Пуск асинхронного двигуна, електротехніка
Пуск асинхронного двигуна
При пуску ротор двигуна, долаючи момент навантаження і момент інерції, розганяється від частоти обертання п = 0 доп. Ковзання при цьому змінюється від Sп = 1 до s. При пуску повинні виконуватися дві основні вимоги: крутний момент повинен бити більше моменту опору (Мвр> Мс) і пусковий струм Iп повинен бути по можливості невеликою.
Залежно від конструкції ротора (короткозамкнений або фазний), потужності двигуна, характеру навантаження можливі різні способи пуску: прямий пуск, пуск з використанням додаткових опорів, пуск при зниженій напрузі і ін. Нижче різні способи пуску розглядаються більш докладно.
Прямий пуск. Пуск двигуна безпосереднім включенням на напругу мережі обмотки статора називається прямим пуском. Схема прямого пуску приведена на рис. 3.22. При включенні рубильника в перший момент ковзання s = l. а наведений струм в роторі і рівний йому ток статора
максимальні (см.п.3.19 при s = 1). У міру розгону ротора ковзання зменшується і тому в кінці пуску струм значно менше, ніж в перший момент. У серійних двигунах при прямому пуску кратність пускового струму kI = IП / I1НОМ = (5, ..., 7), причому більше значення відноситься до двигунів більшої потужності.
Значення пускового моменту знаходиться з (3.23) при s = 1:
З рис. 3.18 видно, що пусковий момент близький до номінального і значно менше критичного. Для серійних двигунів кратність пускового моменту МП / Мном = (1.0, ..., 1.8).
Наведені дані показують, що при прямому пуску в мережі, яка живить двигун, виникає кидок струму, який може викликати настільки значне падіння напруга, що інші двигуни, що живляться від цієї мережі, можуть зупинитися. З іншого боку, через невелику пускового моменту при пуску під навантаженням двигун може не подолати момент опору на валу і не рушить з місця. В силу зазначених недоліків прямий пуск можна застосовувати тільки у двигунів малої та середньої потужності (приблизно до 50 кВт).
Пуск двигунів з поліпшеними пусковими властивостями. Поліпшення пускових властивостей асинхронних двигунів досягається використанням ефекту витіснення струму в роторі за рахунок спеціальної конструкції білячої клітини. Ефект витіснення струму полягає в наступному: потокосцепление і індуктивне опір X2 провідників в пазу ротора тим вище, чим ближче до дна паза вони розташовані (ріс.3.23). Також X2 прямо пропорційно частоті струму ротора.
Отже, під час пуску двигуна, коли s = 1 і f2 = f1 = 50 Гц. індуктивний опір X2 = max і під впливом цього ток витісняється в зовнішній шар паза. Щільність струму j з координування h розподіляється по кривій, показаної на ріс.3.24. В результаті струм в основному проходить по зовнішньому перетину провідника, тобто по значно меншому перетину стрижня, і, отже, активний опір обмотки ротора R2 набагато більше, ніж при нормальній роботі. За рахунок цього зменшується пусковий струм і збільшується пусковий момент МП (див. (3.37), (3.38)). У міру розгону двигуна ковзання і частота струму ротора падає і до кінця пуску досягає 1 - 4 Гц. При такій частоті індуктивний опір мало і ток розподіляється рівномірно по всьому перетину провідника. При сильно вираженому ефекті витіснення струму стає можливим прямий пуск при менших кидках струму і великих пускових моментах.
До двигунів з поліпшеними пусковими властивостями відносяться двигуни, що мають ротори з глибоким пазом, з подвійною білячою кліткою і деякі інші.
Двигуни з глибокими пазами. Як показано на ріс.3.25, паз ротора виконаний у вигляді вузької щілини, глибина якої приблизно в 10 разів більше, ніж її ширина. У ці пази-щілини укладається обмотка у вигляді вузьких мідних смуг. Розподіл магнітного потоку показує, що індуктивність і індуктивне опір в нижній частині провідника значно більше, ніж у верхній частині. Тому при пуску струм витісняється у верхню частину стрижня і активний опір значно збільшується. У міру розгону двигуна ковзання зменшується, і щільність струму по перетину стає майже однаковою. З метою збільшення ефекту витіснення струму глибокі пази виконуються не тільки у вигляді щілини, а й трапецеподібні. У цьому випадку глибина паза трохи менше, ніж при прямокутній формі.
Двигуни з подвійною кліткою. У таких двигунах обмотки ротора виконуються у вигляді двох клітин (ріс.3.26): у зовнішніх пазах 1 розміщується обмотка з латунних провідників, у внутрішніх 2 - обмотка з мідних провідників. Таким чином, зовнішня обмотка має більшу активний опір, ніж внутрішня. При пуску зовнішня обмотка зчіплюється з дуже слабким магнітним потоком, а внутрішня - порівняно сильним полем. В результаті струм витісняється у зовнішню клітку, а у внутрішній струму майже немає.
У міру розгону двигуна струм із зовнішнього клітини переходить у внутрішню і при s = Sном протікає в основному по внутрішньої клітці. Струм у зовнішній клітці при цьому порівняно невеликою. Результуючий пусковий момент, що складається з моментів від двох клітин, значно більше, ніж у двигунів нормальної конструкції, і дещо більше, ніж у двигунів з глибоким пазом. Однак слід мати на увазі, що вартість двигунів з подвійною кліткою ротора вище.
Пуск перемиканням обмотки статора.
Якщо при нормальній роботі двигуна фази статора з'єднані в трикутник, то, як показано на ріс.3.27, під час пуску спочатку вони з'єднуються в зірку. Для цього спочатку включається вимикач Q, а потім перемикач S ставиться в нижнє положення Пуск. У такому положенні кінці фаз Х, Y, Z з'єднані між собою, тобто фази з'єднані зіркою. При цьому напруга на фазі в √3 разів менше лінійного. В результаті лінійний струм при пуску в 3 рази менше, ніж при з'єднанні трикутником. При розгоні ротора в кінці пуску перемикач S перекладається у верхнє положення і, як видно з рис. 3.27, фази статора перез'єднання в трикутник. Недоліком цього способу є те, що пусковий момент також зменшується в 3 рази, так як момент пропорційний квадрату фазної напруги, яке в √3 разів менше при з'єднанні фаз зіркою. Тому такий метод можна застосовувати при невеликому нагрузочном моменті і тільки для двигунів, нормально працюють при з'єднанні обмоток статора в трикутник.
Пуск при включенні додаткових резисторів в ланцюг статора. (Рис. 3.28). Перед пуском вимикач (пускач) знаходиться в розімкнутому стані і замикається вимикач Q1.
При цьому в ланцюг статора включені додаткові резистори Rдоб. В результаті обмотка статора харчується зниженою напругою U1n = U1ном - In Rдоб. Після розгону двигуна замикається вимикач Q2 і обмотка статора включається на номінальну напругу U1ном. Підбором Rдоб можна обмежити пусковий струм до допустимого. Слід мати на увазі, що момент при пуску, пропорційний U 2 1П. буде менше і становить (U1П / U1ном) 2 номінального. Важливо відзначити, що при цьому способі пуску значні втрати в опорі Rдоб (RДОБI 2 1n). Можна замість резисторів Rдоб включити котушки з індуктивним опором ХДОБ. близьким до Rдоб.
Застосування котушок дозволяє зменшити втрати в пусковому опорі.
Автотрансформаторним пуск. Крім зазначених способів можна застосувати так званий автотрансформаторним пуск.
Відповідна схема показана на ріс.3.29. Перед пуском перемикач S встановлюється в положення 1. а потім включається автотрансформатор і статор харчується зниженою напругою U1П. Двигун розганяється при зниженій напрузі і в кінці розгону перемикач S переводиться в положення 2 і статор харчується номінальною напругою U1ном.
Якщо коефіцієнт трансформації понижувального трансформатора n. тоді струм I на його вході буде в n разів менше. Крім того, пусковий струм буде також в n разів менше, тобто ток при пуску в мережі буде в n 2 разів менше, ніж при безпосередньому пуску.
Цей спосіб, хоча і краще розглянутих в п.3.14.7, але значно дорожче.
Пуск двигуна з фазним ротором.
Пуск двигуна з фазним ротором здійснюється шляхом включення пускового реостата в ланцюг ротора, як це показано на ріс.3.30. Почала фаз обмоток ротора приєднуються до контактних кілець і через щітки підключаються до пускового реостата з опором Rp.
Наведене до обмотці статора опір пускового реостата Rp розраховується так, щоб пусковий момент був максимальний, тобто дорівнює критичного. Так як під час пуску ковзання SП = 1, то S п = 1 = Sк. рівність МП = М П maх = МК буде забезпечено. Тоді.
Пуск двигуна відбувається по кривій, показаної на ріс.3.31. У момент пуску робоча точка на механічній характеристиці знаходиться в положенні а. а при розгоні двигуна вона переміщається по кривій 1. відповідної повністю включеному реостата. При моменті, відповідному точці е. Включається перша щабель реостата і момент стрибком збільшується до точки b - робоча точка двигуна переходить на криву 2; в момент часу, що відповідає точці d, вимикається другий ступінь реостата, робоча точка стрибком переходить в точку з і двигун виходить на природну характеристику 3 і потім в точку f. Реостат закорачивается, обмотка ротора замикається накоротко, а щітки відводяться від кілець.
Таким чином, фазний ротор дозволяє пускати в хід асинхронні двигуни великої потужності при обмеженому пусковому струмі. Однак цей спосіб пуску пов'язаний зі значними втратами в пусковому реостате. Крім того, двигун з фазним ротором дорожче двигуна з короткозамкненим ротором. Тому двигун з фазним ротором застосовується лише при великих потужностях і високих вимогах до приводу.