Провал напряжения при пуске асинхронного двигателя

Пуск асинхронного двигателя

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:

,(3.38)

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 X₂ проводников в пазу ротора тем выше, чем ближе ко дну паза они расположены (рис.3.23). Также X₂ прямо пропорционально частоте тока ротора.

Следовательно, при пуске двигателя, когда s=1 и f₂ = f₁ = 50 Гц , индуктивное сопротивление X₂ = 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 R₂ 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.

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 Q₁.

При этом в цепь статора включены добавочные резисторы R_ДОБ. В результате обмотка статора питается пониженным напряжением U_1n = U_1НОМ – I_nR_ДОБ. После разгона двигателя замыкается выключатель Q₂ 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_ДОБI 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.

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 _Пmaх = 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.

Источник

6.Расчет провала напряжения.

Провал (снижение) напряжения определяется при прямом (непосредственном) пуске самого мощного асинхронного двигателя от самого маломощного источника электроэнергии в данном режиме.

Так например, на судне установлен грузовой насос мощностью 30 кВт и пожарный насос 20 кВт. Первый работает (запускается) когда электростанция работает в режиме «стоянка с грузовыми операциями», а второй — в режиме «Аварийный».

Режим «стоянка с грузовыми операциями» обеспечивается электроэнергией от двух работающих в параллель генераторов, а во втором режиме «Аварийный» работает только один генератор.

Отсюда вытекает, что расчет провала напряжения необходимо определять при пуске пожарного от одного генератора, а грузового насоса — от двух.

Расчет выполняют в такой последовательности.

6.1.Определяют эквивалентное индуктивное сопротивление двигателя

,

где Р_г — мощность генератора или генераторов, кВт;

Р_дв — мощность двигателя, кВт;

К- кратность пускового тока ( при отсутствии данных можно принять 5,5);

U_дв — напряжение двигателя (220 или 380В);

U_г — напряжение генератора (230 или 400В);

6.2.Определяют начальное значение напряжения генератора

,

где К₁ = ,

где — переходная э.д.с., которую с достаточной, для практики точностью независимо от предварительной нагрузки генератора, можно принять равной 1,т.е. = 1;

x’_d — предельная переходная реактивность генератора по продольной оси;

6.3.Определяют начальное значение э.д.с. холостого хода:

,

где x_d — продольная синхронная реактивность генератора по продольной оси;

sinφ_нач — определяется по cosφ_нач, который определяется как средневзвешенный данного режима без двигателя, пуск которого вводится в расчет. Например, проверяют провал напряжения, который создается при пуске грузового насоса, то cosφ_нач определяют по таблице нагрузки « стоянка с грузовыми операциями», но без учета мощности грузового насоса.

Р_нач — мощность предварительной нагрузки генератора (генераторов), т.е. суммарная мощность режима, без мощности двигателя, который вводиться в расчет провала напряжения.

6.4.Определяют установившееся напряжение генератора:

,

где К_г = .

5.5.Определяют постоянную времени обмотки возбуждения при замкнутой обмотки статора на сопротивлении:

,

где — постоянная обмотки возбуждения при разомкнутой обмотке статора.

5.6.Определяют время достижения минимального значения напряжения генератора:

-для генераторов независимого возбуждения:

,

е =2,72 основание натурального логарифма;

R- скорость нарастания напряжения возбуждения генератора;

R = 5 — для генераторов независимого возбуждения;

R = 20 — для генераторов с самовозбуждением;

t₁ — время срабатывания АРН (для РУН t₁ = 0,05c.)

— для генераторов с самовозбуждением:

,

6.7. Минимальная величина возбуждения

— для генератора независимого возбуждения:

,

— для генераторов самовозбуждением:

,

6.8 Максимальный провал напряжения:

При расчете пуска двигателя без учета предварительной нагрузки генератора провал напряжения будет больше.

6.9.При пуске двигателя от нескольких однотипных генераторов, работающих в параллель при определении эквивалентного индуктивного сопротивления двигателя (см. пункт 5.1) необходимо в формулу ввести:

где ∑Р_ген— сумма мощности всех генераторов, работающих в расчетном режиме.

В пункте 6.3 в этом случае Р_ном = ∑Р_ген.

7.Разработка принципиальной схемы главного распределительного щита (ГРЩ) судовой электростанции.

При разработке принципиальной схемы ГРЩ студенту необходимо обратить внимание на следующие основные положения:

7.1.Схему необходимо выполнить разнесенным способом изображения всех входящих в нее элементов.

7.2.В качестве защитных автоматов генераторных фидеров могут применяться автоматы серий ABM, AC, AM, A3700 и другие, с электромагнитными, электродвигательными или ручными приводами. Неподвижные контакты автоматов с электромагнитными или электродвигательными приводами соединяют с шинами щита, а при применении автоматов с ручным приводом между шинами и контактами автомата устанавливают контакторы.

Желательно, чтобы автоматы имели селективную пристройку с регулируемой выдержкой времени. Автоматы должны обеспечивать защиту, как от коротких замыканий, так и от перегрузок. Управление электроприводами автоматов должно быть автоматическое, дистанционное и ручное. Дистанционное должно предусматриваться как из рулевой рубки, так и из центрального поста управления.

7.3.При раздельной работе генераторов необходимо предусмотреть блокировку, исключающую включение генератора, когда на шинах есть напряжение от других генераторов и от станций питания с берега.

7.4.На каждой генераторной панели должны устанавливаться, как минимум следующие аппараты и приборы:

а) При параллельной работе генераторов.

— блок управления генератором;

— кнопки или переключатель с самовозвратом для управления серводвигателем дизеля;

-при мощности генераторов свыше 100 кВт желательно устанавливать устройство автоматической синхронизации, устройство вывода генератора в резерв при снижении нагрузки и ввода в работу при увеличении нагрузки;

— реле обратной мощности, сигнал от которого подается на отключающий расцепитель автомата;

— вольтметр со шкалой (0. 120)% от U_ном;

— амперметр со шкалой (-15. 0. 130)% отI_ном;

— ваттметр (киловаттметр) со шкалой (-15. ..0. 130)% от Р_ном;

— частотомер со шкалой (45. 55) Гц;

— сигнальные лампы включенного генератора и возбужденного генератора, но не включенного на шины.

Вольтметр и частотомер могут иметь один переключатель, с помощью которого эти приборы можно включить между любыми двумя фазами. Переключатель амперметра должен иметь схему замыкания, позволяющую замерять ток в любой из 3-х фаз.

б) При раздельной работе генераторов:

— вольтметр со шкалой (0. 120)% от U_ном;

— частотомер со шкалой (45. 55) Гц;

— амперметр со шкалой (0. 130) % I_ном;

— сигнальные лампы включенного генератора и возбужденного, но не включенного.

Переключатель амперметра должен иметь такую схему, чтобы при переключении амперметра из

одной фазы в другую сперва замыкались оба трансформатора тока накоротко, затем переключался амперметр, а после того замыкались клеммы подключаемого трансформатора.

7.5.От шин распределительных панелей должны получать питание ответственные потребители судна:

В каждом фидере потребителей должен устанавливаться защитный автомат из серии A3100, АЗЗОО, АК-50, АК-63 и т.п. ( автоматы АП-50 могут устанавливаться только на судах класса О, Р, Л по Речному Регистру, так как не имеют одобрения Морского Регистра).

В фидерах, питающих относительно мощные потребители, обычно устанавливают трансформаторы тока в одной фазе, к которым с помощью переключателя подключается один общий амперметр для периодического контроля тока нагрузки. Так ми потребителями являются пожарные насосы, грузоподъемные приводы, грузовые насосы танкеров, брашпиль, рулевой привод и т.п. Если на судне таких потребителей много, то устанавливают несколько амперметров, обычно один амперметр подключается к (4. 5) трансформаторам тока.

7.6. Обычно, на распределительной панели устанавливают прибор непрерывного контроля сопротивления изоляции.

7.7. В щите, как правило, устанавливают несколько ламп освещения внутреннего пространства, а также лицевых панелей, которые подключаются непосредственно к щитам через предохранитель, но без выключателей.

7.8. На ГРЩ должен быть обязательно фидер питания с берега с защитным автоматом и сигнальной лампой наличия напряжения или вольтметром.

В конце методического пособия приведены параметры широко используемых автоматов защиты.

Источник