Лабораторная работа №5

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ПЛАВНОГО ПУСКА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ТИРИСТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы: получить практические навыки настройки тиристорного пускового устройства «MCD3000», исследовать процессы в асинхронном электроприводе с тиристорным пусковым устройством в условиях мягкого пуска.

Электромеханические переходные процессы в электроприводе описываются уравнением движения. Для случая

, (1.1)

где – момент, развиваемый двигателем; – приведенный к валу двигателя момент сопротивления нагрузки; – приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции электропривода; – угловая скорость электропривода; – время.

Электромагнитный момент, развиваемый асинхронным двигателем, определяется в соответствии с выражением

. (1.2)

Механическая характеристика, построенная по (1.2), приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Механическая и электромеханическая характеристики асинхронного двигателя

Статическая механическая характеристика асинхронного двигателя благоприятна для пусков двигателей прямым включением в сеть. Поскольку пуск двигателя происходит достаточно быстро, то кратковременная перегрузка по току даже в 6–8 раз не опасна для него: ни с точки зрения больших ударных динамических моментов, ни с точки зрения больших пусковых токов , которые много меньше пусковых токов естественной характеристики двигателей постоянного тока независимого возбуждения той же мощности. Ограничения на прямой пуск асинхронных двигателей накладываются не самим двигателем, а питающей сетью.

Если сеть имеет ограниченную мощность или большое внутреннее сопротивление, то пусковые токи двигателя будут вызывать в этой сети большие падения напряжения. Естественно, что это скажется на режимах работы других потребителей энергии. По правилам Ростехнадзора напрямую можно запускать асинхронные двигатели, если их мощность

, (1.3)

где – мощность питающего трансформатора подстанции,

в том случае если от сети не питается осветительная аппаратура.

При питании осветительной аппаратуры от общей сети асинхронный двигатель можно пускать прямым включением в сеть, когда

. (1.4)

Если условия (1.3) и (1.4) не выполняются, то способы токоограничения вытекают из уравнения для тока короткого замыкания ротора асинхронного двигателя:

. (1.5)

На практике нашли широкое применение следующие основные способы уменьшения тока короткого замыкания :

· пускатели, обеспечивающие переключение со звезды на треугольник;

· пускатели с трансформаторами или автотрансформаторами;

· устройства для пуска двигателя с добавочными активными сопротивлениями в цепи обмотки статора;

· устройства для пуска двигателя с добавочными индуктивными сопротивлениями в цепи обмотки статора;

· устройства плавного (мягкого) пуска.

Пуск посредством переключения со звезды на треугольник представляет собой самые недорогие устройства, ограничивающие пусковой ток, однако они не лишены недостатков. Наиболее значительные недостатки заключаются в следующем:

· отсутствует контроль за уровнем понижения тока и вращающего момента;

· в момент переключения пускателя со звезды на треугольник обычно отмечаются высокие переходные значения тока статора и электромагнитного момента асинхронного двигателя. Из-за этого возникают электрические и механические перегрузки, которые часто приводят к выходу из строя оборудования. Перегрузки в момент переключения возникают вследствие того, что при отсоединении асинхронного двигателя от питающей сети он переходит в режим генератора и напряжение на его выходе может иметь ту же амплитуду, что и напряжение питающей сети. Это напряжение еще сохраняется при повторном подключении асинхронного двигателя к сети по схеме «треугольник» и может оказаться в противофазе к питающему напряжению. В результате возникает ток ротора, почти вдвое превышающий ток короткого замыкания, определяемый по (1.5). Пусковой момент в это же время превышает первоначальный момент в четыре раза.

Пуск с помощью автотрансформатора (или трансформатора) представляет больше возможностей по контролю тока статора и момента на валу двигателя, однако и в этом случае переключения осуществляются ступенчато. Пуск асинхронного двигателя при помощи автотрансформатора имеет следующие недостатки:

· броски тока и момента, обусловленные ступенчатым переключением напряжения;

· ограниченное число ступеней выходного напряжения автотрансформатора, которые не позволяют обеспечить оптимальную величину пускового тока;

· высокая стоимость пусковых устройств, пригодных для использования в условиях частого или продолжительного пуска, прежде всего за счет стоимости автотрансформатора.

Реостатный пуск с последующим выводом пусковых сопротивлений цепи обмотки статора также представляет больше возможностей по управлению процессом пуска, чем пускатели с переключением со «звезды» на «треугольник». Тем не менее, они также не лишены недостатков:

· сложности оптимизации процесса пуска при вводе схемы в эксплуатацию, поскольку значения пусковых сопротивлений определяются при изготовлении пускателя, и в последствии их трудно изменить в большую сторону;

· неоднозначные механические характеристики в условиях частого пуска, поскольку значения сопротивлений меняются при их нагреве. Для охлаждения резисторов необходим длительный промежуток времени между пусками;

· дополнительные потери мощности на пусковых сопротивлениях и как следствие пониженный коэффициент полезного действия электропривода;

· недостаточная эффективность работы при пуске в тяжелом режиме или при продолжительном пуске, поскольку нагревание вызывает изменение сопротивления резисторов.

Если учитывать электромагнитные инерционности асинхронного двигателя, то расчетный график динамической механической характеристики маломощного асинхронного двигателя при пуске будет иметь вид, приведенный на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Механические характеристики короткозамкнутого асинхронного двигателя: 1 – динамическая; 2 – статическая

Анализ динамической механической характеристики асинхронного двигателя показывает, что максимальные ударные моменты при пуске превышают критический момент статической механической характеристики более чем в 1,5 раза и могут достичь недопустимо больших по механической прочности значений. Ударные моменты при пуске и, особенно при реверсе асинхронного двигателя, приводят к выходу из строя кинематики производственных механизмов и самого асинхронного двигателя.

Увеличение момента инерции электропривода приводят к затягиванию переходных процессов и к еще большей колебательности в начальной части динамической механической характеристики.

Одна из эффективных возможностей повышения надежности и экономичности работы электроприводов с асинхронными двигателями связана с использованием в их структурах тиристорных пусковых устройств, называемых также мягкими пускателями (плавными пускателями). Термин «плавный пуск» употребляется в отношении целого ряда устройств, в основе которых лежат разные методы их построения. Устройства для плавного пуска могут регулировать следующие характеристики привода:

· вращающий момент;

· напряжения обмоток статора в разомкнутом электроприводе;

· напряжения обмоток статора в замкнутом электроприводе с обратной связью по скорости вращения;

· ток статора двигателя.

Рис. 1.3. Динамическая механическая характеристика короткозамкнутого асинхронного двигателя при большом суммарном моменте

электропривода

Тиристорное пусковое устройство (ТПУ) представляет собой специализированный регулятор напряжения переменного тока с фазовым управлением (рис. 1.4), предназначенный для регулирования напряжения на статоре асинхронного двигателя при неизменной его частоте.

Отличаясь простой схемой, незначительными массой и габаритами, эти устройства позволяют:

· ограничить ток и момент на валу двигателя при пусках, реверсах и торможениях;

· уменьшить электрические, механические и тепловые нагрузки на элементы самого электропривода, кинематических схем технологического оборудования и систем электроснабжения и тем самым увеличить их срок службы;

Рис. 1.4. Схема силовых цепей тиристорного пускового устройства

· существенно снизить падения напряжения в питающей сети при пусках мощных двигателей.

Функциональная схема асинхронного электропривода с тиристорным пусковым устройством и задатчиком интенсивности на входе приведена на рис. 1. 5.

Рис. 1.5. Функциональная схема асинхронного электропривода с тиристорным пусковым устройством

Задатчик интенсивности (ЗИ), установленный на вход пускового устройства (ТПУ), формирует темп роста напряжения на обмотках статора асинхронного двигателя . Как правило, выходное напряжение задатчика интенсивности – линейно-нарастающее, но может быть сформирован и более сложный закон изменения напряжения управления рис. 1.6, определяющий не только ускорение электропривода, но и его рывок.

Рис. 1.6. Выходное напряжение задатчика интенсивности с -образной характеристикой

Ускорение при пуске и торможении двигателя определяется темпом изменения сигнала задатчика интенсивности, причем они связаны между собой зависимостью

. (1.6)

Значение ускорения обычно выбирается таким образом, чтобы при известном характере нагрузки от скорости и заданном моменте инерции электропривода, момент двигателя , определяемый из уравнения

(1.7)

не превысил допустимого значения .

Исследования на имитационной модели показали, что пуск асинхронного электропривода через тиристорное пусковое устройство с задатчиком интенсивности позволяет практически исключить колебания электромагнитного момента на начальном участке механической характеристики (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Динамическая механическая характеристика пуска

асинхронного двигателя через тиристорное пусковое устройство

Таким образом, с целью надежного функционирования асинхронных электроприводов, работающих с частыми пусками и торможениями, рекомендуется оснастить их тиристорными пусковыми устройствами, ограничивающими пусковой ток или формировать управляющее напряжение от задатчика интенсивности.