Какие существуют способы пуска асинхронных двигателей при пониженном напряжении

Способы пуска асинхронных электродвигателей. Достоинства и недостатки (2008)

В современном производстве применяют электродвигатели самых разных видов. Но наибольшее применение нашли асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Они относительно дешевы и требуют, как правило, небольших затрат на эксплуатацию и обслуживание.

У различных производителей пусковые параметры асинхронных электродвигателей могут существенно отличаться при одинаковой номинальной мощности. Использование систем пуска при пониженном напряжении предполагает наличие у электродвигателя высокого пускового вращающего момента при прямом включении (D.O.L). В этом случае уменьшается пусковой ток и пусковой вращающий момент. На технические характеристики оказывает влияние и число полюсов: электродвигатель с двумя полюсами зачастую имеет меньший пусковой вращающий момент, чем электродвигатели с четырьмя и более полюсами (Рис. 1а и 1б).

Напряжение

Трехфазные односкоростные электродвигатели могут использоваться на двух напряжениях. Три фазные обмотки статора соединяются звездой (Y) или треугольником (D) (Рис. 2а и 2б).

Фазные обмотки могут включаться последовательно или параллельно, например, Y или YY На шильдике электродвигателя с короткозамкнутым ротором указывают напряжения для соединения звездой или треугольником, то есть электродвигатель можно подключать к напряжениям 230 В или 400 В. Обмотки соединяются треугольником для 230 В, а при использовании напряжения питания 400 В используется соединение звездой. При изменении напряжения питания следует помнить, что при одинаковой номинальной мощности ток будет зависеть от величины напряжения.

Коэффициент мощности

Электродвигатель всегда потребляет активную мощность, которая преобразуется в механическую работу. Для намагничивания активной стали статора и ротора требуется реактивная мощность, которая является паразитной. На схеме активная и реактивная мощности представлены как P (активная) и Q (реактивная), которые совместно дают мощность S (полная). Соотношение между активной мощностью (кВт) и реактивной мощностью (кВА) называется коэффициентом мощности и обозначается как cos9. Нормальное значение этого коэффициента лежит в пределах 0,7-0,9, при этом небольшие электродвигатели имеют невысокое значение этого параметра, а мощные — высокое.

Скорость

Скорость электродвигателя переменного тока зависит от двух параметров: количество полюсов обмотки статора и частоты напряжения питания. При частоте 50 Гц, электродвигатель будет работать со скоростью равной константе 6000 об./ мин., деленной на число полюсов, а при частоте 60 Гц, константа будет равна 7200 об/мин.

Крутящий момент

Пусковой крутящий момент мотора зависит от мощности электродвигателя. Для небольших электродвигателей мощностью до 30 кВт, он в 2,5-3 раза больше номинального крутящего момента. Для электродвигателей мощностью до 250 кВт типовое значение в 2-2,5 раза больше номинального крутящего момента. Более мощные электродвигатели имеют еще меньший пусковой крутящий момент, иногда даже меньше номинального. Такой электродвигатель невозможно пустить под нагрузкой даже путем пуска прямой подачи напряжения.

Пуск прямой подачей напряжения

Это метод один из самых распространенных способов пуска электродвигателей. Пусковое оборудование состоит из главного контактора и теплового или электронного реле перегрузки. Недостатком этого метода является самый большой пусковой ток, превышающий номинальный в 6-7, а в некоторых случаях и в 10-12 раз. Помимо пускового тока возникает импульсный ток, превышающий номинальный ток в 14 раз. Эти величины зависят от конструкции и размера электродвигателя, при этом менее мощные электродвигатели имеют большие относительные пусковой и импульсный токи. При пуске прямой подачей напряжения пусковой крутящий момент также весьма велик и в большинстве случаев больше необходимого, что приводит к износу и выходу из строя приводимого оборудования.

Пуск переключением соединения звезда-треугольник

Этот способ уменьшает пусковой ток и пусковой крутящий момент. Пусковое устройство обычно состоит из трех контакторов, реле перегрузки и таймера, задающего время нахождения в пусковом положении. Чтобы можно было использовать этот метод пуска, обмотки статора электродвигателя, соединенные треугольником, должны быть рассчитаны на работу в номинальном режиме. В этом случае пусковой ток составляет около 30 % от пускового тока, возникающего при пуске прямой подачей напряжения, а пусковой крутящий момент на 25 % меньше возникающего при пуске прямой подачей напряжения (Рис. 3а, 3б и 3в).

Частотные преобразователи и системы плавного пуска

Развитие элементной базы позволило создать новые классы оборудования для управления режимом электродвигателя. Были созданы частотные системы и системы плавного пуска, которые отличаются назначением и принципом работы.

Частотные преобразователи управляют режимом работы электродвигателя в течении всего периода работы, контролируя основные электромеханические параметры. Принцип работы основан на преобразовании переменного тока 50 Гц в постоянный, и далее методом высокочастотной модуляции (ЧИМ или ШИМ) преобразуется напряжение постоянного тока в переменное с регулируемой частотой (Рис. 4 а). Это позволяет управлять режимом работы электродвигателя изменением частоты на выходе привода. За счет управления частотой при пуске номинальный вращающий момент может быть достигнут на низкой скорости. Другой полезной функцией является мягкая остановка. Также данное устройство позволяет стабилизировать пользовательский параметр при изменяемых внешних характеристиках — например, давление в трубопроводе высотного дома поддерживается неизменным независимо от потребления.

В основе работы системы плавного пуска лежит принцип фазового регулирования, что позволяет при малом напряжении на электродвигателе минимизировать пусковой ток и крутящий момент (Рис. 4 б). На первом этапе запуска напряжение, подаваемое на электродвигатель, настолько мало, что механические усилия минимальны. Постепенно напряжение и крутящий момент возрастают, и механизмы начинают разгоняться. Одним из преимуществ этого метода пуска является возможность точной регулировки крутящего момента, независимо от наличия нагрузки. Особенностью является бережное отношение к приводимому механизму. Другой функцией системы мягкого пуска является мягкая остановка.

Пуск прямой подачей напряжения

Осуществляется подачей полного напряжения без последующей коммутации. Характеризуется максимальными пусковыми токами и ударным воздействием на приводимые механизмы. Применяется для маломощных устройств без особых требований к оборудованию.

Пуск переключением звезда-треугольник

Обеспечивает снижение бросков пускового тока, пониженный пусковой крутящий момент, что обеспечит плавный разгон оборудования. Данный способ пуска позволяет производить пуск оборудования в условиях ограниченного питания, когда технические характеристики питающей сети не позволяют произвести пуск прямой подачей электроэнергии

Кстати, в ассортименте продукции ТМ IЕК есть автомат, позволяющий решить задачу пуска электродвигателя независимо от схемы включения. Это контакторы КМИ в оболочке. Для реализации схемы «звезда-треугольник» нужно использовать реверсивные пускатели, тепловые реле и различного рода дополнительное оборудование к ним. Для систем частотного регулирования и плавного пуска выпускается широкий ассортимент автоматических выключателей серии ВА88-ХХ.

Оборудование Пускового устройства на примере автоматов ТМ IEK

Пусковое устройство состоит из 2-х силовых контакторов типа КМИ или КТИ ( в зависимости от мощности электродвигателя) и промежуточного контактора КМИ с пневматической приставкой ПВИ, позволяющей получать выдержку времени на время разгона электродвигателя при пуске.

Пуск по схеме звезда-треугольник

Пуск производится при срабатывании контактора К1 (к питающей сети подключаются обмотки электродвигателя соединенные звездой). Электродвигатель начинает разгоняться.

В зависимости от типа механизма, приводимого в движение электродвигателем, и возможности питающей сети, производится регулировка выдержки времени на приставке ПВИ, установленной на промежуточном контакторе. По истечении времени происходит отключение контактора К1 и включение контактора К2, обмотки электродвигателя переключаются на соединение «треугольник», и электродвигатель достигает номинальной частоты вращения.

Схема (Рис. 5) спроектирована с учетом изготовления из стандартных комплектующих, минимизации расходов и повышения надежности конечного изделия. Законченное устройство может быть размещено в стандартной металлооболочке подходящего размера из ассортимента ТМ IEK.

Способы пуска асинхронного двигателя

Прямой пуск асинхронного двигателя «звезда-треугольник»

Существуют различные способы пуска асинхронного двигателя. Непосредственное подключение агрегата к сети – это прямой пуск асинхронного двигателя, который применим для моторов с короткозамкнутым ротором. При проектировании подобных устройств специалисты разрабатывают конструктивное решение, при котором пусковые токи, возникающие в обмотке статора, не провоцируют большое механическое усилие и не перегревают обмотку.

В связи с этим прямой пуск асинхронного двигателя высокой мощности невозможен, поскольку он приводит падению напряжения (больше 15%) в сети. Это, в свою очередь, ведет к неустойчивой работе пусковой аппаратуры, провоцирует подгорание контактов и, как результат – пуск асинхронного двигателя становится невозможен.

Для снижения пускового тока пуск асинхронного двигателя производится при пониженном напряжении.

Пуск асинхронного двигателя, который работает при соединении обмотки статора треугольником и фазное напряжение соответствует напряжению сети, производится путем переключения обмотки статора со звезды на треугольник.

В момент подключения переключатель устанавливается в положение, когда обмотка статора соединена звездой. Это приводит к уменьшению фазного напряжения на статоре и тока в фазных обмотках мотора.

В положении «звезда» фазный ток равен линейному, тогда как в положении «треугольник» он ниже линейного. Таким образом, при включении, когда ротор наберет скорость близкую к номинальной, переключатель переводят в положение треугольник. Возникающий перепад тока, как правило, невелик и не оказывает воздействия на работу сети питания.

Поскольку снижение фазного напряжения приводит к существенному уменьшению пускового момента, это является серьезным недостатком.

Пуск асинхронного двигателя может производиться при помощи автотрансформаторов и реакторов. Как и прочие способы пуска асинхронного двигателя, он основан на уменьшении подводимого напряжения и характеризуется снижением пускового момента.

Схема пуска асинхронного двигателя разрабатывается таким образом, чтобы создавать при небольшом токе большой пусковой момент. В отличие от прямого подключения специальное устройство пуска асинхронного двигателя обеспечивает постепенный разгон и торможение двигателя, что достигается благодаря подаче линейно изменяющегося напряжения от начального до номинального значения.

Способы пуска асинхронного двигателя с помощью УПП (устройства плавного пуска)

Пуск звезда-треугольник позволяет уменьшить пусковые токи, но не избавляет от рывков и не может плавно останавливать двигатель. Для плавного пуска асинхронного электродвигателя без рывков, необходимо устанавливать УПП. Устройства плавного пуска регулируют такие параметры как ток, напряжение, время пуска и останова что позволяет оптимизировать пусковые характеристики и продлить срок службы двигателя, а также связанных с ним механизмов.

Способы пуска асинхронного двигателя с помощью преобразователя частоты (частотника)

Если кроме мягкого пуска и останова, в процессе эксплуатации необходимо регулировать скорость или момент, то для этих целей применяют преобразователи частоты. Большинство преобразователей частоты имеют встроенный микроконтроллер на борту, для создания многофункциональных систем управления электроприводами, с возможностью интеграции в вышестоящие системы управления процессом. Кроме того, использование устройств плавного пуска и преобразователей частоты позволяет не только улучшить пусковые характеристики, но и сократить энергопотребление, так как при запуске двигатель потребляет значительно больше электроэнергии, чем в номинальном режиме.

Основные различия способов пуска асинхронного двигателя:

§80. Пуск в ход асинхронных двигателей

При пуске двигателя в ход должны по возможности удовлетворяться следующие основные требования: процесс пуска должен быть простым и осуществляться без сложных пусковых устройств, пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи — по возможности малыми. Иногда к этим требованиям добавляются и другие, обусловленные особенностями конкретных приводов, в которых используются двигатели: необходимость плавного пуска, наибольшего пускового момента и пр. Практически используются 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 применяется 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. Однако при прямом пуске двигателей большой мощности, особенно при подключении их к недостаточно мощным электрическим сетям, могут возникать чрезмерно большие падения напряжения (свыше 10—15%). В этом случае прямой пуск для двигателей с короткозамкнутым ротором не применяют и пускают их при пониженном напряжении.
Прямой пуск асинхронного двигателя широко применяют в технике. Недостатками его являются большой пусковой ток и сравнительно небольшой пусковой момент.

Пуск при пониженном напряжении применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором большой мощности, а также для двигателей средней мощности при недостаточно мощных электрических сетях. Понижение напряжения осуществляется следующими способами:

переключением обмотки статора при пуске с рабочей схемы «треугольник» на пусковую схему «звезда». В этом случае фазное напряжение, подаваемое на обмотку статора, уменьшается в ?З раз, что обусловливает уменьшение фазных токов в ?З раз и линейных токов в 3 раза. По окончании процесса пуска и разгона двигателя до номинальной частоты вращения обмотку статора переключают обратно на схему «треугольник»;

включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных резисторов или реакторов. При этом на указанных аппаратах создаются некоторые падения напряжения ?U, пропорциональные пусковому току, вследствие чего к обмотке статора будет приложено пониженное напряжение U1 — ?U. По мере увеличения частоты вращения ротора двигателя уменьшается э. д. с, индуцированная в обмотке ротора, а следовательно, и пусковой ток. В результате этого уменьшается падение напряжения ?U и автоматически возрастает приложенное к двигателю напряжение;

подключением двигателя к сети через понижающий автотрансформатор. Последний может иметь несколько ступеней, которые в процессе пуска двигателя переключаются соответствующей аппаратурой.

Недостатком всех указанных способов является значительное уменьшение пускового и наибольшего моментов двигателя, которые пропорциональны квадрату приложенного напряжения. Поэтому они могут применяться только при пуске двигателя без нагрузки.

Пуск с помощью пускового реостата применяется для двигателей 1 с фазным ротором (рис. 265, а). Пусковой реостат 2 обычно имеет четыре — шесть ступеней, что позволяет в процессе пуска постепенно уменьшать пусковое сопротивление Rп, поддерживая высокое значение пускового момента на все время, разгона двигателя. При пуске предварительно устанавливают пусковой реостат в положение, при котором он имеет максимальное

Рис. 265. Схема включения асинхронного двигателя с пусковым реостатом (а) и механические характеристики двигателя при пуске (б)

сопротивление R_п4 = R_{п max}, после чего подключают обмотку статора к сети трехфазного тока. При этом двигатель пускается по характеристике 4 (рис. 265,б) и развивает в начале пуска вращающий момент Mпmax.

По мере увеличения частоты вращения ротора вращающий момент двигателя, как видно из его механической характеристики, уменьшается и может стать меньше некоторого момента M_{п min}. Поэтому при уменьшении вращающего момента до M_{п min} часть сопротивления пускового реостата выводят. При этом вращающий момент двигателя возрастает до M_{п max}, а затем с увеличением частоты вращения будет изменяться по характеристике 3, полученной при сопротивлении пускового реостата R_п3 < R_п4. При дальнейшем уменьшении вращающего момента до M_{п min} часть сопротивления реостата снова выключается, и двигатель переходит на работу по характеристике 2, соответствующей сопротивлению R_п2 < R_п3.

Таким образом, в процессе пуска двигателя сопротивление пускового реостата постепенно (ступенями) уменьшают и вращающий момент двигателя изменяется в пределах от M_{п max} до M_{п min} по ломаной кривой, показанной на рис. 265, б жирной линией. В конце пуска пусковой реостат полностью выводят, обмотка ротора двигателя замыкается накоротко и двигатель переходит на работу по естественной характеристике 1. Отдельные ступени пускового реостата в процессе разгона двигателя могут выключаться вручную или автоматически. Таким образом, путем включения реостата в цепь обмотки ротора можно осуществить пуск двигателя при M_п ? M_{п max} и резко уменьшить пусковой ток.

Недостатком этого способа является относительная сложность пуска, возникновение потерь энергии в пусковом реостате и необходимость применения более сложных и дорогих двигателей с фазным ротором. Кроме того, эти двигатели имеют несколько худшие рабочие характеристики, чем двигатели с короткозамкнутым ротором такой же мощности (кривые ? и cos?₁ идут у них ниже). В связи с этим двигатели с фазным ротором применяют только при тяжелых условиях пуска (когда необходимо развивать максимально возможный пусковой момент), при малой мощности электрической сети или при необходимости плавного регулирования частоты вращения.

1) Какие существуют способы пуска ад? Какие они имеют достоинства и недостатки?

1) прямой пуск. Пуск двигателя осуществляется напрямую, подачей питания на обмотку статора. Этот способ наиболее экономичный, так как не требует дополнительных устройств для запуска. Но, чаще всего такой способ применяется для маломощных двигателей, так как пусковые моменты и токи при таком способе достигают больших значений и способны повредить не только сам двигатель, но и механические привода соединенные с ним. Прямой пуск — самый распространенный метод пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Двигатель подключается непосредственно к питающей сети через пускатель. При этом асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором развивает высокий пусковой крутящий момент с относительно малым временем разгона. Этот метод обычно используется для двигателей малой и средней мощности, которые достигают полной рабочей частоты вращения за короткое время. 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.).

2) Пуск посредством реактора.

Этот способ заключается в использовании трехфазного индуктивного сопротивления, т.е. между каждой питающей фазой и каждой приемной фазой обмотки статора асинхронного двигателя включена катушка индуктивности. Это позволяет замедлить процесс нарастания тока. реакторный пуск. При пуске двигателя последовательно с обмоткой статора включают пусковой реактор (ПР). За счет падения напряжения на ПР напряжение на статоре асинхронного двигателя уменьшается. Поэтому снижается пусковой ток двигателя. После разгона ПР шунтируют. Реакторный пуск осуществляется следующим образом. Сначала двигатель получает питание через трехфазный реактор (реактивную или индуктивную катушку), сопротивление которого ограничивает величину пускового тока. При этом ток из сети поступает в обмотку статора через реакторы, на которых происходит падение напряжения за счет индуктивного сопротивление реактора. В результате на обмотку статора подается пониженное напряжение. По достижении нормальной частоты вращения включается выключатель, который шунтирует реактор, в результате чего на двигатель подается нормальное напряжение сети. Более универсальным является способ с понижением подводимого к двигателю напряжения посредством реакторов (реактивных катушек — дросселей). Порядок включения двигателя в этом случае следующий. При разомкнутом рубильнике 2 включают рубильник 1. После разгона ротора двигателя включают рубильник 2 и подводимое к обмотке статора напряжение оказывается номинальным. Недостаток этого способа пуска состоит в том, что уменьшение напряжения в раз сопровождается уменьшением пускового момента Мп враз. 3) Способ пуска асинхронного двигателя переключением со звезды на треугольник, применяется в установках, где нагрузка на валу минимальна или вообще отсутствует. Для того чтобы осуществить данный вид пуска, нужно чтобы основной схемой включения двигателя был треугольник. В начальный момент времени обмотка соединяется по схеме звезда, запускается, происходит разгон до некоторого значения, а затем переключают на треугольник. Таким образом, добиваются уменьшения токов в момент пуска. Но, с уменьшением токов, уменьшаются и моменты, именно поэтому не рекомендуется использовать этот способ для двигателя с нагрузкой на валу. 4) Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором при пониженном напряжении. В тех случаях, когда из-за большого падения напряжения в сети прямой пуск для короткозамкнутых двигателей недопустим, применяют подключение их обмоток статора в первый момент пуска на пониженное напряжение, при этом пусковой ток уменьшается, что приводит к снижению падения напряжения в сети. Недостатком такого способа пуска является снижение начального пускового момента пропорционально квадрату напряжения. Для асинхронных двигателей, работающих при соединении обмоток статора треугольником, можно применить пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник. В момент подключения двигателя к сети переключатель ставят в положение «звезда», при котором обмотка статора оказывается соединенной в звезду. При этом фазное напряжение на статоре понижается в раз. Во столько же раз уменьшается и ток в фаз­ных обмотках двигателя. Кроме того, при соединении обмоток звездой линейный ток равен фазному, в то время как при соединении этих же обмоток треугольником линейный ток большефазного в раз. Следовательно, переключив обмотки статора звездой, мы добиваемся уменьшения линейного тока в () 2 = 3 раза. После того как ротор двигателя разгонится до частоты вра­щения, близкой к установившейся, переключатель быстро перево­дят в положение «треугольник» и фазные обмотки двигателя ока­зываются под номинальным напряжением. Возникший при этом бросок тока до значения I / _пΔ является незначительным.