7.5. Пуск в ход и регулирование частоты вращения ад

7.5.1. Способы пуска асинхронных двигателей. При пуске двигателя в ход по возможно­сти должны удовлетворяться следующие требования:

• пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковой ток – по возможности малым,

• необходимость плавного пуска,

• процесс пуска должен осуществляться без сложных пусковых устройств и др.

Практически используют следующие способы пуска АД:

• прямой пуск,

• пуск при пониженном напряжении,

• пуск с помощью реостата в цепи ротора.

7.5.2. Прямой пуск АД. Этот способ применяют для пуска АД с КЗ ротором малой и средней мощности. Обмотки статора непосредственно подключаются к сети с помощью электромагнитного выключателя – магнитного пускателя, включающего в себя контактор КМ переменного тока и два тепловых реле КК1 и КК2, смонтирован­ных в одном кожухе, кнопку пуска SB1 и кнопку останова SB2 двигателя, а также плавкие предохранители FU1-FU3, FU4 и FU5 для защиты силовой и управляющей цепей от коротких замыканий (рис. 7.13).

При включении рубильника Q и нажатии кнопки SB1 напряжение сети подается на обмотку (катуш­ку) контактора КМ, который срабатывает, замыкая свои главные контакты KM, и присоединяет АД к се­ти. Одновременно срабатывает блокировочный контакт KM1 контактора, что позволяет отпустить кнопку SB1. Для останова двигателя нажимают кнопку SB2. Цепь катушки контактора KM раз­мыкается и его контакты отключают двигатель от сети.

Двигатели этого типа проектируют таким обра­зом, что­бы кратность пускового момента α = M_п/M_н = 1–2 при мощности 0,6–100 кВт, а при мощности 100–1000 кВт α = 0,7–1.

Недостатком такого способа пуска, кроме сравните­ль­но небольшого пускового момента, является так­же большой бросок пускового тока, в 5...7 раз превышающего номинальное значение тока. При этом способе пуска отсутствует возможность регулирования частоты вращения АД.

7.5.3. Пуск при пониженном напряжении. Такой пуск применяют для ад с кз ротором большой мощности. Понижение напряжения осуществляют:

• путём переключения статорной обмотки с нормальной схемы (треугольник) на пусковую схему звезда (Y),

• посредством включения в цепь обмотки статора на период пуска добавочных активных (резисторов) или реактивных (реакторов) элементов,

• путём подключения АД к сети через понижающий трёхфазный трансформатор.

Недостатком способа пуска путём понижения напряжения является значительное уменьшение пускового момента двигателя, который пропорционален квадрату фазного напряжения сети, поэтому его можно использовать только при пуске АД без нагрузки.

7.5.4. Пуск с помощью реостата в цепи ротора. Этот способ применяют для пуска АД с фазным ротором. При включении в цепь ротора добавочного активного элемента (пускового реостата РП) с сопротивлением R_п (рис. 7.14) увеличивается критическое скольжение, равное S_кр = (R₂' + R_п' )/X_к, уменьшается пусковой ток и (при неизменном максимальном моме­нте M_max) увеличивается пусковой момент M_п, т.к. изменяется форма характеристик M = ƒ(S) и n₂ = ƒ(M) (рис. 7.15).

Номинальному моменту сопротивления М_с на валу будут соответствовать скольжения S₂, S₃ и S₄, большие, чем скольжение S₁ = S_н двигателя на естественной характеристике 1 (при R_п = 0) (рис. 7.15а). Следовательно, установившаяся частота вращения двигателя будет уменьшаться от n_2н до n₂(2), n₂(3), n₂(4) (рис. 7.15б).

Полное сопротивление пускового реостата R_п = R_п4 (при положении 4 рукоятки пускового реостата РП (см. рис. 7.14), выбирают из условия равенства пускового и максимального моментов АД: М_п = М_mах. Для этого необходимо, чтобы критическое скольжение S_кр равнялось единице, т.e.

где (R_п)' – приведенное сопротивление пускового реостата.

Пусковой реостат РП имеет обычно 3-6 ступеней, что позволяет в процессе пуска постепенно уменьшать пусковое сопротивление, поддерживая высокое значение пускового момента двигателя (рис. 7.15а). Вначале двигатель пускается по характеристике 4 (рис. 7.15б), соответствующей сопротивлению пускового реостата R_п4, и развивает вращающий момент М_п = М_mах.

По мере увеличения частоты вращения часть РП выводят. Вращающий момент М при этом мгновенно возрастает до М_mах, а затем с увеличением частоты вращения изменяется по характеристике 3, соответствующей сопротивлению реостата R_п3. При дальнейшем умень­­­шении момента часть реостата снова выключается и двигатель переходит на работу по характеристике 2, соответствующей сопротивлению пускового реостата R_п2.

Таким образом, при постепенном (ступенчатом) уменьшении сопротивления R_п момент М двигателя изменяется от М_mах до М_н, а частота вращения возрастает по ломанной кривой, показанной на рис. 7.15б, жирной линией. В конце пуска пусковой реостат полностью выводят (положение 1 рукоятки реостата РП на рис. 7.14); при этом обмотка ротора замыкается накоротко, и двигатель переходит на работу по естественной характеристике 1 (рис. 7.15б).

Недостатком данного способа пуска АД является необходимость применения более дорогих двигателей с фазным ротором, имеющим несколько худшие рабочие характеристики, чем АД с КЗ ротором (кривые η и cosφ проходят ниже (см. рис. 7.12).

В связи с этим двигатели с фазным ротором применяют только при тяжелых условиях пуска, например, при подъёме груза, когда необходимо развивать максимально возможный пусковой момент. В отдельных случаях применяют АД с КЗ ротором с улучшенными пусковыми характеристиками. К ним относятся АД с ротором с двойной беличьей клеткой или с глубоким пазом.

7.5.5. Регулирование частоты вращения и реверсирование АД. Рассмотренные способы пуска в ход АД приводят к изменению скольжения S и, соответственно, частоты вращения ротора n₂, определяемой формулой, из которой следуют ещё два принципиально возможных способа регулирования частоты вращения ротора: изменением частоты f₁ на­пряжения трёхфазной сети (частотное регулирование) и числа пар полюсов р (полюсное регулирование). В последнем случае двигатели называют многоскоростными.

При регулировании частоты вращения n₂ АД с КЗ посредством изменения частоты ƒ₁ ис­пользуют дорогостоящие тиристорные преобразователи частоты напряжения сети.

Для изменения числа пар полюсов р каждую фазу обмотки статора разделяют на 2-4 части, которые переключают с последовательного соединения на параллельное. Такое переключение даёт возможность получить ступенчатое изменение частоты вращения АД.

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; при частоте ƒ₁ = = 50 Гц и переключениях обмоток статора синхронная частота n₁ изменяется в отношении 3000 : 1500 : 1000 : 750 : 600 : 500.

Реверсирование (изменение направление вращения ротора) трёхфазных АД осуществляют путём изменения чередования фаз, для чего переключают два провода, подводящие ток из сети к двум любым фазам обмотки статора.

Вопросы для самоконтроля

1. Как происходит возбуждение в. м. п. трёхфазной системой токов?

2. Объясните принцип работы трёхфазного асинхронного двигателя.

3. Что называют скольжением в АД и каким образом оно измеряется?

4. Как зависит частота вращения в. м. п. от частоты f₁ напряжения питания сети и конструкции обмотки статора АД? Какая максимальная частота вращения ротора возможна при частоте 50 Гц напряжения сети?

5. Как осуществить изменение направления вращения ротора АД?

6. Чему равна частота ЭДС ротора, если частота напряжения сети равна 50 Гц, а скольжение составляет 1%?

7. Запишите выражения ЭДС вращающегося и неподвижного ротора.

8. Выведите выражение для тока во вращающемся роторе.

9. Начертите схему замещения фазы АД.

10. Начертите векторную диаграмму фазы АД.

11. Выведите выражение для вращающего момента АД и начертите график зависимости момента от скольжения М(S).

12. Какая часть кривой М(S) соответствует устойчивой работе АД и какая - неустойчивой?

13. Дайте определение и начертите естественную механическую характеристику АД.

14. Как влияет значение сопротивления цепи фазного ротора на пусковые свойства АД?

15. Перечислите возможные способы уменьшения пускового тока АД.

16. Перечислите возможные способы регулирования частоты вращения АД.

17. Начертите семейство механических характеристик АД с фазным ротором.

18. Начертите искусственные механические характеристики АД при частотном и полюсном регулировании частоты вращения.