Электроприводы с асинхронными короткозамкнутыми двигателями являются одними из наиболее распространенных в промышленности благодаря их надежности, простоте и экономичности. Эти двигатели широко используются в различных областях и могут быть запущены различными методами в зависимости от используемого оборудования и требуемых характеристик.
В этой статье разберем, какие существуют способы пуска электродвигателей переменного тока, в частности, самых распространенных в промышленности, асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Одним из самых простых и распространенных методов запуска является прямое включение в сеть, которое подходит для маломощных двигателей. Этот метод предполагает минимальные затраты на дополнительное оборудование, но может вызвать большие пусковые токи, что нежелательно для сети и может привести к ее перегрузке.
Для уменьшения пусковых токов и более плавного запуска двигателей применяются различные методы пуска, такие как пуск с использованием пусковых реостатов, «звезда-треугольник», или более современные методы с использованием устройств плавного пуска или частотных преобразователей.
Выбор способа пуска должен основываться на тщательном анализе характеристик нагрузки, требований к двигателю и экономических соображений. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, и правильный выбор может значительно повысить эффективность и надежность работы электропривода.
Чаще всего пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором осуществляется включением на полное или пониженное напряжение сети.
Для пуска двигателя при номинальном напряжении сети требуется только один электромагнитный пускатель, т. е. количество пусковой аппаратуры минимально.
Однако это не всегда может быть применено ввиду больших пусковых токов двигателя. Поэтому каждый раз необходимо проверять возможность пуска двигателя при номинальном напряжении.
Как определить возможность прямого пуска электродвигателя
Приближенно считают, что условия пуска будут удовлетворительными, если мощность высоковольтного двигателя в киловаттах не превосходит 3 % мощности установившегося трехфазного короткого замыкания сети в киловольт-амперах и если мощность низковольтного двигателя в киловаттах при редких пусках не более 30 %, а при частых пусках не более 20 % мощности питающего трансформатора в киловольт-амперах.
Если же двигатель получает питание от автономной электростанции соизмеримой мощности, то для обеспечения нормальных условий пуска считают, что мощность двигателя в киловаттах не должна быть более 10 - 12 % мощности генератора в киловольт-амперах.
В тех случаях, когда пуск асинхронных короткозамкнутых двигателей при номинальном напряжении невозможен, применяют пониженное напряжение, которое получают следующими способами:
1) переключением на время пуска обмотки статора двигателя со схемы «треугольник» на «звезду»;
2) включением в цепь обмотки статора реостата или реактора;
3) автотрансформаторами;
4) бесконтактными тиристорными пускателями;
5) устройствами плавного пуска (УПП)
6) частотными преобразователями.
Пуск двигателя переключением на время пуска обмотки статора двигателя со схемы «треугольник» на «звезду»
Первый способ применим в тех случаях, если двигатель предназначен для работы со схемой «треугольник». В период пуска с помощью дополнительной аппаратуры двигатель включают со схемой «звезда».
При этом к каждой фазе двигателя подводится напряжение на 1,73 меньше, чем при схеме «треугольник». Поэтому пусковые токи в сети и момент двигателя снижаются в три раза. После окончания пуска обмотка статора двигателя автоматически переключается на схему «треугольник».
Все особенности данного способа пуска двигателей рассмотрены здесь: Выбор схемы соединения фаз электродвигателя - соединение обмоток звездой и треугольником
Пуск двигателя включением в цепь обмотки статора реостата или реактора
При втором способе пуска обычно во все три фазы включают реостаты или реакторы с одинаковым сопротивлением. Поскольку у асинхронных двигателей существует квадратичная зависимость между моментом двигателя и напряжением сети, то при уменьшении пускового тока в n раз пусковой момент уменьшится в n2 раз, т. е.
Мп1 = Мп/n2,
где Mп1 — пусковой момент при включении реостатов или реакторов.
Пуск двигателя с помощью пускового автотрансформатора
Третий способ пуска состоит в том, что обмотка статора короткозамкнутого двигателя подключается к сети через пусковой автотрансформатор, понижающий напряжение до необходимой величины. Автотрансформаторы выпускаются промышленностью на вторичные напряжения, составляющие от номинального 25, 35, 45, 55, 65 и 75 %.
При снижении автотрансформатором напряжения в n раз во столько же раз уменьшается ток в обмотке статора двигателя. Пусковой момент двигателя и пусковой ток в сети при этом снижаются в n2 раз.
Таким образом, если требуется уменьшить пусковой момент в k раз, то необходимо выбирать автотрансформатор с коэффициентом трансформации корень из k. При этом пусковой ток в обмотке двигателя уменьшится в корень из k раз, а в сети — в k раз.
Способ пуска двигателя с использованием автотрансформатора на данный момент уже считается устаревшим и в новых электроустановках не применяется.
Применение бесконтактного тиристорного пускателя
Четвертый способ пуска состоит в том, что в цепь статора двигателя взамен обычного пускателя включают бесконтактный пускатель, состоящий из трех тиристоров и трех диодов (смотрите - Тиристорное управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором).
За счет изменения угла регулирования тиристоров величина напряжения изменяется бесступенчато от нуля до значения напряжения сети. При этом обеспечивается плавный пуск коротко-замкнутого асинхронного двигателя с заданным пусковым током.
Одновременно по сравнению с электромагнитными пускателями эти имеют следующие преимущества: отсутствие коммутирующих контактов, высокое быстродействие, большой срок службы, возможность большого числа включений в час и пр.
Применение устройства плавного пуска
В пятом способе вместо бесконтактного пускателя с тиристорами применяют специальное устройство плавного пуска (софт-стартер). Таки устройства появились в последние 20 лет благодаря прогрессу в области силовой электроники и техники управления.
Принцип работы устройства плавного пуска основан на управлении напряжением, подаваемым на двигатель, которое, в свою очередь, регулирует ток и крутящий момент на этапе запуска. Это достигается путем постепенного повышения напряжения на двигателе в течение заданного периода времени, что позволяет плавно разогнаться до полной скорости.
Устройства плавного пуска особенно полезны в тех случаях, когда необходимо свести к минимуму механические нагрузки и помехи в электросети.
Они обычно используются в насосных, вентиляторных и конвейерных системах, где плавное управление нарастанием и спадом оборотов помогает предотвратить гидроудары, снизить напряжение в системе и обеспечить более точное управление процессом.
Этот способ пуска двигателя подробно рассмотрен здесь: Для чего нужен плавный пуск асинхронного двигателя и здесь: Как правильно выбрать устройство плавного пуска для электродвигателя
Плавный пуск двигателя при использовании частотного преобразователя
Шестой способ возможен в случае использования в схеме привода частотного преобразователя.
Частотное регулирование скорости асинхронных короткозамкнутых двигателей является наиболее перспективным в промышленности.
Это объясняется преимуществами применения короткозамкнутых двигателей по сравнению с электродвигателями других типов, а также высокими технико-экономическими показателями этого способа регулирования.
Так как для управления двигателем применяется регулирование частоты, которую можно плавно изменять в широких пределах, то обеспечивается широкий диапазон регулирования угловой скорости.
Регулирование в данном случае осуществляется без потерь энергии скольжения ротора, поэтому способ является экономичным.
Механические характеристики в данном случае жесткие в рабочей части, поэтому обеспечивается высокая стабильность работы двигателя на заданной скорости. При частотном регулировании обычно регулируется еще и подводимое к двигателю напряжение.
Частотные преобразователи позволяют не только обеспечить плавное управление скоростью вращения двигателя, но и снизить пусковые токи, что является большим преимуществом для многих промышленных установок.
Подробно про частотные преобразователи и их использование смотрите здесь: Виды, принцип действия, схемы подключения частотных преобразователей
Не стоит путать частотные преобразователи и устройства плавного пуска, так как это совершенно разные устройства: Отличия преобразователей частоты от устройств плавного пуска двигателей
Применение специальных электродвигателей
Ввиду неудовлетворительных пусковых свойств асинхронных короткозамкнутых двигателей нормального исполнения для отдельных видов промышленных электроприводов электромашиностроительными заводами был выпущен ряд серий короткозамкнутых двигателей специального исполнения с глубоким пазом или двойной клеткой в роторе.
Такого типа двигатели за счет повышенного активного сопротивления ротора в период пуска имеют значительно больший начальный пусковой момент и меньший пусковой ток, чем двигатели обычного исполнения.
Увеличение активного сопротивления обмотки ротора с глубоким пазом обусловлено явлением вытеснения тока проводника в области, расположенные ближе к воздушному зазору.
В электродвигателях с двойной клеткой ток вытесняется во внешнюю клетку, которая имеет более высокое активное сопротивление, чем внутренняя.
Вытеснение тока в данном случае вызвано различной величиной индуктивного сопротивления проводника по его высоте в период пуска, когда частота тока ротора значительно больше, чем после завершения процесса пуска и выхода двигателя в установившийся режим работы.