Загальна характеристика питання. Прямий пуск. При розгляді можливих способів пуску в хід асинхронних двигунів необхідно враховувати наступні основні положення: 1) двигун повинен розвивати при пуску досить великий пусковий момент, який повинен бути більше статичного моменту опору на валу, щоб ротор двигуна міг прийти в обертання і досягти номінальної швидкості обертання; 2) величина пускового струму повинна бути обмежена таким значенням, щоб не відбувалося пошкодження двигуна і порушення нормального режиму роботи мережі; 3) схема пуску повинна бути по можливості простою, а кількість і вартість пускових пристроїв - малими.
При пуску асинхронного двигуна на холостому ходу в активному опорі його вторинному ланцюзі виділяється теплова енергія, рівна кінетичної енергії приводяться в обертання махових мас, а при пуску під навантаженням кількість енергії, що виділяється відповідно збільшується. Виділення енергії в первинному ланцюзі звичайно трохи більше, ніж у вторинній. При частих 'пусках, а також при дуже важких умовах пуску, коли махові маси приводяться в рух механізмів великі, виникає небезпека перегріву обмоток двигуна. Детально динаміка руху електроприводу і енергетичні співвідношення при пуску розглядаються в курсах електроприводу. Число пусків асинхронного двигуна на годину, допустиме за умовами його нагрівання, тим більше, чим менше номінальна потужність двигуна і чим менше з'єднані з його валом махові маси. Двигуни потужністю 3-10 кет в звичайних умовах допускають до 5-10 включень в годину.
Асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором простіше по влаштуванню і обслуговування, а також дешевше і надійніше в роботі, ніж двигуни з фазним ротором.
Тому всюди, де це можливо, застосовуються двигуни з короткозамкненим ротором і переважна більшість знаходяться в експлуатації асинхронних двигунів є двигунами з короткозамкненим ротором.
Найбільш простим способом пуску двигуна з короткозамкненим ротором є включення обмотки його статора безпосередньо в мережу, на номінальну напругу обмотки статора (рис. 28-1, а) .Такий пуск називається прямим.
Мал. 28-1. Схеми способів пуску двигунів з короткозамкненим ротором: а - прямий; б - реакторний; в - автотрансформаторним; г - з перемиканням з зірки на трикутник
При цьому пусковий струм двигуна / "= (4 ч- 7,0) / н.
Сучасні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором проектуються з таким розрахунком, щоб вони за величиною виникають при пуску електродинамічних зусиль, що діють на обмотки, і за умовами нагріву обмоток допускали прямої пуск. Тому прямий пуск завжди можливий, коли мережа досить потужна і пускові струми двигунів не викликають неприпустимо великих падінь напруги в мережі (не більше 10-15%). Сучасні енергетичні системи, мережі і мережеві трансформаторні підстанції зазвичай мають такі потужності, що в переважній більшості випадків можна безпосередньо отримати пуск асинхронних двигунів.
Нормальним способом пуску двигунів з короткозамкненим ротором тому є прямий пуск.
Нерідко таким чином здійснюється пуск двигунів потужністю в тисячі кіловат.
Якщо за умовами падіння напруги в мережі прямий пуск двигуна з короткозамкненим ротором неможливий, застосовуються різні способи пуску двигуна при зниженій напрузі (рис. 28-1, б, в і г). Однак при цьому пропорційно квадрату напруги на затискачах обмотки статора або квадрату пускового струму двигуна знижується також пусковий момент, що є недоліком пуску при зниженій напрузі.
Тому ці способи пуску застосовні, коли можливий пуск двигуна на холостому ходу або під неповним навантаженням. Необхідність пуску при зниженій напрузі зустрічається найчастіше у потужних високовольтних двигунів.
Реакторний пуск здійснюється згідно зі схемою рис. 28-1, б. Спочатку включається вимикач В1, і двигун отримує харчування через трифазний реактор (реактивну або індуктивну котушку) Р, опір якого хр обмежує величину пускового струму. Після досягнення нормальної швидкості обертання включається вимикач В2, який шунтує реактор, в результаті чого на двигун подається нормальна напруга мережі.
Пускові реактори будуються зазвичай з феромагнітним сердечником (див. § 18-4) і розраховуються по нагріванню тільки на короткочасну роботу, що дозволяє знизити їх вагу та вартість. Для досить потужних двигунів застосовуються також реактори без феромагнітного сердечника, з обмотками, укріпленими на бетонному каркасі. Вимикач В1 вибирається на таку здатність, що відключає потужність, яка дозволяє відключити двигун при глухому короткому замиканні за вимикачем, а вимикач В2 може мати низьку здатність, що відключає потужність.
Якщо складові опору короткого замикання двигуна рівні гк і хк, то початковий пусковий струм при прямому пуску
а при реакторному пуску, при нехтуванні активним опором реактора,
Отже, при реакторному пуску початковий пусковий струм зменшується в
раз. У стільки ж разів зменшується також напруга на затискачах двигуна в початковий момент пуску. Початковий пусковий момент при реакторному пуску Мп р.н. уменьшается- в порівнянні з моментом при прямому пуску МПП в
Мал. 28-2. Пряма (а) і зворотна (б) схеми включення пускових автотрансформаторів
У наведених співвідношеннях не враховується зміна величини хк при зміні величини пускового струму. При необхідності неважко врахувати цю зміну.
Автотрансформаторним пуск здійснюється за схемою рис. 28-1, б в такому порядку. Спочатку включадатся вимикачі В1 і В2, і на двигун через автотрансформатор AT подається знижена напруга. Після досягнення двигуном певної швидкості вимикач В2 відключається, і двигун отримує харчування через частину обмотки автотрансформатора AT, який в цьому випадку працює як реактор. Нарешті включається вимикач ВЗ, в результаті чого двигун отримує повне напруга.
Вимикач В1 повинен бути обраний на відключає потужність при короткому замиканні, а вимикачі В2 і ВЗ можуть мати, менші відключають потужності. Пускові автотрансформатори розраховуються на короткочасну роботу. Згідно ДССТ 3211-46, пускові автотрансформатори повинні мати відгалуження, відповідні величинам вторинного напруги, рівним 73, 64 і 55% від первинного при прямій схемою включення і 45, 36 і 27% при зворотній схемі включення (рис. 28-2). У кожному конкретному випадку вибирається підходяща щабель напруги.
Якщо пусковий автотрансформатор знижує пусковий напруга двигуна в ат раз, то пусковий струм в двигуні або на стороні НН автотрансформатора / "" зменшується також в kaT раз, а пусковий струм на стороні ВН автотрансформатора або в мережі 1ПС зменшується в k'aT раз. Пусковий момент Мп, пропорційний квадрату напруги на затискачах двигуна, зменшується також в klT Р аз -
Таким чином, при АВТОТРАНСФОРМАТОРНЕ пуску Мп і / зменшуються в однакове число раз. У той же час при реакторному пуску пусковий струм двигунів / пд є також пусковим струмом в мережі / пс і пусковий момент М "зменшується швидше пускового струму (в квадратичном відношенні). Тому при однакових величинах / пс при АВТОТРАНСФОРМАТОРНЕ пуску пусковий момент буде більше. Однак ця перевага автотрансформаторного пуску досягається ціною значного ускладнення і подорожчання пускової апаратури. Тому автотрансформаторним пуск застосовується рідше реакторного, при більш важких умовах, коли реакторний пуск не забезпечує необхідного пускового моменту.
Пуск перемиканням «зірка - трикутник» (рис. 28-1, г) може застосовуватися у випадках, коли виведені всі шість кінців обмотки статора і двигун нормально працює з з'єднанням обмотки статора в трикутник, наприклад, коли двигун на 380/220 в і з з'єднанням обмоток Y / A працює від мережі 220 в. В цьому випадку при пуску обмотка статора включ'ается в зірку (нижнє положення перемикача П на рис. 28-1, г), а при досягненні нормальної швидкості обертання перемикається в трикутник (верхнє положення перемикача П на рис. 28-1, г) . При такому способі пуску в порівнянні з прямим пуском при з'єднанні обмотки в трикутник напруга фаз обмоток зменшується в У "3 рази, пусковий момент зменшується в (] / 3) а = 3 рази, пусковий струм в фазах обмотки зменшується в Y% рази, а в мережі - в j / З -1/3 = 3 рази. Таким чином, розглянутий спосіб пуску рівноцінний АВТОТРАНСФОРМАТОРНЕ пуску при ат =] / 31.
Недоліком цього способу пуску в порівнянні з реакторних і автотрансформаторним є те, що при пускових перемиканнях ланцюг двигуна розривається, що пов'язано з виникненням комутаційних перенапруг. Цей спосіб раніше широко застосовувався під час пуску низьковольтних двигунів, однак зі збільшенням потужності мереж втратив своє колишнє значення і в даний час використовується порівняно рідко.
Пуск двигуна з фазним ротором за допомогою пускового реостата. Двигуни з фазним ротором застосовуються значно рідше двигунів з короткозамкненим ротором. Вони використовуються в наступних випадках: 1) коли двигуни з короткозамкненим ротором є неприйнятними за умовами регулювання їх швидкості обертання (див. § 28-2); 2) коли статичний момент опору на валу при пуску Мст великий і тому асинхронний двигун з коротко-замкнутим ротором з пуском при зниженій напрузі неприйнятний, а прямий п ^ ск такого двигуна неприпустимий за умовами впливу великих пускових струмів на мережу; 3) коли прійодімие
в рух маси настільки великі, що виділяється у вторинному ланцюзі двигуна теплова енергія викликає неприпустимий нагрів обмотки ротора у вигляді білячої клітини.
Пуск двигунів з фазним ротором проводиться за допомогою пускового реостата в ланцюзі ротора (рис. 28-3). Застосовуються дротові, з литими чавунними елементами, а також рідинні реостати. За умовами нагріву реостати розраховуються на короткочасну роботу. Опору металевих реостатов для охолодження зазвичай поміщають в бак з трансформаторним маслом. Металеві реостати є ступінчастими, і перемикання з одного ступеня на іншу здійснюється або вручну за допомогою рукоятки контролера, істотним елементом якого є вал з укріпленими на ньому контактами, або ж автоматично (в автоматизованих установках) за допомогою контакторів або контролера з електричним приводом. Рідинний реостат з являє собою посудину з електролітом (наприклад, водний розчин соди або кухонної солі), в який опущені електроди. Опір реостата регулюється шляхом зміни глибини занурення електродів.
Розглянемо пуск двигуна з фазним ротором за допомогою ступеневої металевого реостата (рис. 28-3), керованого контакторами К
Перед пуском щітки повинні бути опущені на контактні кільця ротора, а всі щаблі реостата включені. Далі в процесі пуску по черзі включаються контактори КЗ, К2, К1 Характеристики обертального моменту двигуна М = / (s) і вторинного струму / 2 = = / (s) при роботі на різних щаблях реостата зображені на рис. 28-4, а й б. Припустимо, що опору ступенів пускового реостата і інтервали часу перемикання ступенів підібрані так, що момент двигуна М при пуску змінюється в межах від деякого ММА ((С до деякого Ммин і при включенні в мережу Мп = Ммакс> Л4СГ (крива 3 на рис. 28 -4, а). на початку пуску двигун працює за влучним висловом 3, ротор приходить в обертання, ковзання s починає зменшуватися, і при s = s3. коли М = ММІ н> проводиться перемикання реостата на другу сходинку. при цьому двигун буде працювати по характеристиці 2, і при подальшому розбігу двигуна ковзання зменшиться від s = s3 до s - s2, а момент - від 'значення М = Мшкс до М = Ммин. Потім проводиться перемикання на першу сходинку і т. д. Після
Мал. 28-3. Схема пуску асинхронного двигуна за допомогою пускового реостата
виключення останнього ступеня реостата двигун переходить на роботу по природній характеристиці 0 і досягає сталої швидкості обертання.
При наявності у двигуна короткозамикающего механізму після закінчення пуску щітки за допомогою цього механізму піднімаються з контактних кілець і кільця замикаються накоротко, а реостат повертається в пусковий становище. Тим самим пускова апаратура наводиться в готовність до наступного пуску. Необхідно відзначити, що дистанційне керування короткозамикающего механізмом контактних кілець складно здійснити; це ускладнює
Рис 28-4 Послідовні зміни крутного моменту (а) і струму (б) пра реостатному пуску асинхронного двигуна
автоматичне керування двигуном. Тому останнім часом фазні асинхронні двигуни будуються без таких механізмів »При цьому щітки постійно налягають на контактні кільця, що трохи збільшує втрати двигуна і знос щіток. Кількість-ступенів пускового реостата з метою спрощення схеми пуску і уде * шевленія апаратури в автоматизованих установках вибирається невеликим (зазвичай 2-3 ступені).
Пускові характеристики асинхронного, двигуна при реостат- 'ном пуску найбільш сприятливі, так як високі значення моментів досягаються при невисоких значеннях пускових струмів.
Питання розрахунку пускових реостатів в даній книзі не розглядаються (див. [24]).
Самозапуск асинхронних двигунів, В електричних мережах внаслідок коротких замикань трапляються короткочасні, тривалістю до декількох секунд, великі зниження напруги або перерви харчування. Включені в мережу асінхронние'двігателі при цьому починають загальмовується і найчастіше повністю
зупиняються. При відновленні напруги починається одночасний самозапуск ве відключилися від мережі двигунів. Такий самозапуск двигунів сприяє якнайшвидшому відновленню нормальної роботи виробничих механізмів і тому доцільний, а в ряді випадків навіть є надзвичайно бажаним. Однак одночасний самозапуск великої кількості асинхронних двигунів завантажує мережу досить великими струмами, що викликає в ній великі падіння напруги і затримує процес відновлення нормального напруги. Час самозапуска двигунів при цьому збільшується, а в ряді випадків величина пускового мо - мента недостатня для пуску двигуна. Крім того, самозапуск деяких двигунів в подібних умовах неприпустимий або неможливий (наприклад, двигуни з фазним ротором з пуском за допомогою реостата і двигуни з короткозамкненим ротором з пуском за допомогою реакторів і автотрансформаторів, які не забезпечені спеціальної автоматичної апаратурою для автоматичного самозапуска). Тому доцільно можливість самозапуску використовувати тільки для двигунів найбільш відповідальних виробничих механізмів, а всі інші двигуни забезпечити релейного захистом для їх відключення від мережі при глибоких поданих напруги. Самозапуск асинхронних двигунів широко застосовується в СРСР для двигунів механізмів електричних станцій.