При пуске асинхронных и синхронных двигателей

Пуск двигателей в ход - это процесс перехода двигателей и соответственно рабочих механизмов из неподвижного состояния ( = 0) в состояние вращения с номинальной скоростью ( = ).

Пуск двигателя относится к числу нормальных переходных процессов. Во время пуска двигатель должен развивать вращающий момент , необходимый для преодоления момента сопротивления приводного механизма и создания определенной кинетической энергии вращающихся масс агрегата. При пуске потребляется повышенное количество энергии, что отражается в увеличении пускового тока двигателя. Кратность пускового тока по отношению к номинальному для различных типов двигателей составляет 2 ¸ 8.

Большие токи могут вызвать понижение напряжения в узле нагрузки и создать неблагоприятное влияние на работающие двигатели и другие виды нагрузки и привести к тому, что данный двигатель будет разгоняться медленнее, чем это предполагается при неизменном напряжении на его зажимах. В этих условиях требуется определение времени пуска двигателей и зависимости пускового тока от времени. Вращающий момент пропорционален квадрату напряжение на его выводах ( ) и в этой связи при снижении напряжения в сети вращающий момент двигателя может оказаться либо меньше момента сопротивления механической нагрузки, либо ненамного больше и разгон двигателя будет соответственно или невозможен, или недопустимо затянут.

Условия пуска обычно разделяют на легкие нормальные и тяжелые. Это связано с механическими характеристиками приводных машин, то есть зависимостей механического момента от скорости вращения (рис. 5.1). При легких условиях требуемый момент в начале вращения двигателя составляет (10 - 20) % от номинальных (рис. 5.1, кривые 4, 5), при нормальных - (50 -75) %. К тяжелым условиям относятся механизмы, у которых начальный вращающий момент составляет 100 % номинального и выше.

Рис. 5.1. Механические характеристики рабочих механизмов:

1, 2 – машины с тяжелыми условиями пуска (подъемные краны);

3 – машины с нормальными условиями пуска (центробежные насосы);

4, 5 – машины с легкими условиями пуска (вентиляторы, осевые насосы)

Разнообразные механические характеристики (рис. 5.1) могут быть сведены к трем основным видам зависимостей :

a) постоянный, или мало зависящий от скорости момент (рис. 5.1, кривая 1);

b) момент, примерно пропорциональный скорости (рис. 5.1, кривая 3);

c) момент, примерно пропорциональный квадрату скорости (рис. 5.1, кривые 4, 5).

В общем случае момент сопротивления для любого вида механизмов можно представить выражением:

, (5.1)

где - момент трогания;

- коэффициент, зависящий от характера производственного механизма: = 0,1,2; = 0 - соответствует постоянному моменту сопротивления при всем диапазоне изменения скорости; = 1 - момент сопротивления, пропорциональный скорости ; = 2 - момент, пропорциональный квадрату скорости .

В зависимости от условий пуска применяют в основном три схемы пуска (рис. 5.2): прямой, автотрансформаторный, реакторный. При прямом пуске (рис. 5.2, а) двигатель включается на полное напряжение сети и под воздействием вращающего (электромагнитного) момента достигает номинальной (асинхрон-ный двигатель) или подсинхронной (синхронный двигатель) частоты вращения. Автотрансформаторный или реакторный пуск применяют, когда необходимо ограничить пусковые токи за счет снижения напряжения на зажимах пускаемого двигателя (рис. 5.2, б, в). Если напряжение с помощью трансформатора или реактора снижается в раз, то пусковой ток снижается в раз. Однако, следует помнить, что и вращающий момент снижается в раз.

Рис. 5.2. Схемы пуска двигателей:

а) прямой; б) автотрансформаторный; в) реакторный

Рассмотрим пуск асинхронного двигателя.

Процесс движения двигателя описывается уравнением:

, (5.2)

где - момент сопротивления рабочего механизма, определяемый по (5.1);

- электромагнитный (вращающий) момент;

- скольжение, определяется по формуле:

;

- постоянная инерции, определяемая суммой маховых моментов двигателя и механизма , определяется по формуле:

, (5.3)

где + , т×м²;

- синхронная и номинальная частота вращения, об/мин;

- номинальная мощность двигателя, кВт.

При решении уравнения (5.2) необходимо учитывать характер зависимостей и . может быть определена по (5.1), а представляют статической характеристикой, аналогичной (2.47):

, (5.4)

где ; ;

- максимальный при и номинальный моменты двигателя;

- нормальное напряжение;

- напряжение при пуске.

Напряжение двигателя при пуске зависит от схемы системы и состава нагрузки в узле. Наиболее характерная схема двигателя (эквивалентного двигателя) и смешанной нагрузки представлена на рис. 5.3. Для схемы замещения (рис. 5.3, б), где нагрузка узла представлена сопротивлениями двигателями и смешанной нагрузки напряжение определяется следующим образом:

, (5.5)

где , ,

, .

Рис. 5.3. Расчетная схема (а) и схема замещения (б)

для расчета напряжения при пуске

При пуске можно принять , где - кратность пускового тока двигателя.

Для решения уравнения движения (5.2) могут быть применены аналитические методы, например, метод последовательных интервалов. Возможны упрощенные решения при аппроксимации зависимостей и прямыми, при которых интегрирование (5.1) оказывается возможным. Рассчитанные по (5.1), (5.4) характеристики и их разность представлены на рис. 5.4. Разобьем на ряд равных интервалов по скольжению:

.

Рис. 5.4. Графоаналитический метод расчета пуска асинхронного двигателя

Тогда уравнение движения (5.2) на любом интервале будет иметь вид:

или

,

где - среднее значение избыточного момента на данном интервале .

Время от момента пуска до конца любого интервала :

. (5.6)

Точность определения по (5.6) возрастает с уменьшением и соответственно с увеличением количества интервалов.

Синхронный двигатель при пуске подключают к сети невозбужденным. Его обмотка закорочена или замкнута на сопротивление , где - сопротивление обмотки возбуждения двигателя. Разгоняясь как асинхронный, он достигает подсинхронной частоты вращения. При этом движение двигателя удовлетворяет уравнению (5.2). После этого подают напряжение на обмотку возбуждения и он, приобретая свойства синхронного двигателя, входит в синхронизм. Таким образом, процесс пуска синхронного двигателя условно можно разбить на 2 этапа:

1) разгон до подсинхронной частоты вращения ( ) под действием среднего асинхронного момента;

2) вхождение в синхронизм под влиянием момента, обусловленного возбуждением.

Начальный толчок при пуске периодической составляющей тока статора определяется выражением:

,

где - напряжение системы; - сверхпереходное сопротивление двигателя;

- внешнее сопротивление цепи между точкой с напряжением и зажимами двигателя (рис. 5.3).

Длительность разгона до подсинхронной частоты вращения определится также, как для асинхронного двигателя.