Самозапуск синхронных и асинхронных двигателей

Самозапуск – это процесс восстановления нормальной работы двигателей после кратковременного перерыва их питания. Самозапуск АД и СД применятся в системе электроснабжении ответственных потребителей электроэнергии, перерыв питания которых приводит к значительным ущербам предприятий или отраслей промышленности.

Самозапуск применяется на всех тепловых электростанциях различного типа в электроснабжении собственных нужд станций, в различных отраслях промышленности, особенно со сложными непрерывными технологическими процессами, таких как нефтехимическая промышленность, нефтепереработка, производство аммиака, азотных удобрений, органического синтеза.

Инициатором внедрения не только смозапуска, но и других средств повышения устойчивости работы энергосистем – автоматического регулирования и форсировки возбуждения синхронных генераторов, быстродействующих защит – в 1936 – 1940- х годах был Иван Аркадьевич Сыромятников.

Расчет самозапуска.

На рис. 6.11 представлена схема электроснабжения ответственных потребителей – асинхронных двигателей – по первой категории бесперебойности электроснабжения. В нормальном режиме каждая из групп двигателей, подключенных к шинам Ш 1 и Ш 2, получают питание раздельно от своих источников питания Е 1 и Е 2. После отказа одного из источников питания, например Е 1, и отключения выключателя В 1, группа двигателей, подключенных к Ш 1, оказываются обесточенными на время срабатывания выключателя АВР.

Рис. 16.11. Схема питания

потребителей 1-й категории

Задача расчета самозапуска – определить сколько двигателей на шинах Ш 1 можно подключить одновременно к шинам Ш 2 для их успешного самозапуска.

Задача разделяется на четыре этапа:

1 – расчет выбега двигателей за время перерыва электроснабжения;

2 – расчет остаточного напряжения на шинах двигателя к моменту включения АВР;

3 – расчет времени самозапуска;

4 – расчет дополнительного нагрева двигателя при самозапуске и сопоставление с допустимым нагревом по классу нагревостойкости изоляции.

Выбег ротора.

При отключении от сети асинхронные двигатели продолжают вращаться под действием инерционных сил, создаваемых массой роторов и приводимых механизмов.

При выбеге ротора рассчитывается: до каких величин снизились обороты двигателя и напряжение на его шинах к моменту включения выключателя АВР.

Расчет снижения оборотов.

Выполняется по уравнению (16.4), где , так как при отсутствии напряжения сети при выбеге

Для мощных двигателей можно принять, что s ₁ = s_н ≈ 0, поскольку s_н < 1%. Верхний предел интегрирования соответствует скорости за время выбега t _пер: s ₂ = s.

Если механическая характеристика приводимого механизма не зависит от скорости, т.е. то получим:

поскольку

Время определяется временем срабатывания АВР.

Если механическая характеристика приводимого механизма зависит от скорости, т.е. например, у циркуляционных насосов и вентиляторов с характеристикой сопротивления

Формула (16.12) основана на табличной формуле неопределенных интегралов

где в подынтегральной функции x = ω; a =

Решив (16.12) относительно ω ^ᶱ при остальных известных величинах, получим значение угловой скорости ω ^ᶱ за время перерыва электроснабжения.

ЭДС асинхронного двигателя при выбеге. Из схемы замещения и векторной диаграммы на рис.16.12 и 16.13 следует, что ЭДС асинхронного двигателя меньше напряжения сети . Поэтому при отключении напряжения напряжение на шинах двигателя резко изменяется до величины , что видно из осциллограммы смозапуска АД на рис. 16.17.

Далее ЭДС затухает с постоянной времени

Выбег группы двигателей. В практических схемах электроснабжения собственных нужд (СН) тепловых электростанций используются различные агрегаты – шаровые мельницы, дымососы вентиляторы, центробежные насосы, питательные насосы, компрессоры – отличающиеся механическими характеристиками и, соответственно, кривыми выбега.

Рис. 16.13. Схема замещения асинхронногодвигателя

Рис.16.13.Векторная диаграмма АД

Характер изменения напряжения на их шинах при групповом выбеге идет по разным законам. Поэтому при групповом выбеге между двигателями возникают уравнительные токи, создающие у них вращательное движение. При этом в режиме генератора оказываются двигатели, которые в индивидуальном выбеге снижают свою угловую скорость в меньшей степени, чем другие.

В упрощенных случаях расчет группового выбега производят приближенно, сводя его к индивидуальному выбегу определяя для группы из N двигателей эквивалентный момент

и эквивалентную постоянную времени

Приближенный расчет скольжения в этом случае можно выполнить при постоянстве момента сопротивления :

Избыточный момент при групповом самозапуске. Для успешного самозапуска необходимо выполнение условия:

Длительность самозапуска зависит от величины М_изб, причем при пуске значение М_эм должно быть больше М_с не менее чем на 10%, иначе самозапуск будет затяжной.

При самозапуске группы двигателей напряжение на их шинах можно определить из схемы замещения, приведенной на рис. 16.14.

Рис. 16.14. Схема замещения

Сопротивление АД:

где s – скольжение двигателя к моменту подачи напряжения после перерыва. Напряжение на шинах двигателя определяется по формуле делителя напряжения

Для успешного самозапуска необходимо сопоставить механические характеристики, построенные при включении одного, двух, трех и т.д. двигателей и эквивалентную механическую характеристику приводимого механизма, как это показано на рис. 6.15.

Исходя из сопоставления механических характеристик, делается вывод о том, сколько двигателей можно включить одновременно. Из приведенного на рис. 16.15 сопоставления механических характристик, можно сделать вывод о возможности включения одновременного трех двигателей с успешным самозапуском; при одновременном включении четырех двигателей самозапуск будет продолжительным.

Рис. 16.15. Сопоставление механических характеристик одновременно включаемых двигателей с моментом сопротивления

Использование системы Matlab в расчетах самозапуска [ 7 ]. На рис. 16.16 представлен процесс самозапуска АД мощностью 3,2 МВт напряжением 6 кВ с постоянной инерции = 2с. Приводимый механизм имеет вентиляторную характеристику с номинальным моментом сопротивления Двигатель запускается в режиме самозапуска с перерывом электроснабжения (временем срабатывния АВР) – 1,75 с.

Параметры самозапуска:

– время: 2 с;

– просадка напряжения: до 0,8 о.е.;

– кратность пускового тока: 5;

– кратность пускового момента: 2;

к моменту включения выключателя:

– значение напряжения на шинах двигателя: 0,1о.е.;

– число оборотов: 2000 об/мин;

– скольжение: 0,333.

На рис. 16.15, 16.6 представлена Matlab -модель самозапуска АД и переходные процессы при самозапуске. На осциллограмме выделен участок переходного процесса в момент отключения напряжения на шинах двигателя, соответствующий резкому изменению напряжения при отключении напряжения ссети.