 |
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.
Самозапуск двигателей
Самозапуск - это процесс восстановления нормальной работы двигателей после кратковременного отключения питающего источника.
Рассмотрим самозапуск асинхронных двигателей. При самозапуске значение остаточного напряжения на шинах или на зажимах двигателей должно быть таким, чтобы вращающий момент превышал момент сопротивления приводного механизма. В режиме самозапуска может участвовать только часть двигателей. Для этого определяют допустимое количество и суммарную мощность неотключенных электродвигателей, при работе которых обеспечивается остаточное напряжение.
Самозапуск считают успешным, если при пониженном питающем напряжении агрегат достиг нормальной частоты вращения и нагрев обмоток не превышает допустимого.
|
|
|
Для рассмотрения процесса самозапуска предлагаются схемы (рис.5.3, а, б). Остаточное напряжение при самозапуске определяется по выражению (5.5). Следовательно, между напряжением и при самозапуске должно соблюдаться соотношение:
. (5.7)
Зная минимально допустимое напряжение при самозапуске можно определить допустимое значение неотключаемой мощности двигателей.
Сопротивление двигателя в момент самозапуска:
, (5.8)
где 
- базисная мощность;
- номинальное питающее напряжение двигателя;
- базисное напряжение;
- расчетная мощность двигателя при номинальном напряжении и скольжении, соответствующем моменту самозапуска.
Приняв в соотношении (5.7) знак равенства и подставив в него (5.8), получим:
. (5.9)
Мощность самозапуска можно определить по номинальной мощности двигателя:
, (5.10)
где 
- кратность тока двигателя при скольжении 
, соответствующем началу самозапуска;
- номинальные 
и КПД двигателя.
Величина определяется выражением:
, (5.11)
где - кратность пускового тока.
Приравняв правые части выражений (5.9) и (5.10), можно получить выражение для определения допустимого значения неотключаемой мощности двигателя.
Неотключаемую мощность электроприемников согласно схемы рис. 5.3, а, б можно рассчитать по формуле:
. (5.12)
Минимально допустимое напряжение на зажимах двигателей определяется из условия возможности осуществления самозапуска следующим образом:
· для механизмов с постоянным моментом сопротивления
; (5.13)
· для механизмов с вентиляторной характеристикой момента сопротивления (
)
, (5.13,а)
где 
, 
- минимальный и максимальный моменты вращения.
Самозапуск для синхронных двигателей возможен, если при восстановлении напряжения после кратковременного перерыва синхронные двигатели не выпали из синхронизма.
При расчете самозапуска синхронных двигателей решают следующие задачи:
à проверяют влияние самозапуска на нормальную работу других приемников, подключенных к шинам;
à определяют необходимое остаточное напряжение на зажимах двигателя;
à находят величину момента двигателя, необходимого для надежного втягивания в синхронизм.
В зависимости от состава нагрузки в узле допускается снижение напряжения на его шинах во время самозапуска синхронных двигателей в пределах (0,75 ¸ 0,9) 
.
|
|
|
Для проверки возможности самозапуска необходимо сопоставить средний асинхронный момент с моментом сопротивления.
Характеристику асинхронного момента можно определить с помощью выражения:
(5.14)
Индуктивные сопротивления 
, постоянные времени контуров 
- паспортные данные синхронного двигателя.
В тех случаях, когда самозапуск неосуществим, можно применять автоматическую ресинхронизацию двигателя. Вхождение в синхронизм должно обеспечиваться действием форсировки возбуждения.
Время перерыва питания, в течение которого двигатель не выпадает из синхронизма, можно оценить приближенно:
, (5.15)
где - инерционная постоянная агрегата, с;
- максимальный электромагнитный момент;
- номинальный момент сопротивления.
Среднее критическое скольжение 
, с которого после подачи возбуждения под действием входного момента обеспечивается вхождение двигателя в синхронизм, можно рассчитать по формуле:
, (5.16)
где 
- кратность тока возбуждения при ресинхронизации, при отсутствии форсировки = 1.
|
|
|
