Пусковые режимы асинхронных электродвигателей

Момент начала питания электродвигателя напряжением сети сопровождается высоким пусковым током. Поэтому, если участок линии электропередачи относительно слаб, фиксируется снижение напряжения, что оказывает влияние на работу рецептора. Падение напряжения  может достигать значительных величин, что также сказывается на функциональности систем освещения. Исключить подобные явления призваны отраслевые правила, которыми запрещается пуск электродвигателей в режиме непосредственного старта, если оборудование выходит за пределы заданной мощности. Следует применять такие пусковые режимы электродвигателей, при которых питающая сеть и периферийное оборудование не испытывают дестабилизации в работе.

Пусковые режимы электрических моторов

Существуют и применяются на практике разные пусковые режимы асинхронных электродвигателей. Каждый имеет свои плюсы и минусы в зависимости от технических характеристик моторов и нагрузки.

Выбор конкретного режима пуска определяется электрическими, механическими, экономическими факторами. Вид управляемой нагрузки, также является важным фактором выбора режима запуска. Рассмотрим наиболее часто практикуемые варианты пусков.

Пусковые режимы свободно вращающегося мотора

Этот режим пуска асинхронного электродвигателя видится самым простым из всех существующих схем. Здесь статор мотора напрямую подключается к источнику питания. Электродвигатель стартует в соответствии с определённой для него характеристикой.

Когда имеет место момент включения, электрический мотор, в данном случае, работает подобно вторичной обмотке трансформатора. Пусковые режимы здесь характеризуются короткозамкнутым ротором, имеющим крайне малое сопротивление.

На роторе формируется высокий индуцированный ток, превышающий в 5-8 раз номинальный параметр, за счёт чего возрастает пиковый ток в сети питания. Среднее значение пускового момента при этом составляет 0,5-1,5 от номинала.

Несмотря на явные преимущества (простая схема, высокий пусковой момент, быстрый старт, экономия), режим прямого пуска асинхронных моторов видится разумным лишь в следующих обстоятельствах:

• мощность электродвигателя низка по сравнению с мощностью сети и не создаёт помехи от пускового тока;
• привод не нуждается в плавном разгоне или имеет демпфирующее устройство, ограничивающее удар при запуске,
• пусковой момент не влияет на работу ведомой машины или нагрузку, приводимую в движение.

Пусковые режимы переключением «звезда-треугольник»

Вариант с переключением схемы обмоток применим только на электродвигателях, где начальные и конечные проводники всех трёх обмоток статора выведены на клеммы БРНО. Кроме того, обмотка мотора должна иметь исполнение, когда соединение треугольником соответствует сетевому напряжению.

Например, для 3-фазной линейной сети 380В подойдёт электродвигатель с параметрами обмотки 380В – «треугольник» и 660В —  «звезда». Принцип на пусковые режимы асинхронного электродвигателя для этого варианта — старт мотора звездообразным подключением обмотки к сетевому трёхфазному напряжению. Здесь теоретически номинальное напряжение «звезды» электродвигателя делится на корень квадратный из 3 (380В = 660В / √3). Пик пускового тока также делится на 3 и составит:

ПТ = 1,5 — 2,6 НТ (номинальный ток)

Электродвигатель с обмоткой под напряжения 380В / 660В, под номинальное напряжение 660В, потребляет меньше тока в 3,3 раза, чем на соединении «треугольник» при напряжении 380В. В режиме соединения «звездой» при напряжении 380В, ток вновь делится на √3, учитывая наличие 3 фаз. Поскольку пусковой момент (ПМ) пропорционален квадратуре значения питающего напряжения, значение ПМ также делится на 3 и составит:

ПМ = 0.2 — 0.5 НПМ (номинальный пусковой момент)

Скорость электродвигателя стабилизируется при балансировке и резистивных крутящих моментах, как правило, на уровне 75-85% от номинальной скорости. Затем обмотки соединяются «треугольником», после чего электродвигатель восстанавливает рабочие характеристики.

Переход от соединения «звезда» на соединение «треугольник», как правило, контролируется таймером. Контактор «треугольника» закрывается спустя 30-50 миллисекунд после открытия контактора «звезды». Этой последовательностью предотвращается короткое замыкание между фазами.

Течение тока через обмотки нарушается, когда контактор «звезды» открывается и восстанавливается вновь, когда закрывается контактор «треугольника». В этот момент (сдвиг на «треугольник») формируется короткий, но сильный переходный пик тока по причине противоэлектродвижущей силы электродвигателя.

Каким моторам нужен пуск «звезда – треугольник»?

Пусковые режимы «звезда – треугольник» подходят для машин с низким резистивным крутящим моментом или когда старт выполняется без подключенной нагрузки. Для ограничения переходных явлений выше определенного уровня мощности, могут потребоваться дополнительные меры. Например, 1-2-секундная задержка на сдвиг от «звезды» к «треугольнику».

Применение такой задержки по времени способствует ослаблению противоэлектродвижущей силы. Следовательно, уменьшается пиковая составляющая переходного тока. Однако задержка рекомендуется только в том случае, когда машина имеет достаточную инерцию. Иначе время задержки значительного снижает скорость вращения. Также применим другой вариант – трёхступенчатый, где выполняется последовательность:

1. Соединение «звезда-треугольник».
2. Подключение сопротивления.
3. Соединение «треугольник».

Разрыв по-прежнему имеет место, но резистор, включенный последовательно с обмотками подключенными «треугольником» в течение примерно трех секунд понижает переходный ток. Так предотвращается нарушение течения тока и образование переходных негативных явлений.

Пусковые режимы с питанием части обмотки

Подобный вариант режима пуска асинхронного электродвигателя — редкость для России и Европы. Эта схема на пусковые режимы электродвигателей распространена в США (для моторов напряжением 230/460В).

Такие двигатели имеют обмотку статора, разделенную на две параллельные обмотки, с выводом шести или двенадцати концевых проводников. Этот вариант, по сути, эквивалентен двум «половинным моторам» равной мощности.

В режиме запуска один «половинный двигатель» подключается непосредственно к полному напряжению сети. Пусковой ток и крутящий момент делятся примерно на два. Крутящий момент, однако, существенно больше, чем для электродвигателя с короткозамкнутым ротором равной мощности в режиме пуска «звезда-треугольник».

Конечным этапом режима пуска становится подключение к сети второй обмотки. В этот момент, текущий пиковый ток отмечается низким уровнем и протекает кратковременно, потому что электродвигатель не отключается от сети и уже частично раскручен.

Резистивно-статорные пусковые режимы моторов

Применение резистивно-статорного режима пуска электродвигателя отмечается пониженным напряжением. Причина понижения —  резисторы, включенные последовательно с обмотками статора.

Когда скорость вращения ротора стабилизируется, резисторы отключаются, а статор электродвигателя подключается непосредственно к сети. Как правило, схема выстроена с участием таймера.

Этот режим пуска асинхронных электродвигателей не изменяет соединения статорных обмоток. Поэтому не требуется, чтобы на клеммы колодки БРНО выводились все концевые проводники обмотки.

Значение сопротивления рассчитывается в соответствии с максимальным пиковым током при пуске. Или же с учётом минимального тока, необходимого для крутящего момента привода машины. Значения пускового тока и крутящего момента следующие:

ПТ = 4.5 НТ

ПМ = 0,75 НПМ

На этапе ускорения с резисторами, приложенное на клеммах электродвигателя напряжение не является полным, а равно разнице, полученной от величины напряжения сети, минус падение напряжения на сопротивлении.

Падение напряжения пропорционально току потребления электродвигателя. Поскольку ток снижается по мере ускорения вращения ротора мотора, то же самое происходит и при падении напряжения на сопротивлении.

Поэтому напряжение, приложенное на клеммы асинхронного электродвигателя, находится на самом низком уровне при запуске, а затем постепенно увеличивается.

Поскольку крутящий момент пропорционален квадрату напряжения на клеммах мотора, этот момент увеличивается быстрее, чем при пуске в режиме «звезда-треугольник», где напряжение остается постоянным на всём протяжении времени, пока действует подключение «звездой».

Таким образом, резистивно-статорный режим пуска подходит для машин с резистивным крутящим моментом, который увеличивается с набором скорости. Такой пуск оптимален для оборудования, подобного вентиляторам и центробежным насосам.

Однако есть недостаток — довольно высокий пиковый ток на запуске. Снижение тока возможно увеличением сопротивления. Но увеличение значения сопротивления грозит падением напряжения на клеммах электродвигателя и, как следствие, приводит к резкому снижению пускового момента.

Пусковые режимы автотрансформаторного хода

Режим автотрансформаторного пуска асинхронного электродвигателя характерен способом питания. На мотор подводится пониженное напряжение, благодаря автотрансформатору.

По завершению процесса старта автотрансформатор отключается. Пуск выполняется в три этапа:

1. Автотрансформатор подключается к обмоткам мотора, соединённым «звездой». Понижение напряжения регулируется коэффициентом трансформации путём автоматического выбора оптимального отношения.
2. Режим «звезды» остаётся активным до перехода на полное напряжение. Питание осуществляется через часть катушки индуктивности, соединённой последовательно с обмоткой электродвигателя. Операция продолжается до набора оптимальной скорости вращения.
3. Полное соединение. На эту часть процесса отводятся миллисекунды. Часть обмотки автотрансформатора, последовательно включенной с двигателем, замыкается накоротко, после чего автотрансформатор отключается.

Пусковой процесс проходит без фактора разрыва прохождения тока в обмотках электродвигателя. Поэтому переходные явления по причине разрывов отсутствуют.

Между тем если не соблюдать определённые меры предосторожности, подобные явления переходного процесса могут появляться при подключении полного напряжения.

Этот дефект обусловлен высоким значением индуктивности, включенной последовательно с двигателем, по сравнению с режимом работы мотора на всём протяжении времени подключения «звездой».

Отмечается резкое падение напряжения, чем вызывается высокий рост переходного тока при подключении полного напряжения. Чтобы преодолеть этот недостаток, магнитная цепь автотрансформатора выполняется с воздушным зазором.

Наличие такого зазора способствует снижению значения индуктивности. Это значение рассчитывается для предотвращения изменения напряжения на клеммах электродвигателя, когда осуществляется переход на второй шаг процесса пуска.

Воздушный зазор вызывает увеличение тока намагничивания катушки автотрансформатора. Ток намагничивания увеличивает пусковой ток электросети при включении автотрансформатора.

Автотрансформаторный режим пуска обычно используется при эксплуатации двигателей мощностью более 150 кВт. Подобные схемы считаются экономически невыгодными по причине высокой стоимости автотрансформатора.

Режим пуска асинхронных двигателей с фазным ротором

Нельзя запускать асинхронный электродвигатель с фазным ротором сразу после короткого замыкания роторных обмоток. Этот метод приводит к появлению предельных пиковых токов.

Необходимо использовать резисторы в цепях питания ротора. Замыкать роторные обмотки следует постепенно, по мере набора статором полного сетевого напряжения. Сопротивление на каждой фазе необходимо рассчитывать с учётом точного определения кривой крутящего момента.

На практике расчётное сопротивление полностью включается при запуске и замыкается накоротко только при достижении ротором полной скорости вращения.

Режим пуска электродвигателя с фазным ротором является лучшим выбором для всех случаев, когда пиковые токи машин должны быть низкими, а запуск осуществляется при полной нагрузке.

Такой пуск обладает чрезвычайно плавным ходом, так как достаточно легко регулировать количество и форму кривых, представляющих собой последовательные шаги по механическим и электрическим требованиям (резистивный крутящий момент, значение ускорения, максимальный пик тока и т. д.).

 

Режим плавного пуска: «запуск с замедлением»

Один из эффективных стартовых режимов, подходящих для плавного пуска и останова электродвигателя. Применяется с целью ограничение тока, регулировки крутящего момента. Контроль по ограничению тока устанавливается на максимум (кратность 3-4 от номинала) при пуске, чем снижается характеристика крутящего момента.

Этот способ удачно подходит для центробежных насосов, вентиляторов и т.п. Регулирование с помощью настройки крутящего момента оптимизирует крутящие моменты в процессе пуска и снижает пусковой ток.

Такой режим оптимально подходит для машин с постоянным крутящим моментом. Этим режимом поддерживается много разных вариаций:

• симплексная работа,
• дуплексная работа,
• шунтирование устройства в конце пуска,
• запуск и замедление каскадных двигателей.

Пусковые режимы с преобразователем частоты

Современная эффективная пусковая система, применимая для использования, когда необходимо контролировать и настраивать в широком диапазоне скорость вращения вала мотора. Поддерживаются условия:

• пуск с высокими инерционными нагрузками;
• пуск с высокой нагрузкой, распределением мощности и с низкой ёмкостью короткого замыкания;
• оптимизация потребления электроэнергии;
• адаптация к скоростям вращения агрегатов.

Этот режим пуска асинхронных электродвигателей допустимо использовать на всех типах электрических машин. Однако подобные решения в основном используются для регулировки скорости вала электродвигателя, начиная с пусков второстепенного назначения.

Техника плавного старта мотора на видео

Как плавно запускать асинхронный мотор? Методика и возможные пусковые режимы показаны на видеоролике. Смотрите ниже познавательный видео-материал, который должен стать полезным уроком потенциального электрика.

---

При помощи материалов: Schneider-electric