Чему равен пусковой ток асинхронного двигателя. Способы пуска асинхронных двигателей

Пусковые свойства двигателей .

При пуске ротор двигателя, преодолевая момент нагрузки и момент инерции, разгоняется от частоты вращения п = 0 до п . Скольжение при этом меняется от s п = 1 до s . При пуске должны выполняться два основных требования: вращающий момент должен бить больше момента сопротивления (М вр >М с ) и пусковой ток I п должен быть по возможности небольшим.

В зависимости от конструкции ротора (короткозамкнутый или фазный), мощности двигателя, характера нагрузки возможны различные способы пуска: прямой пуск, пуск с использованием дополнительных сопротивлений, пуск при пониженном напряжении и др. Ниже различные способы пуска рассматриваются более подробно.

Прямой пуск. Пуск двигателя непосредственным включением на напряжение сети обмотки статора называется прямым пуском. Схема прямого пуска приведена на рис. 3.22. При включении рубильника в первый момент скольжение s = l , а приведенный ток в роторе и равный ему ток статора

, (3.37)

максимальны (см.п.3.19 при s=1). По мере разгона ротора скольжение уменьшается и поэтому в конце пуска ток значительно меньше, чем в первый момент. В серийных двигателях при прямом пуске кратность пускового тока k I = I П / I 1НОМ = (5,…,7), причем большее значение относится к двигателям большей мощности.

Значение пускового момента находится из (3.23) при s = 1:

Из рис. 3.18 видно, что пусковой момент близок к номинальному и значительно меньше критического. Для серийных двигателей кратность пускового момента М П / М НОМ = (1.0,…,1.8).

Приведенные данные показывают, что при прямом пуске в сети, питающей двигатель, возникает бросок тока, который может вызвать настолько значительное падение напряжение, что другие двигатели, питающиеся от этой сети, могут остановиться. С другой стороны, из-за небольшого пускового момента при пуске под нагрузкой двигатель может не преодолеть момент сопротивления на валу и не тронется с места. В силу указанных недостатков прямой пуск можно применять только у двигателей малой и средней мощности (примерно до 50 кВт).

Пуск двигателей с улучшенными пусковыми свойствами. Улучшение пусковых свойств асинхронных двигателей достигается использованием эффекта вытеснения тока в роторе за счет специальной конструкции беличьей клетки. Эффект вытеснения тока состоит в следующем: потокосцепление и индуктивное сопротивление X 2 проводников в пазу ротора тем выше, чем ближе ко дну паза они расположены (рис.3.23). Также X 2 прямо пропорционально частоте тока ротора.

Следовательно, при пуске двигателя, когда s=1 и f 2 = f 1 = 50 Гц, индуктивное сопротивление X 2 = max и под влиянием этого ток вытесняется в наружный слой паза. Плотность тока j по координате h распределяется по кривой, показанной на рис.3.24. В результате ток в основном проходит по наружному сечению проводника, т.е. по значительно меньшему сечению стержня, и, следовательно, активное сопротивление обмотки ротора R 2 намного больше, чем при нормальной работе. За счет этого уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент М П (см. (3.37), (3.38)). По мере разгона двигателя скольжение и частота тока ротора падает и к концу пуска достигает 1 – 4 Гц. При такой частоте индуктивное сопротивление мало и ток распределяется равномерно по всему сечению проводника. При сильно выраженном эффекте вытеснения тока становится возможным прямой пуск при меньших бросках тока и больших пусковых моментах.

К двигателям с улучшенными пусковыми свойствами относятся двигатели, имеющие роторы с глубоким пазом, с двойной беличьей клеткой и некоторые другие.

Рис.3.23 Рис. 3.24

Двигатели с глубокими пазами. Как показано на рис.3.25, паз ротора выполнен в виде узкой щели, глубина которой примерно в 10 раз больше, чем ее ширина. В эти пазы-щели укладывается обмотка в виде узких медных полос. Распределение магнитного потока показывает, что индуктивность и индуктивное сопротивление в нижней части проводника значительно больше, чем в верхней части. Поэтому при пуске ток вытесняется в верхнюю часть стержня и активное сопротивление значительно увеличивается. По мере разгона двигателя скольжение уменьшается, и плотность тока по сечению становится почти одинаковой. В целях увеличения эффекта вытеснения тока глубокие пазы выполняются не только в виде щели, но и трапецеидальной формы. В этом случае глубина паза несколько меньше, чем при прямоугольной форме.

Двигатели с двойной клеткой. В таких двигателях обмотки ротора выполняются в виде двух клеток (рис.3.26): во внешних пазах 1 размещается обмотка из латунных проводников, во внутренних 2 – обмотка из медных проводников. Таким образом, внешняя обмотка имеет большее активное сопротивление, чем внутренняя. При пуске внешняя обмотка сцепляется с очень слабым магнитным потоком, а внутренняя – сравнительно сильным полем. В результате ток вытесняется во внешнюю клетку, а во внутренней тока почти нет.

По мере разгона двигателя ток из внешней клетки переходит во внутреннюю и при s =s НОМ протекает в основном по внутренней клетке. Ток во внешней клетке при этом сравнительно небольшой. Результирующий пусковой момент, складывающийся из моментов от двух клеток, значительно больше, чем у двигателей нормальной конструкции, и несколько больше, чем у двигателей с глубоким пазом. Однако следует иметь в виду, что стоимость двигателей с двойной клеткой ротора выше.

Пуск переключением обмотки статора.

Если при нормальной работе двигателя фазы статора соединены в треугольник, то, как показано на рис.3.27, при пуске первоначально они соединяются в звезду. Для этого сначала включается выключатель Q, а затем переключатель S ставится в нижнее положение Пуск . В таком положении концы фаз Х, Y, Z соединены между собой, т.е. фазы соединены звездой. При этом напряжение на фазе в √3 раз меньше линейного. В результате линейный ток при пуске в 3 раза меньше, чем при соединении треугольником. При разгоне ротора в конце пуска переключатель S переводится в верхнее положение и, как видно из рис. 3.27, фазы статора пересоединяются в треугольник. Недостатком этого способа является то, что пусковой момент также уменьшается в 3 раза, так как момент пропорционален квадрату фазного напряжения, которое в √3 раз меньше при соединении фаз звездой. Поэтому такой способ применим при небольшом нагрузочном моменте и только для двигателей, нормально работающих при соединении обмоток статора в треугольник.

Пуск при включении добавочных резисторов в цепь статора . (рис. 3.28). Перед пуском выключатель (пускатель) находится в разомкнутом состоянии и замыкается выключатель Q 1 .

При этом в цепь статора включены добавочные резисторы R ДОБ. В результате обмотка статора питается пониженным напряжением U 1n = U 1НОМ – I n R ДОБ. После разгона двигателя замыкается выключатель Q 2 и обмотка статора включается на номинальное напряжение U 1НОМ. Подбором R ДОБ можно ограничить пусковой ток до допустимого. Следует иметь в виду, что момент при пуске, пропорциональный U 2 1П, будет меньше и составляет (U 1П / U 1НОМ) 2 номинального. Важно отметить, что при этом способе пуска значительны потери в сопротивлении R ДОБ (R ДОБ I 2 1n). Можно вместо резисторов R ДОБ включить катушки с индуктивным сопротивлением Х ДОБ, близким к R ДОБ.

Применение катушек позволяет уменьшить потери в пусковом сопротивлении.

Рис.3.29 Рис.3.28

Автотрансформаторный пуск. Кроме указанных способов можно применить так называемый автотрансформаторный пуск.

Соответствующая схема показана на рис.3.29. Перед пуском переключатель S устанавливается в положение 1 , а затем включается автотрансформатор и статор питается пониженным напряжением U 1П. Двигатель разгоняется при пониженном напряжении и в конце разгона переключатель S переводится в положение 2 и статор питается номинальным напряжением U 1ном.

Если коэффициент трансформации понижающего трансформатора n , тогда ток I на его входе будет в n раз меньше. Кроме того, пусковой ток будет также в n раз меньше, т.е. ток при пуске в сети будет в n 2 раз меньше, чем при непосредственном пуске.

Этот способ, хотя и лучше рассмотренных в п.3.14.7, но значительно дороже.

Пуск двигателя с фазным ротором.

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется путем включения пускового реостата в цепь ротора, как это показано на рис.3.30. Начала фаз обмоток ротора присоединяются к контактным кольцам и через щетки подключаются к пусковому реостату с сопротивлением Rp.

Приведенное к обмотке статора сопротивление пускового реостата Rp рассчитывается так, чтобы пусковой момент был максимальный, т.е. равен критическому. Так как при пуске скольжение s П = 1, то s П = 1 = s К , равенство М П = М П maх = М К будет обеспечено. Тогда .

Пуск двигателя происходит по кривой, показанной на рис.3.31. В момент пуска рабочая точка на механической характеристике находится в положении а , а при разгоне двигателя она перемещается по кривой 1 , соответствующей полностью включенному реостату. При моменте, соответствующем точке е , включается первая ступень реостата и момент скачком увеличивается до точки b – рабочая точка двигателя переходит на кривую 2; в момент времени, соответствующей точке d, выключается вторая ступень реостата, рабочая точка скачком переходит в точку с и двигатель выходит на естественную характеристику 3 и затем в точку f. Реостат закорачивается, обмотка ротора замыкается накоротко, а щетки отводятся от колец.

Таким образом, фазный ротор позволяет пускать в ход асинхронные двигатели большой мощности при ограниченном пусковом токе. Однако этот способ пуска связан со значительными потерями в пусковом реостате. Кроме того, двигатель с фазным ротором дороже двигателя с короткозамкнутым ротором. Поэтому двигатель с фазным ротором применяется лишь при больших мощностях и высоких требованиях к приводу.

В момент пуска частота вращения ротора двигателя равна нулю, а вращающееся поле мгновенно приобретает синхронную частоту вращения по отношению к ротору, в результате в обмотке ротора наводится большая ЭДС. При этом токи ротора и статора в несколько раз превосходят минимальные их значения, так как они увеличиваются с увеличением скольжения ротора, т.е. с уменьшением его частоты вращения (рис. 10).

Пусковой ток асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в 5 –10 раз превышает номинальный (пусковой момент составляет 1,1 ‑ 1,8 от номинального значения момента). Так как этот ток протекает по обмотке электродвигателя кратковременно и только в процессе запуска, то, если пуски двигателя не очень часты, он не вызывает перегрева электродвигателя. Поэтому пуск асинхронных электродвигателей небольшой мощности, как правило, производится простым включением в сеть. Однако большой пусковой ток крупных электродвигателей для питающих их электрических сетей вызывает резкие и значительные (особенно в маломощных сетях) скачки напряжения, что неблагоприятно сказывается на других, включенных в эту же сеть потребителях электроэнергии.

Как видно из рис. 10, пусковой момент асинхронного двигателя заметно меньше максимального, и при нагрузке на валу ротора, превышающейМ п, двигатель не запустится. При этом, если статор не отключить от сети, большой пусковой ток приведет к перегреву обмоток и выходу из строя двигателя.

Для предупреждения описанных неблагоприятных ситуаций, необходимо ограничение пускового тока асинхронных двигателей при подаче на них питающего напряжения или повышение пускового момента.

Снижение напряжения на обмотках асинхронного электродвигателя при пуске достигается различными способами:

пуском с использованием автотрансформатора или индукционного регулятора;

пуском с переключением обмотки статора со звезды на треугольник;

пуском с включением добавочного сопротивления в обмотку статора двигателя.

Однако при снижении пускового напряжения пусковой момент асинхронного двигателя также падает, ибо он пропорционален квадрату пускового напряжения. Поэтому означенные способы пуска могут быть применимы в основном для приводных двигателей механизмов, не требующих при запуске больших пусковых моментов (например, запуск двигателя вентилятора, ненагруженного двигателя, двигателя на холостом ходу и др.).

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором пускают в ход с помощью пускового реостата с максимальным сопротивлением R доб, включаемого последовательно с обмоткой ротора (см. рис. 3). При этом критическое скольжениеs к = (R" 2 +R доб)/(Х 1 +Х" 2) увеличивается, а величина критического моментаМ к = 3pU 1 2 /2 1 (X 1 +X" 2) не меняется. Искусственные характеристики момент-скольжение с добавочным сопротивлением приведены на рис. 11. ВеличинаR доб подбирается такой, чтобы критическое скольжение было равным единице, тогда пусковой момент вырастет до критического значения. УвеличениеМ происходит за счет увеличения активной составляющей тока. Действующее значение пускового тока при этом уменьшается.

С увеличением оборотов частота вращения магнитного поля по отношению к ротору уменьшается. Соответственно уменьшаются ЭДС и ток ротора. Поэтому с увеличением частоты вращения двигателя можно постепенно уменьшать значение пускового сопротивления в цепи обмотки ротора (R " доб), не опасаясь того, что ток двигателя возрастет до значений, опасных для него. При полностью выведенном сопротивлении пускового реостата(R "" доб = 0) пуск двигателя заканчивается. Такой способ позволяет обеспечить необходимый для пуска пусковой момент двигателя.

При включении в работу любого устройства, механизма или прибора, в течение некоторого времени в них происходят процессы, которые называются нестационарными или пусковыми. Наиболее всем известные примеры из жизни - трогание с места, допустим, груженой тележки, поезда, вполне наглядно показывает, что первоначальный силовой толчок обычно требуется сильнее, чем усилия в дальнейшем.

Такие же явления происходят и в электрических устройствах: лампах, электродвигателях, электромагнитах и т.д. Пусковые процессы в этих устройствах зависят от состояния рабочих элементов: нити накаливания лампы, состояния намагниченности сердечника катушки электромагнита, степени ионизации межэлектродного промежутка в и т.д. Для примера рассмотрим нить накаливания осветительной лампы. Хорошо известно, что в холодном состоянии она имеет значительно меньшее сопротивление, чем при ее
нагреве до 1000 град. в рабочем режиме. Попробуйте рассчитать сопротивление
нити накаливания для 100-ваттной лампочки - это примерно 490 Ом, а измеренное омметром в нерабочем состоянии это значение меньше 50 Ом. А вот теперь самое интересное - посчитайте пусковой ток, и вы поймете, почему горят лампочки при включении.

Оказывается, что при включении ток доходит до 4-5 А, а это составляет более 1 кВт. Так почему же 100-ваттные лампочки не горят «поголовно»? Да только потому, что, нагреваясь, нить лампочки оказывает
растущее сопротивление, которое в установившемся режиме становится постоянным, большим начального значения и ограничивает рабочий ток на уровне около 0,5 А.

Электродвигатели имеют широчайшее применение в технике, поэтому знание особенностей их пусковых характеристик имеет большое значение для правильной эксплуатации элетроприводов. Скольжение и момент на валу - основные, влияющие на пусковой ток, параметры. Первый связывает скорость вращения электромагнитного поля с частотой вращения ротора и уменьшается с набором скорости от 1 до минимального значения, а второй определяет механическую нагрузку на валу, максимальную в начале пуска и номинальную после полного разгона. в момент пуска эквивалентен трансформатору с закороченной вторичной обмоткой. Из-за ее малого
сопротивления пусковой ток двигателя скачкообразно достигает десятикратного превышения от его номинального значения.

Подача тока в обмотки приводит к росту насыщения сердечника ротора магнитным полем, возникновению э.д.с. самоиндукции, что приводит к росту индуктивного
сопротивления цепи. Ротор начинает вращаться, и коэффициент скольжения снижается, т.е. двигатель разгоняется. При этом пусковой ток с ростом сопротивления снижается до установившегося значения.

Проблемы, вызываемые протеканием увеличенных пусковых токов, возникают
из-за перегрева электродвигателей, перегрузки электрических сетей в момент
пуска, возникновения ударных механических нагрузок в подключенных механизмах, например, редукторы. Существует два класса устройств, решающих эти вопросы в современной технике - устройства плавного пуска и частотные преобразователи.

Их выбор - это инженерная задача с анализом многих эксплуатационных
характеристик. Нагрузка в реальных условиях применения электродвигателей делится на две группы: насосно-вентиляторная и общепромышленная. Устройства плавного пуска применяют преимущественно для нагрузок вентиляторной группы. Такие регуляторы ограничивают пусковой ток на уровне не выше 2 номинальных значений, вместо 5-10 кратного при обычном пуске, путем изменения напряжения обмоток.

Наиболее широкое распространение в промышленности получили электродвигатели Однако их простота конструкции и дешевизна имеет обратную сторону - тяжелые условия пуска, которые облегчаются с помощью частотных преобразователей. Особенно ценно свойство частотных
преобразователей поддерживать пусковой ток в течение
длительного времени - минута и более. Лучшие образцы современных преобразователей представляют собой интеллектуальные устройства, выполняющие не просто регулирование процесса пуска, но и оптимизацию пуска по любому заданному эксплуатационному критерию: величина и постоянство пускового тока, скольжения, момента на валу, оптимального коэффициента мощности и т.д.