Как осуществляется асинхронный пуск и остановка синхронного двигателя

30. Асинхронный пуск и остановка синх­ронного двигателя. К.П.Д. Синхронного двигателя.

Синхронный двигатель не может быть запущен простым включением в сеть, поскольку его вращающий момент при пуске равен нулю. Это можно объяснить следующим обра­зом. Пусть в момент включения двигателя направление пи­тающего тока в обмотках статора соответствует рис. 9.6, а. В этот момент на неподвижный ротор будет действовать пара сил F, стремящихся повернуть его по часовой стрелке. Че­рез полпериода направление тока в обмотках статора изме­нится на противоположное (рис. 9.6, б). Так как ротор в силу своей инерции за это очень короткое время практичес­ки остается на месте, то на него теперь будет действовать такая же пара сил F₁, стремящаяся повернуть ротор в обрат­ную сторону. Таким образом, при непосредственном вклю­чении синхронного двигателя в сеть его ротор не сдвинется с места. Как уже говорилось в предыдущем разделе, за полпе­риода переменного тока ротор должен повернуться к следу­ющему полюсу статора (при одной паре полюсов обмотки статора — на пол-оборота), и, следовательно, для этого его надо тем или иным способом разогнать до скорости вращения, близкой к синхронной. Таким образом, характерной особен­ностью синхронного двигателя является необходимость пред­варительного разгона ротора.

В прошлом для раскручивания ненагруженного синхрон­ного двигателя применялся специальный разгонный асинх­ронный двигатель небольшой мощности. Сначала ротор раз­гонялся до скорости, близкой к синхронной, потом включа­лась обмотка возбуждения, а затем обмотки статора вклю­чались в сеть и синхронный двигатель синхронизировался с сетью как генератор при включении на параллельную ра­боту.

В настоящее время синхронные двигатели запускают с помощью асинхронного пуска. Для этого применяется спе­циальная конструкция ротора. В полюсных наконечниках ротора укладываются металлические стержни, соединенные с боков кольцами. Получается дополнительная (пусковая) об­мотка, подобная «беличьему колесу» асинхронного двигате­ля. При пуске такого двигателя обмотку возбуждения зако­рачивают через активное сопротивление, превышающее ак­тивное сопротивление обмотки возбуждения в 10-15 раз, а обмотку статора включают в сеть (в случае двигателей боль­шой мощности через пусковой автотрансформатор или через индуктивные сопротивления). При этом ротор начинает раз­гоняться так же, как и ротор асинхронного двигателя. После того, как он достигнет наибольшей возможной скорости вра­щения (примерно 95 % синхронной), обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Двигатель авто­матически входит в синхронизм, а дополнительная обмотка в полюсных наконечниках как бы автоматически отключа­ется, поскольку при синхронной скорости вращения поля и ротора ЭДС в ней равна нулю. Для получения большого пус­кового момента пусковую обмотку (стержни в полюсных на­конечниках) изготовляют с большим активным сопротивле­нием. Закорачивание обмотки возбуждения при асинхрон­ном пуске синхронного двигателя необходимо потому, что вращающееся поле может индуцировать в разомкнутой об­мотке возбуждения значительную ЭДС, которая может про­бить ее изоляцию. Нельзя также замыкать обмотку возбуж­дения накоротко, так как в ней возникает значительный од­нофазный ток, который будет тормозить ротор по достиже­нии им половины синхронной скорости вращения.

Для остановки синхронного двигателя сначала уменьша­ют ток возбуждения до значения, соответствующего мини­мальному току обмоток статора, затем отключают статор и лишь после этого размыкают цепь возбуждения. Несоблюде­ние такого порядка (например, отключение обмотки возбуж­дения раньше отключения обмоток статора) приведет к чрез­мерному увеличению тока в обмотке статора и к опасным для целости изоляции перенапряжениям в разомкнутой об­мотке возбуждения.

Достоинством синхронного двигателя является строго по­стоянная скорость вращения, а недостатком — необходимость применения вспомогательных автоматических устройств для пуска и остановки двигателя.

Рабочими характеристиками синхронного двигателя явля­ются зависимости потребляемой мощности Р1, потребляемого тока I1,вращающего момента М , соs фи и к.п.д. от полезной мощности нагрузки Р2. Они изображены на рис. 9.7 и соот­ветствуют случаю, когда на холостом ходу соs фи = 1.

При постоянном токе возбуждения увеличение нагрузки на валу двигателя вызывает уменьшение соs фи, что объясня­ется увеличением реактивного падения напряжения при возрастании потребляемого от сети тока I1 Коэффициент полезного действия k с увеличением нагрузки быстро увели­чивается и достигает максимума, когда не зависящие от на­грузки механические потери и потери в стали становятся равными зависящим от нагрузки потерям в меди обмоток.

Дальнейшее увеличение нагрузки снижает к.п.д. Потреб­ляемый статором ток I₁ на холостом ходу мал и при соs фи = 1. При увеличении нагрузки ток I1 возрастает практически про­порционально нагрузке. Вращающий момент М, развиваемый двигателем, на холостом ходу мал, поскольку механические потери невелики. При увеличении нагрузки, благодаря посто­янству скорости вращения синхронного двигателя, вращаю­щий момент возрастает почти линейно. Потребляемая двига­телем мощность Р1 растет быстрее, чем полезная Р₂, так как при увеличении нагрузки сказывается увеличение электри­ческих потерь в двигателе, которые пропорциональны квадра­ту тока.

К. п д. синхронных машин определяют : к=Р2/Р1, где Р2,Р1- полезная и потребляемая мощность. Т.е. так же, как для машин постоянного тока.

К п. д. синхронных машин небольшой мощности составляет 85—90%, а мощных — до 99%

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Пуск синхронного двигателя , а также его остановка производятся одним командным импульсом, воздействующим на линейный выключатель или контактор. Импульс может быть подан ключом со станции управления, командоаппаратом со щита или с поста управления, установленного вне станции, либо каким-нибудь автоматическим реле или устройством. [2]

Пуск синхронного двигателя возможен лишь при условии, что предварительно будет произведен разгон ротора до скорости, равной синхронной или близкой к ней. Это может быть сделано, например, при помощи какого-либо постороннего двигателя. Теперь такие вспомогательные разгонные двигатели мало применяются, так как они удорожают установку с синхронным двигателем и увеличивают ее габариты. [4]

Пуск синхронных двигателей , применяемых в буровых установках, осуществляется прямым включением статора двигателя в сеть с глухоподключенным возбудителем. [6]

Пуск синхронного двигателя производится прямым включением в сеть, для чего на его роторе, кроме обмотки возбуждения, помещена корогкозамкну-тая обмотка, как у асинхронного двигателя. Эта обмотка называется пусковой. Для синхронного электродвигателя шаровой мельницы применяется выносной возбудитель, присоединенный к ротору через добавочное сопротивление, равное 5 — 10-кратному сопротивлению обмотки ротора. [7]

Пуск синхронных двигателей с постоянными магнитами обычно производится непосредственным включением в сеть. При питании двигателя от однофазной сети в цепь одной фазы включается конденсатор, необходимый для получения вращающегося магнитного поля. [9]

Пуск синхронных двигателей с постоянными магнитами обычно производят непосредственным включением в сеть. Разгон двигателя осуществляется за счет асинхронного вращающего момента / Иас, возникающего в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля с током в пусковой обмотке ротора ( асинхронный пуск-см. При питании двигателя от однофазной сети в цепь одной фазы включают конденсатор, необходимый для получения вращающегося магнитного поля. [11]

Пуск синхронного двигателя осуществляется со шкафа — ключом управления или дистанционно — нажатием кнопки пуска с внешнего пульта управления, воздействуя на электромагнит включения масляного выключателя В. Остановка синхронного электродвигателя осуществляется ключом управления, дистанционно — нажатием кнопки останова или от действия защит, воздействующих на электромагнит отключения масляного выключателя В. При отключении двигателя ключом управления, дистанционно или от действия защит ( кроме защиты от короткого замыкания) отключается выключатель В, преобразователь переводится в инверторный режим и происходит форсированное гашение поля ротора. По окончании гашения поля импульсы управления перестают поступать в преобразователь. При срабатывании защиты от короткого замыкания импульсы управления снимаются без предварительного перехода в инверторный режим. [12]

Пуск синхронного двигателя представляет собой переходный электромеханический процесс и полностью описывается системой уравнений Парка — Горева. Так как скорость вращения ротора синхронного двигателя при пуске переменна и неизвестна, то эти уравнения являются нелинейными и могут быть решены только численными методами или на аналоговых вычислительных машинах. [13]

Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного асинхронного двигателя. Однако этот способ ввиду его сложности и высокой стоимости используется очень редко. [15]

Пуск и торможение синхронных электродвигателей

В отличие от асинхронных синхронные двигатели при включении в сеть не создают пускового момента, так как ротор двигателя по причине своей инерционности не может мгновенно достичь синхронной скорости вращения. Поэтому при пуске синхронного двигателя между полюсами возбужденного неподвижного ротора и вращающимся полем статора не появляется устойчивой магнитной связи, необходимой для возникновения пускового момента.

Для пуска синхронного двигателя необходимо предварительно привести его ротор во вращение до скорости, близкой (95%) к синхронной. Существует два способа пуска синхронных двигателей.

Синхронный пуск осуществляется с помощью дополнительного разгонного двигателя, находящегося на одном валу с ротором СД, который заставляет ротор вращаться. Этот способ используется только при холостом ходе синхронного двигателя и в настоящее время почти не применяется.

Наиболее удобен асинхронный пуск синхронных электродвигателей. Для этого при явнополюсном роторе в полюсные наконечники закладывается короткозамкнутая пусковая обмотка из медных или латунных стержней. Она напоминает беличье колесо асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора.

Асинхронный пуск двигателя состоит из двух этапов: асинхронный набор частоты вращения при отсутствии возбуждения постоянным током и втягивание в синхронизм после включения постоянного тока возбуждения. Во время первого этапа обмотку возбуждения отключают от источника постоянного тока и замыкают на резистор сопротивлением в 6. 10 раз выше сопротивления обмотки возбуждения. Это необходимо в связи с тем, что в разомкнутой обмотке может индуктироваться значительная ЭДС, опасная для целостности изоляции. Двигатель становится как бы асинхронным (см. раздел 1.3), и под действием асинхронного момента скорость ротора удается довести примерно до 95% синхронной. После того, как ротор разогнался, обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Возникает синхронный электромагнитный момент, машина втягивается в синхронизм, т.е. ротор и поле статора вращаются синхронно [6, 8 — 11].

Торможение синхронного двигателя возможно переводом его в генераторный режим с применением динамического торможения. В этом случае обмотку статора двигателя отключают от сети и замыкают на резисторы. Ротор, вращаясь по инерции, своим магнитным потоком индуцирует в обмотке статора ЭДС. Так как эта обмотка замкнута, то в ней появляются токи, величина которых ограничивается сопротивлением резисторов. Возникающий при этом на роторе электромагнитный момент, как и в любом генераторе, является тормозящим и способствует быстрой остановке ротора [9].

Пуск синхронного двигателя

Пуск синхронного двигателя прямым включением в сеть невозможен, так как ротор, удерживаемый силами инерции вращающихся частей, не может быть сразу увлечен магнит ным полем статора, синхронная частота которого устанавливается после включения статора в сеть.

Пуск синхронного двигателя возможен лишь при условии предварительного разгона до частоты, равной синхронной или близкой к ней. Для синхронных двигателей обычно применяется асинхронный пуск в ход, когда в начале пуска двигатель разгоняется как асинхронный. Для этого на роторе размещается пусковая обмотка. Она представляет собой латунные или бронзовые стержни, уложенные в пазы на поверхности полюсных наконечников ротора и замкнутые между собой с двух сторон.

Схема включения двигателя при этом способе пуска приведена на рисунке 5.15, а.

Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях пусковой клетки ЭД С, которые создают токи /₂. Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает появление на стержнях пусковой клетки электромагнитных сил F_M. Под действием этих сил ротор приводится во вращение (рис. 5.15, б).

Рис. 5.15. Асинхронный пуск синхронного двигателя

В процессе пуска перед включением статора двигателя в трехфазную сеть обмотка возбуждения, т. е. обмотка ротора, замыкается на сопротивление (постоянный ток в эту обмотку пока не подается). Если этого не сделать, то вращающееся магнитное поле статора, пересекая витки обмотки возбуждения ротора, будет индуцировать в ней значительную ЭДС, что представляет опасность для обслуживающего персонала и сохранения целостности изоляции обмотки. Величина разрядного сопротивления должна примерно в 8—10 раз превышать активное сопротивление обмотки возбуждения.

При включении обмотки статора возникает вращающееся магнитное поле, которое индуцирует токи в пусковой обмотке ротора. В результате возникает вращающий момент и двигатель разгоняется до некоторой установившейся частоты п₀. Все происходит так же, как и при пуске асинхронного двигателя; поэтому частота п₀ оказывается близкой к частоте вращения магнитного поля, но меньше ее на несколько процентов. Затем обмотка возбуждения отключается от сопротивления и подключается к источнику постоянного тока. В результате возникает обычный для синхронной машины момент взаимодействия вращающегося поля статора и полюсов ротора и машина втягивается в синхронизм, т. е. ротор начинает вращаться синхронно с полем. При значительном увеличении момента сопротивления синхронный двигатель может не втянуться в синхронизм.

Порядок остановки синхронного двигателя следующий:

• 1) уменьшить общий ток статора, изменяя ток возбуждения;
• 2) отключить статор от сети;
• 3) после отключения статора снять возбуждение, замыкая ротор на разрядное сопротивление.

У мощных синхронных двигателей для уменьшения пускового тока применяется, как правило, пуск при помощи автотрансформатора или реактивных сопротивлений (реакторов), включаемых последовательно с обмоткой статора. Непосредственный пуск применяется только для двигателей относительно небольшой мощности — до сотен киловатт. Пусковая обмотка синхронного двигателя в отличие от обмотки ротора асинхронной машины рассчитывается только для кратковременного процесса пуска и имеет относительно небольшую массу.

Пуск синхронного двигателя можно осуществить, развернув его ротор с возбужденными полюсами вспомогательным разгонным двигателем до скорости вращения поля статора. При этом магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Схема пуска синхронного двигателя при помощи разгонного двигателя: 1 — синхронный двигатель;

• 2 — разгонный двигатель; 3 — трехфазный рубильник;
• 4 — регулировочный реостат; 5 — переключатель возбудителя; 6 — индикаторные лампы синхронизации

Пуск синхронного двигателя можно осуществить с помощью преобразователя частоты, который плавно повышает частоту вращения поля якоря от нуля до номинального значения по мере разгона двигателя. Такой способ пуска называется частотным.

Достоинства синхронных двигателей:

• 1) возможность работы при costp = 1;
• 2) меньшая чувствительность к колебаниям напряжения, так как их вращающий момент пропорционален напряжению в первой степени, а не квадрату напряжения, как у асинхронных двигателей;

3) строго постоянная частота вращения, независимо от механической нагрузки на валу.

Недостатки синхронных двигателей:

• 1) более сложная, чем у короткозамкнутых асинхронных двигателей, конструкция;
• 2) обязательное наличие возбудителя или иного устройства для питания обмотки возбуждения постоянным током, что в большинстве случаев повышает их стоимость по сравнению с асинхронными двигателями;
• 3) сравнительная сложность пуска;
• 4) затрудненное регулирование частоты вращения, которое возможно лишь при изменении частоты питающего напряжения.

Сопоставление достоинств и недостатков синхронных двигателей показывает, что их целесообразно применять для установок большой мощности, особенно для установок, работающих в условиях редких пусков.