеих частотах вращения может быть подключен к сети с одинаковым напряжением. Чтобы не осуществлять переключения в обмотке ротора, последнюю выполняют короткозамкнутой. Если нужно иметь три или четыре частоты вращения, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить дополнительно две частоты. Асинхронные двигатели с переключением числа полюсов называют многоскоростными.

Рис. 9-15. Принципиальные схемы соединения обмотки статора с переключением числа полюсов г) в отношении 2:1 и механические характеристики двигателей при таком переключении (д, е)

На рис.9-15 показаны наиболее часто употребляемые схемы соединений обмотки статора с переключением числа полюсов в отношении 2:1. Схемы, приведенные на рис. 9-15, a, б, обеспечивают переключение при постоянном моменте, а схемы, приведенные на рис. 9-15,в, г,— при приблизительно постоянной мощности.

Механические характеристики двигателя при переключении полюсов двумя рассмотренными методами приведены на рис.9-15,д, кривые 1 и 2 — при постоянном моменте, кривые 3 и 4 — при постоянной мощности.

Многоскоростные двигатели имеют следующие недостатки: большие габариты и массу по сравнению с двигателями нормального исполнения, а, следовательно, и большую стоимость. Кроме того, регулирование осуществляется большими ступенями; при частоте f1 = 50 Гц частота вращения поля п1 при переключениях изменяется в соотношении 3000:1500:1000:750.

Регулирование путем включения реостата в цепь ротора. При включении в цепь ротора добавочных активных сопротивлений Rдоб1, Rдоб2, Rдоб3 и других изменяется форма зависимости M=f(s) и механической характеристики n2 = f(M) двигателя (рис. 9-16,а). При этом некоторому нагрузочному моменту Мн соответствуют скольжения sl, s2, s3,..., большие, чем скольжение se при работе двигателя на естественной характеристике (при Rдоб = 0). Следовательно, установившаяся частота вращения двигателя уменьшается (рис.9-16,б).

Рис. 9-16. Изменение формы механической характеристики при регулировании частоты вращения с помощью добавочного активного сопротивления

Этот метод регулирования может быть использован только для двигателей с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатками его являются: а) большие потери энергии в регулировочном реостате; б) чрезмерно «мягкая» механическая характеристика двигателя при большом сопротивлении в цепи ротора. В некоторых случаях последнее является недопустимым, так как небольшому изменению нагрузочного момента соответствует существенное изменение частоты вращения.