Перевод статьи "Traditional Electromechanical Starters" (LM Photonics Ltd) с английского на русский язык.
Выполнил: Хоменко В.Н.
Полная версия статьи на английском языке (оригинал): http://www.lmphotonics.com/m_start.htm
Традиционные электромеханические пускатели
Пуск и торможение электродвигателей переменного тока осуществляется обычно путем подключения и отключения переменного напряжения питания. В некоторых случаях пуск при полном напряжении приемлем, но во многих ситуациях пусковой ток должен быть уменьшен и таким образом применяется пуск при пониженном напряжении.
1) Прямой пуск
Наиболее простой разновидностью пускателя для асинхронного электродвигателя является пускатель с прямым подключением к сети (ППП). ППП состоит из выключателя и реле защиты от перегрузки.
Рисунок 1 - Прямой пуск АД
В качестве выключателя может быть ручной выключатель нагрузки, но обычно это электромагнитный контактор, который может размыкаться от реле тепловой перегрузки. Обычно контактор управляется от раздельных кнопок "пуск" и "стоп", и вспомогательный контакт используется как самоподхват, то есть контактор электрически зафиксирован в замкнутом состоянии при работе двигателя.
Для осуществления пуска контактор замыкается, подводя полное напряжение сети к обмоткам двигателя. Через двигатель будет протекать очень большой пусковой ток в течение малого промежутка времени, чтобы создать магнитное поле в стали, потом ток будет ограничен до значения величины пускового тока двигателя. Двигатель разовьет пусковой момент и начнет разгоняться до установившейся скорости. В течение разгона двигателя ток начнет спадать, но не уменьшится значительно до тех пор, пока двигатель достигнет большой скорости (обычно 85% от синхронной скорости). Фактическая кривая пускового тока является функцией конструкции двигателя и подводимого напряжения, и абсолютно не зависит от нагруженности двигателя. Нагрузка двигателя будет отражаться на времени необходимом двигателю, чтобы разогнаться до установившейся скорости и, следовательно, на длительности протекания большого пускового тока, но не на величине пускового тока.
Если двигатель развивает момент, превышающий момент нагрузки на всех скоростях во время пуска, он разгонится до максимальной скорости. Если момент, развиваемый двигателем меньше чем момент нагрузки на любой скорости в течение пуска, двигатель прекратит разгоняться. Если пусковой момент с ППП не достаточен для нагрузки, двигатель необходимо заменить на другой, который может развить больший пусковой момент. Момент ускорения – это момент, развиваемый двигателем минус момент нагрузки, и он будет меняться при разгоне двигателя вследствие кривизны механических характеристик двигателя и нагрузки. Время разгона зависит от момента ускорения и момента инерции нагрузки.
Прямой пуск ведет к максимальному пусковому току и максимальному пусковому моменту. Это может стать причиной электрических проблем с электропитанием, или механических проблем с приводимой нагрузкой.
Рисунок 2 - Графики скоростной и механической характеристик при пуске с прямым подключением к сети
2) Активное сопротивление в статорной цепи
Пускатель с активным сопротивлением в цепи статора содержит один или более наборов резисторов, которые в течение пуска соединены последовательно с сетью. Последовательно включенные резисторы ограничивают пусковой ток, потребляемый двигателем, и, таким образом, уменьшают пусковой момент двигателя.
Рисунок 3 - Пуск АД с введением активного сопротивления в цепь статора
Как только двигатель разгонится до установившейся скорости (или по истечении определенного интервала времени), резисторы шунтируются с помощью контактора, чтобы подвести к двигателю полное сетевое напряжение. Если известны точные пусковые характеристики двигателя и пусковые характеристики нагрузки, целесообразно определить правильное значение сопротивлений чтобы обеспечить достаточный пусковой момент для нагрузки для ограничения пускового тока. Пускатель с введением активного сопротивления в цепь статора АД, правильно спроектированный и сконструированный, позволяет двигателю разогнать нагрузку почти до заданной величины скорости с введенными резисторами до момента их расшунтирования. В этом случае переход к полному сетевому напряжению происходит только в момент, когда импеданс двигателя вырос, и результирующий ток намного меньше, чем пусковой ток двигателя. В плохо спроектированных системах переход на полное напряжение произойдет менее чем на 80% от заданной скорости, и ток возрастет почти до величины тока при прямом пуске, что ведет к малой выгоде от использования пускателя, меньшей, чем увеличение стоимости пускателя (преимущество для поставщика пускателя, а не для конечного пользователя). Улучшенные пусковые характеристики с некоторыми видами нагрузок могут быть достигнуты при использовании нескольких ступеней сопротивления и постепенном выведении сопротивлений при разгоне двигателя.
Применяя пускатель с активным сопротивлением в цепи статора, не легко варьировать величины сопротивления и, таким образом, пусковые характеристики, когда пускатель уже изготовлен. Следовательно, важно, чтобы в первую очередь были выбраны верные значения сопротивлений.
Пускатель с активным сопротивлением уменьшает напряжение, подводимое к зажимам двигателя, при протекании полного пускового тока двигателя. Поэтому, имеется очень большое рассеивание мощности в резисторах, приводящее к потребности в резисторах очень больших мощностей. Обычно, резисторы будут рассеивать 150% - 200% мощности двигателя в период пуска. Резисторами могут быть либо металлические резисторы, либо жидкостные резисторы. Металлические резисторы имеют положительный температурный коэффициент и, как результат, когда они нагреваются, их сопротивление возрастает. Жидкостные резисторы, такие как растворы соли, имеют отрицательный температурный коэффициент и, следовательно, когда они нагреваются, их сопротивление уменьшается.
Тепло, выделяемое в резисторах в течение пуска, и температурно-зависимые характеристики их сопротивления приводят к необходимости того, чтобы резисторы полностью охлаждались между пусками. Это ограничивает частоту пусков и минимальное время между ними.
Рисунок 4 - Графики скоростной и механической характеристик при пуске с введением в цепь статора активного сопротивления
3) Реактивное сопротивление в статорной цепи
Пускатель с реактивным сопротивлением в статорной цепи идентичен пускателю с активным сопротивлением в статорной цепи, только резисторы заменены на трехфазный реактор для ограничения пускового тока. Действие пускателя с реактивным сопротивлением в основном такое же, как и пускателя с активным сопротивлением, но использование трехфазного реактора вместо резисторов дает преимущество в уменьшенных потерях на нагрев и большие удобства при установке величины пускового тока благодаря возможности менять отводы на реакторе.
4) Автотрансформатор
В автотрансформаторном пускателе используется автотрансформатор, чтобы уменьшить напряжение, подводимое к двигателю во время пуска. Автотрансформатор может иметь несколько выходных отводов и может быть настроен на обеспечение одноступенчатого пуска, или многоступенчатого пуска. Обычно автотрансформатор должен иметь отводы на 50%, 65% и 80% первичного напряжения, давая возможность запустить двигатель при одной или другой из настроек. Существует два способа подсоединения автотрансформаторного пускателя, наиболее очевидный – это подвести сетевое напряжение к трансформатору через контактор и подключить двигатель к определенному отводу посредством контактора. Как только двигатель разгонится до установившейся скорости, или не обеспечивает ускоряющий момент, отводной контактор разомкнется, отключая двигатель от трансформатора, а другой контактор замкнется, подключая двигатель к сети. Трансформатор теперь может быть отключен от питания. Эта структура известна как пускатель с прерыванием питания, и является менее чем идеальной вследствие того факта, что двигатель при пуске на короткий период времени отключается от сети. Пока двигатель подсоединен к сети и разгоняется, в статоре есть вращающееся магнитное поле, которое вызывает поток в роторе, и, таким образом, протекание тока в роторе. В определенный момент двигатель отключается от сети, магнитное поле ротора взаимодействует со статорной обмоткой. Двигатель действует как генератор, пока поле спадает. Напряжение, генерируемое двигателем, не синхронизировано с сетью и, таким образом, при переподключении к сети напряжение на зажимах контактора может быть аж вдвое больше напряжения сети, приводя к очень большому переходному току и моменту.
Переустройством силовой цепи, а это возможно без дополнительных затрат, можно построить пускатель без прерывания питания, и таким образом устранить переходной ток и момент. Автотрансформаторный пускатель без прерывания питания известен как пускатель Корндоффера. Переключение без прерывания питания достигается путем переподключения отводного контактора (между трансформатором и двигателем) к подсоединению «звезда» трансформатора при подключенном двигателе и изменением последовательности управления контактором. Чтобы запустить двигатель, главный контактор и контакторы звезды закрываются, подводя уменьшенное напряжение к двигателю. Когда двигатель достигнет установившейся скорости или не обеспечивает ускоряющий, контактор звезды открывается, эффективно преобразуя автотрансформаторный пускатель в пускатель с первичным реактивным сопротивлением. Потом первичное реактивное сопротивление шунтируется контактором, подводя полное сетевое напряжение к двигателю. Двигатель всегда подключен к питанию.
Трансформатор обычно рассчитывают на прерывистый режим работы, для пусковой цели, и, таким образом, частота и длительность пусков ограничена. В трансформаторном пускателе относительно просто менять отводы и увеличить пусковое напряжение, если требуется больший момент. Автотрансформаторный пускатель – это пускатель с неизменным при пуске напряжением. Таким образом, момент уменьшается пропорционально уменьшению квадрата напряжения во всем скоростном диапазоне, в отличие от пускателей с активным сопротивлением в статорной цепи или пускателей с реактивным сопротивлением в статорной цепи, которые являются пускателями с постоянным импедансом, и где пусковое напряжение зависит от соотношения импеданса двигателя к импедансу двигателя плюс пускателя. Когда двигатель разгоняется, его импеданс возрастает и, следовательно, подводимое к двигателю напряжение тоже возрастает, приводя к небольшому увеличению момента на больших скоростях.
В отличие от пускателей с активным сопротивлением в цепи статора или пускателей с реактивным сопротивлением в цепи статора, ток, протекающий через двигатель, отличается от тока потребляемого из сети. Ток сети течет в первичной цепи трансформатора, а вторичный ток подводится к двигателю. Трансформатор уменьшает первичный ток на то же соотношение, что и вторичное напряжение. Если двигатель подсоединен к отводу трансформатора 50%, напряжение на зажимах двигателя будет 50% от сетевого. Примем пусковой ток двигателя равным 600%, примем, чтобы ток двигателя составил 300%. Если ток двигателя 300%, то ток трансформатора будет равен 150%. Это может навести на мысль, что самый низкий пусковой ток будет получен при использовании автотрансформаторного пускателя. В большинстве случаев нагрузке требуется возрастающий момент при ее разгоне, и таким образом часто следует выбирать более высокую отпайку, чтобы разогнать нагрузку до полной скорости перед тем, как произойдет переход на полное сетевое напряжение. Если применяется многоступенчатый трансформаторный пускатель, тогда первичный ток непременно будет ниже, чем при использовании других типов пускателей.
5) Звезда-треугольник
Пускатель звезда-треугольник может быть использован только с двигателем, который предназначен для соединения в треугольник на требуемом линейном напряжении, и имеет оба отвода каждой из трех обмоток. В схеме "звезда" линейное напряжение подводится к одному концу каждой из трех обмоток, другим концом соединенных вместе. В этом соединении напряжение на каждой обмотке составляет 1/sqrt(3) от линейного напряжения, и таким образом ток, протекающий в каждой обмотке, также уменьшен на эту величину. Результирующий ток, протекающий из питающей сети, уменьшен на коэффициент 1/3, как и момент. Например, двигатель, который развивает пусковой ток, равный 600% и пусковой момент 180%, будет иметь характеристики: пусковой ток («звезда») 200% и пусковой момент («звезда») 60%. В некоторых случаях этого достаточно для разгона двигателя до полной скорости, но в основном, так как применяется пускатель с неменяющимся напряжением, переход на максимальное напряжение произойдет на пониженной скорости, что приведет к пуску, подобному прямому. Соединение «звезда» размыкается, разрывая цепь двигателя, и концы обмоток потом присоединяются к трем фазам питания таким образом, чтобы получить соединение «треугольник». Этот тип пускателя является пускателем с отключением от питания. Пускатель звезда-треугольник не легко преобразуется в пускатель без отключения питания, и даже в таком (Ваншоп) до сих пор имеется та проблема, что пусковое напряжение не может быть изменено. Если момент, развиваемый при соединении «звезда» не достаточен, то он перейдет на прямой пуск. Пускатель звезда-треугольник используется, когда есть потребность в пускателе с пониженным напряжением, но в реальности, во многих ситуациях, его применение приводит к более тяжелым переходным процессам, чем ППП. Главной выгодой пускателя звезда-треугольник является то, что он приносит большую прибыль поставщику коммутационного оборудования, и это экономически оправдано.
6) Асинхронные электродвигатели с фазным ротором
Двигатель с фазным ротором подобен АД с к/з ротором за исключением того, что обмотка на роторе имеет намного больше витков, и вместо того, чтобы быть короткозамкнутой, ее выводы вынесены на комплект контактных колец для внешних подсоединений.
Принцип работы АД с фазным ротором такой же, как и стандартного АД с к/з ротором, момент создается путем взаимодействия поля статора и поля ротора. Полем ротора, сгенерированным током, протекающим в роторе, который вызван скольжением между полем ротора и статора. Кривые механической и скоростной характеристик могут быть изменены коммутациями роторных обмоток. Очень большое значение активного сопротивления, подключенное к ротору, даст очень низкий пусковой ток и очень низкий пусковой момент. Уменьшение подключаемого сопротивления увеличит одновременно пусковой ток и пусковой момент. Это увеличение будет происходить до достижения точки критического момента двигателя. Дальнейшее уменьшение подключаемого сопротивления уменьшит пусковой момент, сдвигая максимум (критический момент) от нулевой скорости к синхронной скорости. Замыкание ротора накоротко приведет к максимальному моменту на очень низком скольжении, и пусковому току до 1400% для пускового момента всего лишь 50%. Обязательно, чтобы в цепи ротора АД с фазным ротором было активное сопротивление в течение пуска, для того чтобы развить пусковой момент при приемлемом пусковом токе.
Обычно АД с фазным ротором запускается с применением многоступенчатого пускателя, который позволяет развить момент до 300% и ток до 250%. Переключая резисторы при разгоне двигателя, максимальный момент поддерживается в соответствии с фактической скоростью ротора, и таким образом можно разогнать очень сложную нагрузку за минимальное время и с наибольшим КПД.
Пускатель содержит отключающий контактор в статорной цепи и группу роторных резисторов и контакторов, управляемых командоаппаратом. Мощность, рассеиваемая в резисторах, должна, по меньшей мере, соответствовать кинетической энергии приводимой нагрузки на заданной скорости.
Двигатели с фазным ротором обычно имеют напряжение разомкнутой роторной цепи от 400 вольт до 500 вольт, чтобы держать ток на управляемом уровне.
Главным недостатком двигателя с фазным ротором является то, что кольца изнашиваются и требуют регулярного технического обслуживания, как и пускатель, особенно при использовании электромеханического командоаппарата.