Пуск синхронных двигателей

Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инер­ции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно. В ре­зультате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте, при которой между статором и рото­ром устанавливается устойчивая магнитная связь.

В настоящее время практическое применение имеет способ пуска, получивший название асинхронного. Этот способ пуска возможен при наличии в полюсных наконечниках ротора пуско­вой обмотки (клетки), аналогичной успокоительной обмотке син­хронного генератора (см. рис. 21.7). Схема включения двигателя при этом способе пуска приведена на рис. 22.3, а. Невозбужден­ный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях пуско­вой клетки ЭДС, которые создают токи /2. Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает появление на стержнях пусковой клетки электромагнитных сил Рэм. Под действием этих сил ротор приводится во вращение (рис. 22.3,6). После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (n2 0,95n1), обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Обра­зующийся при этом синхронный момент втягивает ротор двигателя в синхронизм. После этого пусковая обмотка двигателя выполняет функцию успокоительной обмотки, огра­ничивая качания ротора.

Чем меньше нагрузка на валу двигателя, тем легче его вхож­дение в синхронизм. Явно полюсные двигатели малой мощности, пускаемые без нагрузки на валу, иногда входят в синхронизм лишь за счет реактивного момента, т. е. даже без включения обмотки возбуждения.

С увеличением нагрузочного момента на валу вхождение дви­гателя в синхронизм затрудняется. Наибольший нагрузочный мо­мент, при котором ротор синхронного двигателя еще втягивается в синхронизм, называют моментом входа двигателя в синхро­низм М_вх. Величина асинхронного момента М_а при частоте вра­щения n2 0,95n1 зависит от активного сопротивления пусковой клетки, т. е. от сечения стержней и удельного электрического сопротивления металла, из которого они изготовлены.

Следует обратить внимание, что выбор сопротивления пуско­вой клетки , соответствующего значительному пусковому мо­менту способствует уменьшению момента входа в синхро­низм (и, наоборот, при сопротивлении , соответствующем небольшому пусковому моменту , момент входа в синхро­низм увеличивается ( ) (рис. 22.4).

Рис. 22.4. Асинхронные моменты при пуске синхрон­ного двигателя: Ма—основной момент;Мд—дополнительный момент; Мвх— момент входа в синхронизм

В процессе асинхронного пуска обмотку возбуждения нельзя оставлять разомкнутой, так как магнитный поток статора, пере­секающий ее в начальный период пуска с синхронной скоростью, наводит в ней ЭДС. Вследствие большого числа витков обмотки возбуждения эта ЭДС достигает значений, опасных как для це­лости изоляции самой обмотки, так и для обслуживающего пер­сонала. Для предотвращения этого обмотку возбуждения на пе­риод разгона ротора замыкают на активное сопротивление г, примерно в десять раз большее сопротивления обмотки возбуж­дения. Переключение зажимов И1 и И2 обмотки возбуждения с сопротивления rна зажимы возбудителя осуществляют переклю­чателем П.

Замыкание накоротко обмотки возбуждения на время пуска двигателя нежелательно, так как при этом обмотка ротора об­разует однофазный замкнутый контур, взаимодействие которого с вращающимся полем статора также создает дополнительный асинхронный момент М_д. Однако при частоте вращения, равной половине синхронной, этот момент становится тормозящим и создает «провал» в характеристике пускового (асин­хронного) момента (пунктирная кривая). Это заметно ухудшает пусковые свойства синхронного двигателя.

При асинхронном пуске синхронного двигателя возникает зна­чительный пусковой ток. Поэтому пуск синхронных двигателей непосредственным включением в сеть на номинальное напряжение применяют при достаточной мощности сети, способной вы­держивать ,без заметного падения напряжения броски пускового тока пяти- или семикратного значения (по сравнению с номи­нальным током). Если же мощность сети недостаточна, то можно применить пуск двигателя при пониженном напряжении :автотрансформаторный или реакторный.

В настоящее время главное значение имеет так называемый асинхронный способ пуска синхронных двигателей. Для этого, как было сказано в § 39-2, в полюсные наконечники закладывают специ­альную пусковую обмотку или делают ротор массивным со сплош­ными полюсными наконечниками без специальной пусковой обмотки.

При асинхронном пуске синхронного двигателя подводимое к нему напряжение понижают при помощи дросселя или автотрансформатора (рис. 28-6, а и б) до 1/3н-1/2 номинального. Реже производится прямое включе­ние синхронного двигателя в сеть, и лишь в исключитель-Eibix случаях пусковое напря­жение повышают относительно номинального при помощи авто­трансформатора.

Рис. 39-2. Пусковые характеристики синхронного двигателя

Процесс асинхронного пуска синхронного двигателя в основном сводится к следующему.

Под действием напряжения, подведенного к обмотке якоря двига­теля, по этой обмотке течет трехфазный ток, образующий магнит­ное поле, вращающееся со скоростью п — 60//р. При этом обмотка возбуждения не может быть оставлена разомкнутой, так как на ее зажимах появилось бы напряжение, опасное для изоляции обмотки. Обычно в цепь возбуждения вводят последовательно с обмоткой активное сопротивление гп, превышающее сопротивление обмотки возбуждения в 10—15 раз.

Вращающееся поле якоря наводит э. д. с. и соответственно ток в пусковой обмотке или в пусковом контуре в машинах с массивным ротором (§ 39-2) и в обмотке возбуждения. Пусковая обмотка (или пусковой контур) должна быть рассчитана так, чтобы пусковые ха­рактеристики двигателя, и прежде всего пусковой момент, отвечали требованиям, которые предъявляются к двигателю приводом.

На рис. 39-2 показаны характеристики асинхронных моментов: 1 — для тяжелых условий пуска и 2 — для облегченных. Но при этом нужно в обоих случаях обеспечить не только требуемую вели­чину пускового момента Ма, но и необходимую величину так назы-ваемого входного момента Мвх, способствующего синхронизации двигателя с сетью. Под последним понимают момент, развиваемый двигателем при 0,95 синхронной скорости, т. е. при скольжении s — 5%. Для линии 1 входной момент определяется отрезком ab; для линии 2 входной момент МВХ2 = ас. Отсюда следует, что синхрон­ные двигатели, развивающие при пуске большой пусковой момент Мп, имеют меньший входной момент Мвх, т. е. труднее синхронизи­руются с сетью, и наоборот.

Наряду с моментами Ми и Мвх большое значение имеет наиболь­ший момент Мт, определяющий перегрузочную способность двига­теля Мт/Мн, где Мн — номинальный момент двигателя. Обычно Мт = (1,5 -т- 2,5) Ми, но может достигать значений 3,5 Мн.

Ток, возникающий в обмотке возбуждения при пуске, создает на валу двигателя одноосный момент, поскольку обмотка возбуждения

Однако реактивный момент обычно невелик. Поэтому в обмотку возбуждения двигателя, после того как он достигнет скорости, со­ставляющей примерно 95% синхронной, подается постоянный ток. Но в этом случае нужно добиваться таких условий, при которых поле, создаваемое током возбуждения, усиливало бы поле, создаваемое статором, т. е. в случае, показанном на рис. 39-3, <?, усиливало бы южную полярность полюса ротора. В противном случае полюсы ста­тора и ротора начнут взаимно отталкиваться, и это может дать силь­ный механический толчок на валу.

Так как все эти операции должны быть выполнены с достаточной тщательностью, с трудом достижимой при ручном манипулировании, то в настоящее время асинхронный пуск синхронного двигателя про­изводится автоматически

Рис. 39-3. Добавочный электромагнитный момент: а — при опережении ротора, б — при совпадении магнит­ных осей статора и ротора, в — при отставании ро­тора

является однофазной (§ 28-2, рис. 28-4). Как правило, одноосный мо­мент невелик и имеет только второстепенное значение.

В явнополюсных машинах при скоростях примерно 90—95% синхронной начинает действовать добавочный электромагнитный мо­мент (обычно называемый реактивным) Мэм д = Рэмл/(о (§ 37-9, рис. 37-19), возникающий в результате упругости магнитных линий, проходящих через зазор из статора в ротор.

Пусть в некоторый момент времени северный полюс статора, дви­гаясь относительно ротора в каком-нибудь направлении, например слева направо, левее полюса ротора (рис. 39-3, а). Полюс ротора, в который входят линии потока, становится южным, причем в резуль­тате магнитного притяжения возникает сила F, стремящаяся затор­мозить ротор. Так как поток статора вращается быстрее, чем ротор, то в один из следующих моментов времени ось поля статора прихо­дит в совпадение с осью полюса ротора (рис. 39-3, б), а затем начинает опережать ротор (рис. 39-3, в). В первом случае F = 0, а во втором эта сила стремится ускорить ротор.

Таким образом, при асинхронном пуске реактивный момент имеет разные знаки в зависимости от взаимного расположения полюсов статора и ротора. Если нагрузка невелика, а скорость ротора близка к синхронной, то положительный реактивный момент может придать такое ускорение ротору, при котором последний перестанет отставать от поля статора и втянется в синхронизм.

Особенности пуска СД на нефтеперекачивающих станциях

Возможность прямого асинхронного пуска (рис. 130) син­хронных двигателей от полного напряжения сети определяется

Рис. 130. Механические характеристики электродвигателей и насосов при пуске на открытую напорную задвижку:

а — электродвигателя СТД-6300-2 (/—7) и насоса НМ-10000-210 при различных диамет­рах его ротора (8—12); б — электродвигателя СТД-8000-2 (t—7) и насоса НМ-10000-210 при различных диаметрах его ротора (S, 9)

путем сопоставления их пусковых характеристик (с учетом по­нижения напряжения на зажимах статора) и механических ха­рактеристик насосов (табл. 33). Сопоставляя эти характери­стики, можно заметить, что электродвигатели серии СТД обес­печивают прямой пуск от полного напряжения сети при открытой задвижке на выходе насоса.

В схеме управления и защиты синхронного электродвигателя (рис. 112) высоковольтный выключатель ЛВ снабжен электро­магнитным приводом. Обмотка возбуждения возбудителя ОВВ питается от унифицированного регулятора возбуждения РВСД и от трансформатора напряжения НОМ, подключенного ко входу выпрямителя ВП1. РВСД питается от трансформатора тока ТТЗ и ТТ4 и от трансформатора напряжения НТМИ. Этот регулятор автоматически поддерживает заданное значение ко­эффициента мощности при любых нагрузках и обеспечивает компаундирование, т. е. форсировку возбуждения при росте

силы тока статора.

Переменное напряжение частотой 400 Гц, снимаемое с. якоря возбудителя В, после выпрямления мостовым выпрямителем ИМ подается на обмотку возбуждения двигателя ОВД. Тири-сторный ключ ТК обеспечивает ограничение перенапряжений в обмотке ОВД в переходных режимах, а также гашение поля при отключении ОВВ. Ротор возбудителя В, выпрямитель ВМ и тиристорный ключ Т К находятся на одном валу с ротором двигателя Д. При пуске двигателя в результате действия цепей управления пуском возбуждается контактор КТВ и своими кон­тактами включает на питание электромагнит включения при­вода ЭВ. Включается выключатель ЛВ. Двигатель разгоняется в асинхронном режиме. При снижении пускового тока до силы, соответствующей подсинхронной скорости, токовое реле РПТ замыкает свой контакт в цепи реле РП1. В результате возбуж­дается реле РП1, обесточивается реле РП2 и с выдержкой вре­мени включается контактор КП1, контакт которого КП1-2 по­дает питание в обмотку возбуждения возбудителя ОВВ.

После втягивания двигателя в синхронизм реле РМ разры­вает своим контактом цепь реле времени РВ. Если же пуск за­тянулся и асинхронный режим продолжается длительно, то реле времени РВ своим контактом возбуждает реле РПЗ, последнее своим контактом РПЗ-1 подает питание на отключающий элек­тромагнит ЭО привода выключателя, а контактом РПЗ-2 замы­кает цепь обмотки контактора гашения поля КП2. Последний своим контактом КП2-2 отключает питание обмотки ОВВ. Од­новременно контактом РПЗ-3 отключается и контактор КГЦ. Аналогично схема действует при выпадании двигателя из син­хронизма.

Рис. 112. Схема управления и защиты синхронного электродвигателя СТД-4000-2 с бесщеточным возбудительным устройством