Пуск асинхронного двигателя в сети соизмеримой мощности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Майорова Юлия Александровна
В статье описывается экспериментальное исследование пуска асинхронного двигателя от сети соизмеримой мощности. Анализируются полученные результаты эксперимента. Приводятся рекомендации по уменьшению начального провала напряжения с помощью емкостной компенсации.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Майорова Юлия Александровна
Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения аппаратов воздушного охлаждения газа
Способы стабилизации параметров электроэнергии малых гидроэлектростанций
Асинхронные генераторы для питания сварочной дуги
Исследование пуска асинхронного двигателя с последовательно включенными в цепь статора конденсаторами
Оптимизация режимов пуска электромеханического комплекса с синхронным двигателем
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Пуск асинхронного двигателя в сети соизмеримой мощности»
Пуск асинхронного двигателя в сети соизмеримой мощности
Майорова Юлия Александровна /Majorova Julija Aleksandrovna — инженер лаборатории
кафедра электрических систем и сетей,
Севастопольский государственный университет, г. Севастополь
Аннотация: в статье описывается экспериментальное исследование пуска
асинхронного двигателя от сети соизмеримой мощности. Анализируются полученные результаты эксперимента. Приводятся рекомендации по уменьшению начального провала напряжения с помощью емкостной компенсации.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, пуск, провал напряжения, компенсация, синхронный генератор, нагрузка, конденсаторная батарея.
Отличительной особенностью автономных электроэнергетических систем, к которым относятся также все судовые системы (СЭС), является наличие в них асинхронных короткозамкнутых двигателей, мощность которых соизмерима с мощностью генераторов. Характерным для современных СЭС является также наличие в них мощных электроприводов постоянного тока, получающих электропитание от общей сети через выпрямительные устройства. Частое чередование включений и отключений нагрузок и особенно пусков мощных электродвигателей вызывает почти непрерывное колебание напряжения и частоты на шинах электростанций (автономных генераторов). Это приводит к динамическим изменениям режимов всех потребителей и характеризуется как снижение качества электроэнергии в системе.
Обобщенная схема автономной системы, включающей различные виды потребителей электроэнергии, показана на рисунке 1.
Рис. 1. Схема автономной системы с различными видами потребителей (а) и схема замещения пуска двигателя (б)
При пуске асинхронного двигателя АД1 или включении двигателя постоянного тока М от генератора соизмеримой мощности наблюдается провал напряжения (рис.
3) и кратковременное уменьшение частоты.
Запишем формулу электромагнитного момента:
и? • R? • S R? + (S • X?)2,
из формулы видно, что момент пропорционален квадрату напряжения:
соответственно, при снижении напряжения приблизительно на 30 % происходит и уменьшение момента (рисунок 2):
что приводит к увеличению времени пуска двигателя.
Рис. 2. Механическая характеристика двигателя при номинальном (М1) и пониженном (М2) напряжениях
Рассмотрим, например, влияние резкого снижения напряжения на работу тиристорного привода VD-M (рис. 1,а). Схема реверсивного тиристорного привода содержит два мостовых преобразовательных блока VD1 и VD2 (рис. 3,а). Блок VD1 работает в выпрямительном режиме, обеспечивая двигательный режим привода. При резком понижении напряжения двигатель переходит в генераторный режим, если второй преобразовательный блок VD2 будет работать в режиме инвертора. Обычно оба блока VD1 и VD2 имеют совместное управление тиристорами, при котором углы управления а (блок VD1) и в (блок VD2) регулируются из условия а+в=180° [2]. Это позволяет иметь автоматический переход блока VD2 в инверторный режим, а двигателя М в режим генераторного торможения, если происходит резкое снижение напряжения.
Рис. 3. Схема встречно-параллельного соединения тиристорных блоков (а) и динамические силы и моменты при начальном провале напряжения (б)
Для проверки влияния емкостной компенсации на переходный процесс пуска асинхронного двигателя от синхронного генератора был выполнен эксперимент. Для его реализации использовалось оборудование с параметрами:
генератора S нг = 6.2 5 к В A; U ^ = 2 30 В , х^, = 0.2 при пуске от него двигателя
, без подключения емкости, и с
подключением емкости С = 150мкФ.
Схема экспериментальной установки показана на рисунке 4.
Рис. 4. Схема экспериментальной установки
Ввиду перекомпенсации индуктивности емкостью, наступающей после завершения разгона двигателя, напряжение на генераторе превышает номинальное значение, при этом емкость автоматически отключается. Из анализа осциллограмм переходного процесса (рис. 5) следует, что провал напряжения при пуске двигателя с емкостью уменьшился примерно в расчетных пределах. Вместе с тем, ввиду отсутствия системы автоматического регулирования возбуждения генератора, имеет место дальнейшее падение напряжения, обусловленное увеличением переходного сопротивления генератора, которое стремится к установившемуся значению . Существенное снижение напряжения приводит к затяжному разгону, однако и в этих условиях видна положительная роль емкости: время разгона уменьшилось с 6,8 сек при пуске без конденсаторов (рис. 5) до 1,3 сек. при пуске с включенными конденсаторами (рис. 5).
Рис. 5. Осциллограмма напряжений при прямом пуске и с использованием КБ
Уменьшение начального провала напряжения с помощью емкостной компенсации приводит в итоге к уменьшению динамических воздействий на все электроприемники, подключенные к шинам генератора. Одновременно, конденсаторные батареи могут быть использованы в качестве компенсирующих емкостей индуктивной мощности двигателя после завершения пуска и работы двигателя в установившемся режиме. Применение емкостной компенсации в автономной электроэнергетической системе уменьшает нагрузку на систему возбуждения генераторов, способствует повышению устойчивости системы. Емкостные компенсаторы в автономной системе (АЭС) с резкопеременной смешанной нагрузкой (линейной и нелинейной) способствуют улучшению гармонического состава напряжения и снижению добавочных потерь в установившихся и переходных режимах.
1. Мелешкин Г. А., Меркурьев Г. В. Устойчивость энергосистем. Монография. Книга
1. СПб.: НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», 2006. — 369 с.
2. Анисимов О. Ю. «Основы теории и расчёта надёжности электрической части». СИЯЭиП, Севастополь 1999 г.
3. Барзан А. Б. «Системная автоматика». Энергоатомиздат, 1989 г.
4. Неклепаев Б. П., Крючков И. П. «Электрическая часть станции и подстанции». Энергоатомиздат, 1989 г.
Компенсация пусковых токов электродвигателей.
Пусковые токи электродвигателей переменного тока (асинхронных и синхронных при асинхронном пуске) возникают в момент подачи напряжения и могут превышать в 5–7 раз номинальный ток. По мере разгона двигателя ток снижается, вплоть до достижения подсинхронной скорости. Пусковые токи перегружают источники электроэнергии, линии электропередачи, могут привести к срабатыванию защит и отключению коммутационных аппаратов.
При питании удалённых потребителей по протяжённым линиям пусковые токи вызывают глубокие провалы напряжения.
Провал напряжения на трансформаторах собственных нужд шагающего экскаватора при включении привода тяги; в результате провала напряжения главные приводы отключены защитой.
При электроснабжении от автономных источников пусковые токи создают опасность отключения генераторов.
Применение тиристорных устройств плавного пуска (УПП) лишь отчасти улучшает ситуацию, так как пусковой ток при любых условиях в 2,5 – 3 раза будет превышать номинальное значение.
Пусковой ток (черная линия) и напряжение (красная линия) при включении привода подруливающего устройства (1 МВт) с тиристорным УПП на судне.
На приведенном графике ток при пуске в 3 раза превышает номинальное значение (940 А); колебания напряжения на входе УПП – до 20% от номинального (690 В).
Особенность пускового тока электродвигателя состоит в том, что он носит в основном реактивный (индуктивный) характер.
Коэффициент мощности в цепи питания устройства плавного пуска асинхронного двигателя.
На приведенном графике коэффициент мощности в цепи питания УПП при пуске асинхронного двигателя изменяется от 0,1 до 0,8.
Активные фильтры прекрасно компенсируют реактивную мощность, и очень быстро. Это позволяет использовать их для компенсации пускового тока электродвигателей.
Фильтр подключается параллельно электродвигателю.
При работе в режиме динамической компенсации реактивной мощности фильтру нужно указать только величину коэффициента мощности, которую требуется поддерживать. В момент подачи питающего напряжения на электродвигатель активный фильтр мгновенно начинает генерировать реактивную мощность ёмкостного характера и предоставляет её для намагничивания стали электрической машины. Таким образом, обеспечивается необходимый для двигателя пусковой ток, при этом ток в сети возрастает незначительно (в зависимости от величины активной мощности при пуске).
Компенсация пускового тока асинхронного двигателя активным фильтром (осциллограмма токов).
красная линия – ток в обмотке статора асинхронного двигателя;
синяя линия – ток, потребляемый из сети.
Достоинство данного решения по сравнению с УПП в том, что двигатель разворачивается при номинальном напряжении. Это обеспечивает требуемый момент на валу и позволяет избежать затяжного пуска привода.
Предложения Инженерного центра «АРТ».
Полный комплекс работ по созданию систем компенсации пусковых токов электродвигателей на базе активных фильтров
5. Определение провала напряжения в СЭЭС при пуске мощного АД
Существует ряд требований Регистра, определяющих допустимый провал напряжения.
Любое внезапное изменение симметричной нагрузки генератора, работающего при номинальной частоте вращения и при номинальном напряжении, при имеющихся токе и коэффициенте мощности, не должно вызывать снижения номинального напряжения ниже 85% и повышения выше 120%. После этого напряжение генератора должно в течение не более 1,5 с восстанавливаться в пределах 3% номинального напряжения. Для аварийных агрегатов эти значения могут быть увеличены до 5с и по напряжению до 4% номинального.
Максимальный провал напряжения на зажимах синхронного генератора при пуске короткозамкнутого АД зависит от:
Пускового тока во время пуска;
Значений переходного и синхронного индуктивных сопротивлений генератора;
Постоянной времени обмотки возбуждения;
Свойств регулятора напряжения.
Чем выше значения указанных величин, тем больший максимальный провал напряжения может иметь место. Следует также отметить, что по сравнению с пуском двигателя при холостом ходе пуск нагруженных двигателей вызывает больший провал напряжения генератора. Это объясняется тем, что инерционность у двигателя под нагрузкой значительно больше, чем на холостом ходу. Расчеты провалов напряжения синхронных генераторов необходимо выполнять для случаев пуска наиболее мощных АД к аварийным дизель-генераторам и к основным генераторам работающим при стоянке и ходовых режимах судна, а также для случаев, когда данный двигатель подключается к одному или нескольким параллельно работающим генераторам наименьшей мощности. Не допускается перед пуском, например, электродвигателя пожарного насоса, включать дополнительный генератор (параллельно к ранее работающим). Схема пуска электропривода такого насоса должна быть выполнена с ограничением пускового тока. В некоторых случаях следует прибегать к установке нескольких механизмов для замены одного механизма большой мощности.
Далее приведен расчет провала напряжения
1. Генератор типа МСК 500-1500.
6. Синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси
7. Переходное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси
8. Сверхпереходное индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси
9. Коэффициент усиления корректора напряжения к=15.
10. Постоянная времени обмотки возбуждения при к. з. обмотки статора
11. Постоянная времени успокоительной обмотки при к. з. обмотки статора
12. Число генераторов, работающих при запуске наиболее мощного АД, n=2.
Параметры эквивалентного мощного АД (подруливающее устройство):
4. Кратность пускового тока kп=7.
Реактивное сопротивление АД:
Напряжение генератора в сверхпереходном режиме:
Напряжение генератора в переходном режиме:
Напряжение генератора в установившемся режиме:
Постоянная времени затухания сверхпереходной составляющей:
Постоянная времени затухания переходной составляющей:
Суммарное напряжение сети:
Подставив t определим U (t) и сведем в таблицу 3.9.
Таблица 3.8 — Расчетные данные для построения графика переходного процесса
Неисправности электродвигателя
Асинхронный электродвигатель, как и любой механизм, подвержен воздействию рабочих нагрузок, приводящих к возникновению неисправностей и как следствие поломки. В случаи выхода электродвигателя из строя, возникает необходимость в проведении его ремонта. Срок службы отремонтированного электродвигателя напрямую зависит от того, как качественно был произведет данный ремонт.
Существуют ряд неисправностей в электрических машинах, основными из которых являются:
– перегрев обмотки статора. В процессе работы электродвигателя происходит выделение тепла и перегрев статорной обмотки.
Основные причины перегрева обмотки статора:
а) перегрузка электродвигателя во время работы либо запуска;
б) неисправность системы вентиляции электродвигателя (поломка вентилятора в электродвигателе приводит к плохой циркуляции воздуха, а следовательно плохому выводу тепла из двигателя, что приводит к его нагреву)
в) изменение напряжения сети (при повышении напряжения выше нормы происходит повышенный нагрев стали сердечника статора; при снижении сетевого напряжения ниже номинального, повысится ток в обмотке статора и вызовет ее перегрев);
Признаки по которым можно определить, что обмотка статора перегрелась: неодинаковый ток в фазах обмотки; двигатель сильно гудит при работе; двигатель работает с пониженным вращающимся моментом.
– перегрев обмотки ротора.
Основные причины перегрева обмотки ротора:
а) обрыв или плохой контакт стержней беличьей клетки с короткозамкнутыми кольцами. В том случаи стержни заменяют и припаивают к кольцам. В случае того если беличья клетка сделана из алюминия ее перезаливают.
б) неисправность при проведении ремонта ротора.
Признаки по которым можно определить, что обмотка ротора перегрелась: электродвигатель сильно гудит; не развивает установочной частоты вращения; ток в статоре пульсирует.
– обрыв в обмотке статора.
При соединении обмоток в звезду: при обрыве одной фазы ток в ней отсутствует, а в других фазах завышен, в данном случаи электродвигатель не запустится; при обрыве в одной параллельной ветви фазы обмотки другие ветви этой фазы перегреются (если обрыв произойдет во время работы электродвигателя, он начнет усиленно гудеть).
При соединении обмоток в треугольник возможны следующие неисправности: при обрыве одной фазы обмотки, которая находится между двумя проводниками, ток в этих проводниках при работе будет меньше, чем в третьем проводнике; при обрыве в одной параллельной ветви повысится ток в других ветвях, что приводит к их перегреву (при этом пуск электродвигателя возможен, но мощность его значительно снижена).
Необходимо помнить, что работа электродвигателя на двух фазах недопустима, так как это приводит его к выходу из строя.
– обрыв в обмотке ротора.
Признаки по которым можно определить, что произошел обрыв обмотки ротора:
а) в сети возникают колебания тока;
б) обороты ротора снижаются, усиливается гудение в электродвигателе, возникают вибрации;
в) при обрыве в короткозамкнутом роторе нескольких стержней, пуск его невозможен;
г) при соединение фазной обмотки ротора в звезду нагруженный электродвигатель снижает частоту вращения примерно в два раза.
Обрыв в фазной обмотке можно определить с помощью омметра или амперметра и вольтметра, которым измеряют падение напряжения в катушечных группах обмотки ротора, куда предварительно подают постоянный ток от аккумулятора.
– пониженный вращающий момент.
Номинальный вращающий момент асинхронного двигателя обеспечивается правильным соединением обмоток ротора и статора, созданием нормальных контактных соединений в обмотках, контактных кольцах и щетках держателях.
Так, если при перевернутых элементах обмотки – секции, катушечной группы или целой фазы запускать асинхронный двигатель, то он не развивает номинального вращающего момента, а при вращении будет гудеть, издавая шум низкого тона; при номинальной нагрузке не достигнет полной частоты вращения, за короткое время обмотки нагреется.
Вращающий момент электродвигателя зависит от напряжения сети. Так как ток и магнитный поток пропорциональны напряжению, вращающий момент пропорционален квадрату напряжения. Это значит, что если напряжение питания уменьшилось, например с 380 до 340 В, то вращающий момент уменьшиться в отношении , т.е. более чем на 24%.
– повышенный уровень шума в электродвигателе.
Повышенный уровень шума в электродвигателе может быть вызван электромагнитными или механическими причинами.
К электромагнитным причинам относят:
а) ослабление прессовки активной стали сердечника, что приводит в возрастанию вибрации корпуса статора. Вибрация листов стали сердечника приводит к развитию контактной коррозии металла. Контактная коррозия разрушает изоляцию листов стали, что приводит к замыканию и дополнительному нагреву сердечника. При общем ослаблении прессовки активной стали сердечника необходимо перешихтовать. При местном ослаблении производят уплотнение забивкой гетинаксовых или текстолитовых клиньев между листами шихтовки и зубцах. Клинья предварительно окунают в лак;
б) перевернута одна фаза. При этом возникает отличный от обычного шум в двигателе, и в перевернутой фазе повышается ток. Необходимо правильно выполнить соединение фазы, т.е. исключить «переворачивание» при подключении указанных элементов обмотки;
в) обмотка статора соединена треугольником, имеет параллельные ветви. При обрыве в отдельных катушках в электродвигателе, возникнет повышенный уровень шума;
Если соединить все катушки обмотки последовательно, а фазы – в звезду, гудение станет нормальным, но сила тока по фазам будет различной;
г) совпадение или близкое соотношении числа пазов сердечника статора и ротора может вызвать пульсацию магнитного потока и, следовательно, высокий уровень шума. Для устранения этого явления следует заменить ротор с другими соотношениями зубцов статора и ротора или перемотать статорную обмотку с сокращением шага;
д) большой эксцентриситет воздушного зазора, что может привести к возрастанию и асимметрии токов в зазорах в режиме холостого хода. Эксцентриситет воздушного зазора не должен превышать 10%.
К механическим причинам относят:
а) криволинейные каналы подачи воздуха в двигатель, что особенно заметно в двигателях с частотой вращения 1500 и 3000 об/мин. Вентиляционный шум снижают, изменяя лопатку вентилятора и конфигурацию щитов, что приводит к уменьшению вихреобразования;
б) неисправности подшипников качения. Здесь могут быть следующие дефекты, вызывающие повышенный шум: большой натяг при посадке подшипника на вал, появление усталостных отслоений на контактной поверхности беговых колец, выработка и проседание сепаратора, сколы в буртиках беговых колец. Такие подшипники следует заменить;
в) резонирующие отдельные части двигателя, когда частота их собственных колебаний совпадает с частотой вращения ротора. Это явление устраняют в машине приваркой ребер жесткости на конструктивных элементах щитов, воздухопроводов, фундаментных плит.
– повреждения беличьих клеток, их влияние на работу электродвигателя.
У асинхронных электродвигателей c короткозамкнутым ротором стержни беличьих клеток, будучи защемленными на выходе из паза при наличии короткозамыкающего кольца на некотором расстоянии от сердечника, подвергаются большим механическим усилиям. B связи с этим возможны разрывы медных или латунных стержней около сердечника или короткозамыкающих колец. Усилия эти будут большими при пуске двигателя и от центробежных сил, особенно при плохо отбалансированном роторе. B практике также нередко встречаются случаи возникновения вибраций роторов c короткозамкнутой беличьей клеткой, которая изготовлена из меди или латуни. Причиной вибрации является «разъедание» стенок пазов стержнями, a при пуске двигателя прослабленные в пазах стержни перемещаются от центробежных усилий вверх, в связи c чем и возникают вибрации.
У большинства литых алюминиевых клеток возникают обрывы стержней в пазах. Обрывы в беличьих клетках вызывают пульсацию тока в статоре, частота которого соответствует частоте скольжения. Частота пульсации тока и вращающего момента c изменением нагрузки также изменяется. Частота вращения ротора колеблется даже при изменении малых нагрузок. Выявление и устранение повреждений беличьих клеток производятся следующим образом:
— в разобранном виде осматривают ротор. Оборванные стержни в медной или латунной беличьей клетке заменяют, обрывы в кольцах запаивают;
— если обнаружены обрывы стержней в пазах, залитых алюминием, такую клетку перезаливают свежим, первичным алюминием. Применять повторно выплавленный алюминий не следует, так как это может вызвать образование раковин в стержнях и короткозамыкающих кольцах;
— если осмотром не удается обнаружить обрывы стержней в пазах, применяют старый испытанный метод, который заключается в следующем. В статорную обмотку подают пониженное напряжение в пределах 0,2-0,3U. Затем стальной пластиной быстро проводят по окружности ротора, перемыкая поочередно зубцы активной стали сердечника. Там, где соседние стержни беличьей клетки целые, стальная пластина электромагнитным полем притянется к железу и будет дребезжать. Если перемещающаяся пластина попадает на оборванные стержни, она будет слабо притягиваться и слабо дребезжать.
– Нагрев и искрение щеток и контактных колец.
B процессе работы машины неравномерное распределение тока между щетками может вызвать искрение и нагрев щеток и контактных колец. Причиной такой неисправности может быть перегрузка по току, грязь и зависание щеток в обоймах щеткодержателей, увеличенный коэффициент трения щеток, жесткие канатики щеток, неправильно выбранная марка щеток, плохой контакт в хомутиках стержней фазной обмотки ротора, вибрация ротора.
Указанные неисправности устраняют следующим образом:
— персоналу, ведущему техническое обслуживание, необходимо периодически следить по приборам за нагрузкой асинхронных электродвигателей (c фазным ротором) и не допускать перегрузок, доводящих до искрения щеток;
— при техническом обслуживании следует периодически продергивать щетки в обоймах щеткодержателей и продувать сухим компрессорным воздух давлением 0,2 МПа контактный узел;
— щетки c увеличенным коэффициентом трения быстро срабатываются и нагревают щеточный аппарат и контактные кольца, даже при номинальной нагрузке. Для уменьшения коэффициента трения щеток их подвергают пропитке в различных составах;
— обмотку необходимо перепаять, устранить также другие нарушения контактов в цепи фазного ротора;
— при возобновлении вибрации двигателя и искрения щеток следует разобраться в причинах. Возможны нарушение центровки двигателя из-за смещения линии валов двигатель – редуктор приводимого механизма, повреждения фундаментных плит двигателя или редуктора, нарушение балансировки ротора. Все это приводит к отрыву щеток от колец и искрению.