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) М max .Естественно, имеется в виду работа в зоне характеристики, где s < s кр.
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: М п = (1,2 ÷ 1,6) М ном; 2) относительно большой пусковой ток: I п= (5 ÷ 7) I ном.
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 М с имеет вид, изображенный на рис. 10.20, б пунктирной линией, то после включения двигателя его ротор останется неподвижным, так как M c,п > М п,хотя М max > М с и по условиям нормальной работы двигатель подходит:
M c,уст < М ном.
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 r д = 0 и r д ≠ 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 В 2 (рис. 10.21, а) устанавливают в выключенное положение, затем включают выключатель B 1. После окончания разбега ротора двигателя включают выключатель В 2, чем шунтируют добавочные пусковые резисторы. Соответствующим подбором сопротивления r дможно 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 r д.
На рис. 10.21, б изображены механические характеристики двигателя при r д = 0 (кривая 1) и
r д ≠ 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 В 2 (см. рис. 10.21, в) в положение а, что соответствует соединению обмотки статора звездой, выключателем B 1включают двигатель в сеть. После окончания пуска выключатель В 2 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 r д. По мере разгона двигателя резисторы r д 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 r д и s = 1:
I 2п = | E2к | . |
√ (r2+ r д )2 + x22 |
(10.60)
Соответствующим подбором значения r д можно получить любое требуемое значение пускового тока ротора и, следовательно, пускового тока статора, так как
Ī 1п = Ī 0 + Ī' 2п.
Влияние сопротивления r д на значение пускового момента можно выяснить с помощью выражения (10.54), в которое необходимо подставить r' д и s = 1:
M п = | 3 U 1ф2(r' 2 + r' д) | . |
ω0[(r' 2 + r' д)2 + х к2] |
(10.61)
Из выражения (10.61) вытекает, что введение добавочного сопротивления r д до определенных его значений вызывает увеличение пускового момента. Наибольшее значение М п, равное Mmax, будет, когда r' 2 + r' д = х к:
М п = Mmax = | 3 U 1ф2 | . |
2ω0 х к |
Дальнейшее увеличение сопротивления r д вызывает уменьшение пускового момента.
Уменьшение пускового момента до требуемого значения с помощью резисторов r диспользуется в некоторых механизмах для выбора люфтов и устранения ударов при пуске механизма.
Определение r д с помощью выражений (10.60) и (10.61) невозможно, так как в каталогах не даются значения х 2 и х 1. Расчет пускового сопротивления r д 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 s кр,и:
М и = | 2 Мmax | . | |
s и | + | s кр,и | |
s кр,и | s и |
(10.62)
Критическое скольжение равно: для естественной характеристики
s кр = r' 2/ х к; (10.63)
для искусственной характеристики
s кр,и = | r' 2 + r' д | . |
х к |
(10.63a)
В уравнение искусственной механической характеристики вместо текущих значений М и s подставляют заданные значения пускового момента М п и s = 1:
М п = | 2 Мmax | . |
s кр,и/1 + 1/ s кр,и |
(10.64)
|
|
откуда определяют критическое скольжение sкр,и, соответствующее искомому пусковому сопротивлению:
s кр,и = | Мmax | ± | √ | ( | Мmax | )2 - 1. | , |
М п | М п |
(10.64a)
Затем из отношений критических скольжений естественной (10.63) и искусственной (10.63а) механических характеристик определяют искомую величину r д :
s кр | = | r' 2 | = | r 2 | ; | ||||
s кр,и | r' 2 + r' д | r 2 + r д | |||||||
r д = r 2( | s кр,и | - 1). | |||||||
s кр | |||||||||
(10.65)
Пусковой ток ротора, соответствующий заданному пусковому моменту, находят из выражения (10.59), в которое подставляют М = М п и s = 1:
I 2п = | √ | М пω0 | , |
3(r 2 + r д) |
(10.65a)
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 0,9 Мmax.
Паспортные данные двигателя: Р ном = 20 кВт, n ном = 1420 об/мин, U ном = 380/220 В, ηном = 87%, Мmax/М ном = 2,4 E 2к = 193 В, I 2ном = 68 А.
Решение. Значение r д определяется из выражения (10.65):
r д = r 2( | s кр,и | - 1). |
s кр |
Значения r 2, s к, s кр,и в (10.65) определяются: r 2 — из (10.59 а), s — из (10 58), s кр,и — из (10.64), в которых значения s ном — из (10.23), Мmax — из (10.58 а), М п — из (10.57).
После подстановки паспортных данных двигателя в указанные выше выражения получим: s ном= 0,053, Мmax = 324 Н•м, s кр = 0,242, s кр,и = 1,57, r 2 = 0,087, r д = 0,476 Ом.
В системах автоматического управления, где пуск осуществляется дистанционно, пусковое сопротивление r д по мере разгона двигателя уменьшается не плавно, а ступенями с помощью релейно-контакторных аппаратов.
Перед пуском двигателя (рис. 10.23, а) контакты контакторов 1 К 1 и К 2 разомкнуты и в цепь ротора включено пусковое сопротивление, равное сумме r д1 + r д2, 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 М 1, контакты контактора K 1автоматически замыкаются и выключают сопротивление r д1. Вследствие этого двигатель начинает работать на механической характеристике 2, соответствующей сопротивлению r д2. Двигатель разгоняется от частоты вращения, соответствующей точке б, до частоты вращения, соответствующей точке в. При достижении указанной частоты вращения автоматически замыкаются контакты контактора К 2 и двигатель начинает работать иа естественной характеристике 3 в точке г и разгоняется до установившейся частоты вращения n уст, соответствующей моменту сил сопротивления М с на его валу.
Легко показать, что отношение скольжений на естественной и искусственной (реостатной) механических характеристиках при одном и том же моменте, например М 2 (рис. 10.23, б), равно отношению сопротивлений цепи ротора:
s д / s в = s / s и = r 2/(r 2 + r д).
Действительно, приравняв правые части уравнений естественной (10.57) и искусственной (10.62) механических характеристик и сократив на 2 Мmax, получим
s / s кр + s кр / s = s и / s кр,и + s кр,и / s и ,
откуда
s / s кр = s и / s кр,и,
или
s / s и = s кр / s кр,и = r 2/(r 2 + r д).
Это выражение часто используется при графоаналитическом расчете ступеней пускового реостата.