Асинхронные двигатели с КЗ ротором является наиболее простым, дешевым и одним из самых надёжных типов ЭД, следовательно, в промышленности находят наиболее широкое применение.
При пуске в начальный момент АД обеспечивает достаточно большое значение момента. Для ЭП малой мощности к тому же не обладают большими пусковыми токами, следовательно, в АД с КЗ ротором малой мощности используют прямой пуск.
В ЭП средней и большой мощности задача пуска несколько сложнее. Это связано с тем, что электромагнитный момент выражается зависимостью:
, (36)
где - конструктивная электромагнитная постоянная двигателя, которая зависит от числа пар полюсов двигателя и способов наматывания статорной и роторной обмотки;
- основной магнитный поток;
- ток в роторе;
- угол сдвига фаз между ЭДС и током ротора.
При этом, в уравнении (36) не учитывается влияние на магнитный поток скорости и угла поворота ротора.
Уравнение (36) можно проиллюстрировать следующей векторной диаграммой (рис. 48).
Рис.48 Векторная диаграмма
|
|
Сдвиг фаз между ЭДС и током определяется активным и индуктивным сопротивлением обмотки ротора. При этом известно, что это соотношение изменяется при изменении скорости вращения ротора. И, в частности, при неподвижном роторе, фазовый сдвиг между ЭДС ротора и током ротора будет наибольшим (предельным для двигательного режима), т.е. скольжение , .
Величина индуктивного сопротивления будет наибольшей. Будет иметь место эффект вытеснения тока , следовательно, уменьшается эффективное сечение проводника и увеличится индуктивное сопротивление. В результате чего , что приведёт к понижению пускового момента. Кроме того, при неподвижном роторе относительная скорость пересечения силовыми линиями магнитного поля витков ротора также будет наибольшей.
ЭДС в обмотке ротора:
,
где - скорость изменения магнитного потока.
Величина пускового тока , что может привести к перегреву двигателя.
При запуске АД в ЭП средней и большой мощности основными задачами являются:
1) ограничение пускового тока (снижение броска тока );
2) увеличение пускового момента .
Если внимательно изучить уравнение (32), но нетрудно убедиться, что 1-ая задача может быть решена введением активного в цепь ротора, что позволяет:
а) снизить ;
б) увеличить составляющую , и, как следствие, увеличить пусковой момент.
Этот способ может быть применен только для двигателя с фазным ротором. При этом пусковые характеристики представляют собой семейство реостатных характеристик, где число ступеней чаще всего известно заранее.
Последовательность реостатного пуска
Рассмотрим последовательность реостатного пуска на рис. 49.
|
|
Рис.49 Семейство пусковых реостатных характеристик АД
На рис.49:
- «пиковый» момент, при котором начинается работа на новой механической характеристике (т.3, 5, 7, 9);
- момент переключения, при котором происходит переход на новую механическую характеристику (т.2, 4, 6, 8).
В момент подключения статорной обмотки к питающей сети ступенчатое добавочное сопротивление введено в цепь ротора полностью (т.1.). По мере разгона ротора угловая скорость возрастает, а относительная скорость перемещения силовых линий магнитного поля относительно роторной обмотки уменьшатся, следовательно, ЭДС и ток якоря и уменьшаются. Поэтому уменьшается и момент .
Для поддержания дальнейшего разгона двигателя отключают одну ступень (в т.2.), после чего характеристика переходит в точку 3. Далее разгон по 2-ой характеристике до т.4. После чего отключается следующая ступень, рабочая точка переходит в т. 5, и т.д. Разгон заканчивается на естественной характеристике в т. , при номинальных значениях скорости и момента .
В процессе разгона вращающий момент должен находиться в пределах:
Пуск может быть:
- форсированным (повышенные требования к длительности процесса запуска), и , смещены вправо;
- нормальным (повышенные требования к термическому состоянию двигателя), и смещены влево.
Двигатель с КЗ ротором в зависимости от мощности и перечисленных требований к процессу запуска может быть запущен следующими далее методами.
1. Переключение со звезды в треугольник. При пуске статорная обмотка соединяется в звезду (пусковой ток уменьшается в 3 раза). При работе - соединяется в треугольник. Этот способ практически не обеспечивает увеличение момента при пуске.
2. Реакторный пуск заключается в том, что на время пуска в цепь статора вводиться токоограничивающие реакторы.
3. Автотрансформаторный: в цепь статора вводится трехфазный автотрансформатор. Запуск начинается при минимальном напряжении статорной обмотки, а заканчивается при номинальном.
Однако, в настоящее время наиболее эффективным способом запуска АД с КЗ ротором является частотный запуск.
Для этого в цепь статора включается частотный преобразователь. Пуск начинается при минимальной частоте. Это позволяет уменьшить пусковой ток и повысить пусковой момент (см. семейство частотных характеристик). Одновременно с частотой изменяют напряжение.
Рис.50 Схема частотного пуска
Рис.51 Семейство пусковых характеристик АД при изменении частоты
Минимизация пусковых токов реализуется за счёт уменьшения действующего значения напряжения в начале пуска. Однако, при этом уменьшается также и пусковой момент. В то же время известно, что пусковой момент тем больше, чем меньше частота питающего напряжения. Таком образом, уменьшение пускового момента, при уменьшении напряжения, компенсируется уменьшением частоты.
По мере разгона двигателя ступенчато уменьшают частоту и напряжение ротора . Пуск заканчивается на естественной механической характеристике (рабочая точка ), при скорости и моменте .
При этом, плавность процесса пуска обеспечивается равенством пусковых моментов и моментов переключения на всех ступенях пуска (, ).
Форсированный или нормальный пуск обеспечивается начальным значением частоты и за счёт изменения шага частоты. Чем меньше начальное значение частоты, тем больше пиковый момент.