Глава десятая
АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
10.14. ПУСК АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Для пуска двигателя его обмотку статора подключают к трехфазной сети с помощью выключателя. Схема включения двигателя изображена на рис. 10.20, а. После включения выключателя происходит разгон двигателя. При этом момент, развиваемый двигателем, М и ток в его обмотке статора I изменяются в соответствии с графиками, изображенными на рис. 10.20, б. Двигатель разгоняется до установившейся частоты вращения, при которой момент, развиваемый двигателем, равен моменту сил сопротивления на его валу.
В условиях нормальной работы момент на валу двигателя может изменяться в довольно широких пределах, однако, если момент окажется больше Мmax, двигатель остановится. Обычно считают, что допустимые изменения находятся в пределах от М = 0 до М = (0,8 ÷ 0,9) Мmax . Естественно, имеется в виду работа в зоне характеристики, где s < sкр.
 |
Рис. 10.20. Схема включения асинхронного двигателя с коротко-замкнутой обмоткой статора (а); механическая характеристика и зависимость тока статора от скольжения (б) |
Однако следует заметить, что длительная работа двигателя допустима при моментах на его валу, не превышающих номинального значения.
Если оказалось, что двигатель вращается не в требуемом направлении, то для изменения направления вращения ротора необходимо изменить порядок подсоединения обмотки статора к сети: начало обмотки С1 (рис. 10.20, а) соединить с линейным проводом В, начало обмотки С2 — с проводом А, начало обмотки С3 оставить соединенным с проводом С. При этом изменится порядок чередования фаз, что приведет к изменению направления вращения магнитного поля статора и, следовательно, ротора.
К недостаткам такого пуска относятся: 1) относительно малый пусковой момент: Мп = (1,2 ÷ 1,6) Мном ; 2) относительно большой пусковой ток: Iп= (5 ÷ 7)Iном .
Из-за первого недостатка иногда приходится выбирать двигатель большей мощности, чем это требуется по условиям работы при установившемся режиме, что экономически нецелесообразно. Действительно, если график момента сил сопротивления на валу Мс имеет вид, изображенный на рис. 10.20, б пунктирной линией, то после включения двигателя его ротор останется неподвижным, так как Mc,п > Мп , хотя Мmax > Мс и по условиям нормальной работы двигатель подходит:
Mc,уст < Мном .
Большой ток в периоды пуска двигателя может вызвать значительное падение напряжения в сети малой мощности, что неблагоприятно скажется на работе других потребителей, включенных в сеть, например вызовет мигание осветительных приборов и т. д. Однако следует отметить, что в настоящее время заводские сети имеют большое сечение, поэтому падение напряжения, возникающее при пуске двигателя, оказывается несущественным.
 |
Рис. 10.21. Схема пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора: с добавочным сопротивлением в цепи обмотки статора (а) и переключения фаз обмотки со звезды на треугольник (в); механические характеристики двигателя при rд = 0 и rд ≠ 0 (б) и при соединении обмотки статора звездой и треугольником (г) |
Большой пусковой ток ограничивает допустимое число пусков (включений) двигателя в час. При большом числе включений в час даже мало загруженный в установившемся режиме двигатель из-за больших пусковых токов может перегреться и выйти из строя.
В маломощных сетях, сечение проводов которых невелико, а протяженность значительная, для ограничения пускового тока применяют пуск с активным или индуктивным сопротивлением, включенным в цепь обмотки статора (рис. 10.21, а), или пуск с переключением обмотки со звезды на треугольник (рис. 10.21, в).
Перед пуском выключатель В2 (рис. 10.21, а) устанавливают в выключенное положение, затем включают выключатель B1. После окончания разбега ротора двигателя включают выключатель В2, чем шунтируют добавочные пусковые резисторы. Соответствующим подбором сопротивления rд можно ограничить пусковой ток до любого необходимого значения. Однако не следует забывать, что одновременно уменьшаются пусковой и критический моменты из-за снижения напряжения на обмотке статора, вызванного падением напряжения на сопротивлении rд.
На рис. 10.21, б изображены механические характеристики двигателя при rд = 0 (кривая 1) и
rд ≠ 0 (кривая 2).
Пуск двигателя с переключением со звезды на треугольник возможен, когда обмотка статора может быть соединена звездой и треугольником и напряжение сети соответствует соединению обмотки статора треугольником. Например, двигатель имеет номинальное напряжение 380/220 В, а напряжение сети 220 В. Установив предварительно выключатель В2 (см. рис. 10.21, в) в положение а, что соответствует соединению обмотки статора звездой, выключателем B1 включают двигатель в сеть. После окончания пуска выключатель В2 перекидывают в положение б, благодаря чему обмотка статора оказывается соединенной треугольником. Напряжение на фазе обмотки статора во время пуска будет меньше номинального в √3 раз, например при напряжении 220 В оно составит 220/√3 = 127 В. Вследствие этого ток фазы уменьшится в той же степени, а поскольку линейный ток больше фазного в √3 раз, пусковой линейный ток при таком способе пуска будет меньше по сравнению с прямым пуском в 3 раза. Одновременно в 3 раза уменьшатся пусковой и максимальный моменты, так как они пропорциональны квадрату фазного напряжения.
Значение критического скольжения не изменится, так как оно не зависит от напряжения. На рис. 10.21, г изображены механические характеристики двигателя, соответствующие схеме включения треугольником и пусковой схеме звездой.
Ввиду значительного снижения пускового момента указанный способ пуска возможен только при малых моментах сил сопротивления на валу двигателя.
 |
| Рис 10.22. Схема включения асинхронного двигателя с фазным ротором (контактными кольцами) |
Пуск двигателя с фазным ротором (контактными кольцами) (рис. 10.22) осуществляется подключением обмотки статора к сети с предварительно введенными в цепь ротора добавочными резисторами rд. По мере разгона двигателя резисторы rд с помощью движка выводятся и по окончании пуска сопротивление резистора обращается в нуль, а обмотка ротора оказывается замкнутой накоротко, как и у двигателя с короткозамкнутым ротором. Введение добавочного сопротивления в цепь ротора при пуске асинхронного двигателя с контактными кольцами позволяет увеличить пусковой момент вплоть до максимального значения и одновременно значительно снизить пусковой ток. Это является одной из главных причин, почему вместо асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются двигатели с фазным ротором.
Значение пускового тока можно найти из выражения (10.30), в которое следует подставить rд и s = 1:
| I2п = | E2к | . |
| √(r2+ rд)2 + x22 |
Соответствующим подбором значения rд можно получить любое требуемое значение пускового тока ротора и, следовательно, пускового тока статора, так как
Ī1п = Ī0 + Ī'2п.
Влияние сопротивления rд на значение пускового момента можно выяснить с помощью выражения (10.54), в которое необходимо подставить r'д и s = 1:
| Mп = | 3U1ф2(r'2 + r'д) | . |
| ω0[(r'2 + r'д)2+ хк2] |
Из выражения (10.61) вытекает, что введение добавочного сопротивления rд до определенных его значений вызывает увеличение пускового момента. Наибольшее значение Мп, равное Mmax, будет, когда r'2 + r'д= хк:
| Мп = Mmax = | 3U1ф2 | . |
| 2ω0хк |
Дальнейшее увеличение сопротивления rд вызывает уменьшение пускового момента.
Уменьшение пускового момента до требуемого значения с помощью резисторов rд используется в некоторых механизмах для выбора люфтов и устранения ударов при пуске механизма.
Определение rд с помощью выражений (10.60) и (10.61) невозможно, так как в каталогах не даются значения х2 и х1. Расчет пускового сопротивления rд при заданном значении производят с использованием искусственной механической характеристики. Уравнение искусственной (реостатной) механической характеристики двигателя с добавочными резисторами в цепи ротора имеет тот же вид, что и уравнение естественной характеристики, разница лишь в значении sкр,и :
| Ми = | 2Мmax | . | ||
| sи | + | sкр,и | ||
| sкр,и | sи | |||
Критическое скольжение равно: для естественной характеристики
sкр = r'2/хк ;
| sкр,и = | r'2 + r'д | . |
| хк |
В уравнение искусственной механической характеристики вместо текущих значений М и s подставляют заданные значения пускового момента Мп и s = 1:
| Мп = | 2Мmax | . |
| sкр,и/1 + 1/sкр,и |
| sкр,и = | Мmax | ± | √ | ( | Мmax | )2 - 1. | , |
| Мп | Мп |
Затем из отношений критических скольжений естественной (10.63) и искусственной (10.63а) механических характеристик определяют искомую величину rд :
| sкр | = | r'2 | = | r2 | ; |
| sкр,и | r'2 + r'д | r2 + rд |
| rд = r2( | sкр,и | - 1). |
| sкр |
Пусковой ток ротора, соответствующий заданному пусковому моменту, находят из выражения (10.59), в которое подставляют М = Мп и s = 1:
| I2п = | √ | Мпω0 | , |
| 3(r2 + rд) |
 |
Рис. 10 23. Схема автоматического пуска асинхронного двигателя с контактными кольцами (а); механические характеристики двигателя при пуске (б) |
Пример 10.1. Определить значение добавочного сопротивления, которое надо включить в цепь обмотки ротора, чтобы пусковой момент составил 0,9Мmax.
Паспортные данные двигателя: Рном = 20 кВт, nном = 1420 об/мин, Uном = 380/220 В, ηном = 87%, Мmax/Мном = 2,4 E2к = 193 В, I2ном = 68 А.
Решение. Значение rд определяется из выражения (10.65):
| rд = r2( | sкр,и | - 1). |
| sкр |
Значения r2, sк, sкр,и в (10.65) определяются: r2 — из (10.59а), s — из (10 58), sкр,и — из (10.64), в которых значения sном — из (10.23), Мmax — из (10.58 а), Мп — из (10.57).
После подстановки паспортных данных двигателя в указанные выше выражения получим: sном = 0,053, Мmax = 324 Н•м, sкр = 0,242, sкр,и = 1,57, r2 = 0,087, rд = 0,476 Ом.
В системах автоматического управления, где пуск осуществляется дистанционно, пусковое сопротивление rд по мере разгона двигателя уменьшается не плавно, а ступенями с помощью релейно-контакторных аппаратов.
Перед пуском двигателя (рис. 10.23, а) контакты контакторов 1 К1 и К2 разомкнуты и в цепь ротора включено пусковое сопротивление, равное сумме rд1 + rд2, которому соответствует реостатная характеристика 1 (рис. 10.23, б).
1 Описание устройства и принципа действия контактора дано в § 12.5.
После включения обмотки статора в сеть контактами контактора К ротор двигателя начинает разгоняться. Двигатель работает на характеристике 1. После достижения частоты вращения, соответствующей точке а, где двигатель развивает момент М1, контакты контактора K1 автоматически замыкаются и выключают сопротивление rд1. Вследствие этого двигатель начинает работать на механической характеристике 2, соответствующей сопротивлению rд2. Двигатель разгоняется от частоты вращения, соответствующей точке б, до частоты вращения, соответствующей точке в. При достижении указанной частоты вращения автоматически замыкаются контакты контактора К2 и двигатель начинает работать иа естественной характеристике 3 в точке г и разгоняется до установившейся частоты вращения nуст, соответствующей моменту сил сопротивления Мс на его валу.
Легко показать, что отношение скольжений на естественной и искусственной (реостатной) механических характеристиках при одном и том же моменте, например М2 (рис. 10.23, б), равно отношению сопротивлений цепи ротора:
sд /sв = s/sи = r2/(r2 + rд).
Действительно, приравняв правые части уравнений естественной (10.57) и искусственной (10.62) механических характеристик и сократив на 2Мmax, получим
s/sкр + sкр /s = sи /sкр,и + sкр,и /sи ,
откуда
s/sкр = sи /sкр,и,
или
s/sи = sкр /sкр,и = r2/(r2 + rд).
Это выражение часто используется при графоаналитическом расчете ступеней пускового реостата.