Пуск в ход асинхронных двигателей

При пуске двигателя в ход должны по возможности удовлетворяться следующие основные требования: процесс пуска должен быть простым и осуществляться без сложных пусковых устройств, пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи — по возможности малыми. Иногда к этим требованиям добавляются и другие, обусловленные особенностями конкретных приводов, в которых используются двигатели: необходимость плавного пуска, наибольшего пускового момента и пр. Практически используются следующие способы пуска: непосредственное подключение обмотки статора к сети (прямой пуск); понижение напряжения, подводимого к обмотке статора при пуске; подключение к обмотке ротора пускового реостата.

Прямой пуск применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Двигатели этого типа малой и средней мощности обычно проектируют так, чтобы при непосредственном подключении обмотки статора к сети возникающие пусковые токи не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры, опасных с точки зрения механической и термической прочности основных элементов машины. Однако при прямом пуске двигателей большой мощности, особенно при подключении их к недостаточно мощным электрическим сетям, могут возникать чрезмерно большие падения напряжения (свыше 10—15%). В этом случае прямой пуск для двигателей с короткозамкнутым ротором не применяют и пускают их при пониженном напряжении.
Прямой пуск асинхронного двигателя широко применяют в технике. Недостатками его являются большой пусковой ток и сравнительно небольшой пусковой момент.

Пуск при пониженном напряжении применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором большой мощности, а также для двигателей средней мощности при недостаточно мощных электрических сетях. Понижение напряжения осуществляется следующими способами:

переключением обмотки статора при пуске с рабочей схемы «треугольник» на пусковую схему «звезда». В этом случае фазное напряжение, подаваемое на обмотку статора, уменьшается в?З раз, что обусловливает уменьшение фазных токов в?З раз и линейных токов в 3 раза. По окончании процесса пуска и разгона двигателя до номинальной частоты вращения обмотку статора переключают обратно на схему «треугольник»;

включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных резисторов или реакторов. При этом на указанных аппаратах создаются некоторые падения напряжения?U, пропорциональные пусковому току, вследствие чего к обмотке статора будет приложено пониженное напряжение U1 —?U. По мере увеличения частоты вращения ротора двигателя уменьшается э. д. с, индуцированная в обмотке ротора, а следовательно, и пусковой ток. В результате этого уменьшается падение напряжения?U и автоматически возрастает приложенное к двигателю напряжение;

подключением двигателя к сети через понижающий автотрансформатор. Последний может иметь несколько ступеней, которые в процессе пуска двигателя переключаются соответствующей аппаратурой.

Недостатком всех указанных способов является значительное уменьшение пускового и наибольшего моментов двигателя, которые пропорциональны квадрату приложенного напряжения. Поэтому они могут применяться только при пуске двигателя без нагрузки.

Пуск с помощью пускового реостата применяется для двигателей 1 с фазным ротором (рис. 265, а). Пусковой реостат 2 обычно имеет четыре — шесть ступеней, что позволяет в процессе пуска постепенно уменьшать пусковое сопротивление Rп, поддерживая высокое значение пускового момента на все время, разгона двигателя. При пуске предварительно устанавливают пусковой реостат в положение, при котором он имеет максимальное

Рис. 265. Схема включения асинхронного двигателя с пусковым реостатом (а) и механические характеристики двигателя при пуске (б)

сопротивление R_п4 = R_{п max}, после чего подключают обмотку статора к сети трехфазного тока. При этом двигатель пускается по характеристике 4 (рис. 265,б) и развивает в начале пуска вращающий момент Mпmax.

По мере увеличения частоты вращения ротора вращающий момент двигателя, как видно из его механической характеристики, уменьшается и может стать меньше некоторого момента M_{п min}. Поэтому при уменьшении вращающего момента до M_{п min} часть сопротивления пускового реостата выводят. При этом вращающий момент двигателя возрастает до M_{п max}, а затем с увеличением частоты вращения будет изменяться по характеристике 3, полученной при сопротивлении пускового реостата R_п3 < R_п4. При дальнейшем уменьшении вращающего момента до M_{п min} часть сопротивления реостата снова выключается, и двигатель переходит на работу по характеристике 2, соответствующей сопротивлению R_п2 < R_п3.

Таким образом, в процессе пуска двигателя сопротивление пускового реостата постепенно (ступенями) уменьшают и вращающий момент двигателя изменяется в пределах от M_{п max} до M_{п min}по ломаной кривой, показанной на рис. 265, б жирной линией. В конце пуска пусковой реостат полностью выводят, обмотка ротора двигателя замыкается накоротко и двигатель переходит на работу по естественной характеристике 1. Отдельные ступени пускового реостата в процессе разгона двигателя могут выключаться вручную или автоматически. Таким образом, путем включения реостата в цепь обмотки ротора можно осуществить пуск двигателя при M_п? M_{п max} и резко уменьшить пусковой ток.

Недостатком этого способа является относительная сложность пуска, возникновение потерь энергии в пусковом реостате и необходимость применения более сложных и дорогих двигателей с фазным ротором. Кроме того, эти двигатели имеют несколько худшие рабочие характеристики, чем двигатели с короткозамкнутым ротором такой же мощности (кривые? и cos?₁ идут у них ниже). В связи с этим двигатели с фазным ротором применяют только при тяжелых условиях пуска (когда необходимо развивать максимально возможный пусковой момент), при малой мощности электрической сети или при необходимости плавного регулирования частоты вращения.

Способы регулирования скорости вращения ротора вытекают из формулы:

n2=(1-S) n1=(1­S) 60 f / p

Следовательно, ее можно регулировать, изменяя частоту f питающего напряжения, число пар полюсов ри величину скольжения s. Последнее при заданных значениях момента на валу М и частоты f можно изменять путем включения в цепь добавочного активного сопро­тивления. Рассмотрим более подробно эти способы.

1. Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения осуществляют включением в цепь преобразователя частоты, к которому должен быть подключен асинхронный двигатель. На основе полупроводников созданы надежные статистические преобразователи ча­стоты. Частотный способ регулирования скорости является весьма перспективным, т. к. он обеспечивает глубокое, плавное и экономичное регулирование частоты вращения. Однако для его выполнения требуется специальный источник питания обеспечивающий U/f=const. В качестве такого источника используют синхронные генераторы с приводом от двигателя постоянного тока. В последнее время для частотного регулирования разработаны статические источники питания на транзисторах и тиристорах.

2. Регулирование путем изменения числа пар полюсовпозволяет получить ступенчатое изменение частоты вра­щения.Это экономичный и сравнительно простой способ не даёт возможность плавно регулировать скорость. Если нужно получить три или четыре скорости, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить еще две скорости. Асинхронные двигатели с переключением числа полюсов называются многоскоростными. Многоскоростные двигатели имеют следующие недостатки: большие габариты и массу по сравнению с двигателями нормального исполнения, а следовательно, и большую стоимость. Кроме того, регулирование осуществляется большими ступенями; например, при частоте 50 Гц частота вращения поля при переключениях изменяется в отношении 3000:1500:1000:750.

3. Регулирование частоты вращения изменением скольжениядостигается путем, включения в цепь ротора добавочного активного сопротивления, поэтому может быть использовано только для двигателей с фазовым ротором. При включении в цепь ротора добавочных активных сопротивлений изменяется форма механиче­ской характеристики двигателя. Поэтому в цепь этой обмотки при помощи контактных колец и щёток включают регулировочный реостат, с помощью которого плавно меняют сопротивление обмотки, скольжение и скорость двигателя. Реостат, служащий для этой цепи, называется регулирующим или пускорегулирующим.

Этот способ регулирования позволяет плавно изме­нять скорость вращения в широких пределах, поэтому он получил наибольшее распространение. Недостат­ками его являются большие потери энергии в регулировочном реостате, (при скольжении S=0,5 половина энергии, передаваемой в ротор вращающимся магнитным полем, расходуется на ненужный нагрев ротора и регулировочного реостата, кроме того, наличие колец и щёток усложняет эксплуатацию машины и резко снижает её надёжность), поэтому его используют обычно при кратковременных режимах работы двигателя (при пуске).