Пуск асинхронных двигателей

Для пуска двигателя его обмотку статора подключают к трехфазной сети с помощью выключателя. Схема включения двигателя изображена на рис. 10.20, а. После включения выключателя происходит разгон двигателя. При этом момент, развиваемый двигателем, М и ток в его обмотке статора I изменяются в соответствии с графиками, изображенными на рис. 10.20, б. Двигатель разгоняется до установившейся частоты вращения, при которой момент, развиваемый двигателем, равен моменту сил сопротивления на его валу.

В условиях нормальной работы момент на валу двигателя может изменяться в довольно широких пределах, однако, если момент окажется больше М_max, двигатель остановится. Обычно считают, что допустимые изменения находятся в пределах от М = 0 до М = (0, 8 ÷ 0, 9) М _max . Естественно, имеется в виду работа в зоне характеристики, где s < s _кр.

Рис. 10.20. Схема включения асинхронного двигателя с коротко-замкнутой обмоткой статора ( а ); механическая характеристика и зависимость тока статора от скольжения ( б )

Однако следует заметить, что длительная работа двигателя допустима при моментах на его валу, не превышающих номинального значения.

Если оказалось, что двигатель вращается не в требуемом направлении, то для изменения направления вращения ротора необходимо изменить порядок подсоединения обмотки статора к сети: начало обмотки С1 (рис. 10.20, а) соединить с линейным проводом В, начало обмотки С2 — с проводом А, начало обмотки С3 оставить соединенным с проводом С. При этом изменится порядок чередования фаз, что приведет к изменению направления вращения магнитного поля статора и, следовательно, ротора.

К недостаткам такого пуска относятся: 1) относительно малый пусковой момент: М _п = (1, 2 ÷ 1, 6) М _ном; 2) относительно большой пусковой ток: I _п= (5 ÷ 7) I _ном.

Из-за первого недостатка иногда приходится выбирать двигатель большей мощности, чем это требуется по условиям работы при установившемся режиме, что экономически нецелесообразно. Действительно, если график момента сил сопротивления на валу М _с имеет вид, изображенный на рис. 10.20, б пунктирной линией, то после включения двигателя его ротор останется неподвижным, так как M _{c, п} > М _п, хотя М _max > М _с и по условиям нормальной работы двигатель подходит:

M _{c, уст} < М _ном.

Большой ток в периоды пуска двигателя может вызвать значительное падение напряжения в сети малой мощности, что неблагоприятно скажется на работе других потребителей, включенных в сеть, например вызовет мигание осветительных приборов и т. д. Однако следует отметить, что в настоящее время заводские сети имеют большое сечение, поэтому падение напряжения, возникающее при пуске двигателя, оказывается несущественным.

Рис. 10.21. Схема пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора: с добавочным сопротивлением в цепи обмотки статора ( а ) и переключения фаз обмотки со звезды на треугольник ( в ); механические характеристики двигателя при r _д = 0 и r _д ≠ 0 ( б ) и при соединении обмотки статора звездой и треугольником ( г )

Большой пусковой ток ограничивает допустимое число пусков (включений) двигателя в час. При большом числе включений в час даже мало загруженный в установившемся режиме двигатель из-за больших пусковых токов может перегреться и выйти из строя.

В маломощных сетях, сечение проводов которых невелико, а протяженность значительная, для ограничения пускового тока применяют пуск с активным или индуктивным сопротивлением, включенным в цепь обмотки статора (рис. 10.21, а), или пуск с переключением обмотки со звезды на треугольник (рис. 10.21, в).

Перед пуском выключатель В ₂ (рис. 10.21, а) устанавливают в выключенное положение, затем включают выключатель B ₁. После окончания разбега ротора двигателя включают выключатель В ₂, чем шунтируют добавочные пусковые резисторы. Соответствующим подбором сопротивления r _дможно ограничить пусковой ток до любого необходимого значения. Однако не следует забывать, что одновременно уменьшаются пусковой и критический моменты из-за снижения напряжения на обмотке статора, вызванного падением напряжения на сопротивлении r _д.

На рис. 10.21, б изображены механические характеристики двигателя при r _д = 0 (кривая 1) и
r _д ≠ 0 (кривая 2).

Пуск двигателя с переключением со звезды на треугольник возможен, когда обмотка статора может быть соединена звездой и треугольником и напряжение сети соответствует соединению обмотки статора треугольником. Например, двигатель имеет номинальное напряжение 380/220 В, а напряжение сети 220 В. Установив предварительно выключатель В ₂ (см. рис. 10.21, в) в положение а, что соответствует соединению обмотки статора звездой, выключателем B ₁включают двигатель в сеть. После окончания пуска выключатель В ₂ перекидывают в положение б, благодаря чему обмотка статора оказывается соединенной треугольником. Напряжение на фазе обмотки статора во время пуска будет меньше номинального в √ 3 раз, например при напряжении 220 В оно составит 220/√ 3 = 127 В. Вследствие этого ток фазы уменьшится в той же степени, а поскольку линейный ток больше фазного в √ 3 раз, пусковой линейный ток при таком способе пуска будет меньше по сравнению с прямым пуском в 3 раза. Одновременно в 3 раза уменьшатся пусковой и максимальный моменты, так как они пропорциональны квадрату фазного напряжения.

Значение критического скольжения не изменится, так как оно не зависит от напряжения. На рис. 10.21, г изображены механические характеристики двигателя, соответствующие схеме включения треугольником и пусковой схеме звездой.

Ввиду значительного снижения пускового момента указанный способ пуска возможен только при малых моментах сил сопротивления на валу двигателя.

Рис 10.22. Схема включения асинхронного двигателя с фазным ротором (контактными кольцами)

Пуск двигателя с фазным ротором (контактными кольцами) (рис. 10.22) осуществляется подключением обмотки статора к сети с предварительно введенными в цепь ротора добавочными резисторами r _д. По мере разгона двигателя резисторы r _д с помощью движка выводятся и по окончании пуска сопротивление резистора обращается в нуль, а обмотка ротора оказывается замкнутой накоротко, как и у двигателя с короткозамкнутым ротором. Введение добавочного сопротивления в цепь ротора при пуске асинхронного двигателя с контактными кольцами позволяет увеличить пусковой момент вплоть до максимального значения и одновременно значительно снизить пусковой ток. Это является одной из главных причин, почему вместо асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются двигатели с фазным ротором.

Значение пускового тока можно найти из выражения (10.30), в которое следует подставить r _д и s = 1:

(10.60)

Соответствующим подбором значения r _д можно получить любое требуемое значение пускового тока ротора и, следовательно, пускового тока статора, так как

Ī _1п = Ī ₀ + Ī ' _2п.

Влияние сопротивления r _д на значение пускового момента можно выяснить с помощью выражения (10.54), в которое необходимо подставить r' _д и s = 1:

(10.61)

Из выражения (10.61) вытекает, что введение добавочного сопротивления r _д до определенных его значений вызывает увеличение пускового момента. Наибольшее значение М _п, равное M_max, будет, когда r' ₂ + r' _д = х _к:

Дальнейшее увеличение сопротивления r _д вызывает уменьшение пускового момента.

Уменьшение пускового момента до требуемого значения с помощью резисторов r _диспользуется в некоторых механизмах для выбора люфтов и устранения ударов при пуске механизма.

Определение r _д с помощью выражений (10.60) и (10.61) невозможно, так как в каталогах не даются значения х ₂ и х ₁. Расчет пускового сопротивления r _д при заданном значении производят с использованием искусственной механической характеристики. Уравнение искусственной (реостатной) механической характеристики двигателя с добавочными резисторами в цепи ротора имеет тот же вид, что и уравнение естественной характеристики, разница лишь в значении s _{кр, и}:

(10.62)

Критическое скольжение равно: для естественной характеристики

s _кр = r' ₂/ х _к; (10.63)

для искусственной характеристики

(10.63a)

В уравнение искусственной механической характеристики вместо текущих значений М и s подставляют заданные значения пускового момента М _п и s = 1:

(10.64)

откуда определяют критическое скольжение s_{кр, и}, соответствующее искомому пусковому сопротивлению:

(10.64a)

Затем из отношений критических скольжений естественной (10.63) и искусственной (10.63а) механических характеристик определяют искомую величину r _д :

(10.65)

Пусковой ток ротора, соответствующий заданному пусковому моменту, находят из выражения (10.59), в которое подставляют М = М _п и s = 1:

(10.65a)

Рис. 10 23. Схема автоматического пуска асинхронного двигателя с контактными кольцами ( а ); механические характеристики двигателя при пуске ( б )

Пример 10.1. Определить значение добавочного сопротивления, которое надо включить в цепь обмотки ротора, чтобы пусковой мо­мент составил 0, 9 М_max.

Паспортные данные двигателя: Р _ном = 20 кВт, n _ном = 1420 об/мин, U _ном = 380/220 В, η _ном = 87%, М_max/М _ном = 2, 4 E _2к = 193 В, I _2ном = 68 А.

Решение. Значение r _д определяется из выражения (10.65):

Значения r ₂, s _к, s _{кр, и} в (10.65) определяются: r ₂ — из (10.59 а), s — из (10 58), s _{кр, и} — из (10.64), в которых значения s _ном — из (10.23), М_max — из (10.58 а), М _п — из (10.57).

После подстановки паспортных данных двигателя в указанные выше выражения получим: s _ном= 0, 053, М_max = 324 Н•м, s _кр = 0, 242, s _{кр, и} = 1, 57, r ₂ = 0, 087, r _д = 0, 476 Ом.

В системах автоматического управления, где пуск осуществляется дистанционно, пусковое сопротивление r _д по мере разгона двигателя уменьшается не плавно, а ступенями с помощью релейно-контакторных аппаратов.

Перед пуском двигателя (рис. 10.23, а) контакты контакторов ¹ К ₁ и К ₂ разомкнуты и в цепь ротора включено пусковое сопротивление, равное сумме r _д1 + r _д2, которому соответствует реостатная характеристика 1 (рис. 10.23, б).

¹ Описание устройства и принципа действия контактора дано в § 12.5.

После включения обмотки статора в сеть контактами контактора К ротор двигателя начинает разгоняться. Двигатель работает на характеристике 1. После достижения частоты вращения, соответствующей точке а, где двигатель развивает момент М ₁, контакты контактора K ₁автоматически замыкаются и выключают сопротивление r _д1. Вследствие этого двигатель начинает работать на механической характеристике 2, соответствующей сопротивлению r _д2. Двигатель разгоняется от частоты вращения, соответствующей точке б, до частоты вращения, соответствующей точке в. При достижении указанной частоты вращения автоматически замыкаются контакты контактора К ₂ и двигатель начинает работать иа естественной характеристике 3 в точке г и разгоняется до установившейся частоты вращения n _уст, соответствующей моменту сил сопротивления М _с на его валу.

Легко показать, что отношение скольжений на естественной и искусственной (реостатной) механических характеристиках при одном и том же моменте, например М ₂ (рис. 10.23, б), равно отношению сопротивлений цепи ротора:

s _д / s _в = s / s _и = r ₂/(r ₂ + r _д).

Действительно, приравняв правые части уравнений естественной (10.57) и искусственной (10.62) механических характеристик и сократив на 2 М_max, получим

s / s _кр + s _кр / s = s _и / s _{кр, и} + s _{кр, и} / s _и ,

откуда

s / s _кр = s _и / s _{кр, и},

или

s / s _и = s _кр / s _{кр, и} = r ₂/(r ₂ + r _д).

Это выражение часто используется при графоаналитическом расчете ступеней пускового реостата.