Пуск синхронных двигателей

Для пуска современных синхронных двигателей используется метод асинхронного пуска. Для этого синхронные двигатели снабжены специальной короткозамкнутой бельичьей клеткой как у асинхронных машин. С помощью асинхронного пуска СД разгоняется до так называемой с подсинхронной скорости ω_ПС=0,95ω₀, то есть до скольжения уменьшившегося в процессе пуска до величины S=0.05. Момент, развиваемый СД при подсинхронной скорости (см.  рис. 5.6) называется входным моментом (Мвх).

Рисунок 5.6

Если при М = Мвх в обмотку возбуждения СД подано возбуждение, то двигатель втягивается в синхронизм, после чего исчезает пусковой ток в короткозамкнутой пусковой обмотке.Как видно из рис. 5.6, при различном сопротивлении короткозамкнутой пусковой обмотки СД меняется жесткость механических асинхронных характеристик, при этом меняются значения входных (Мвх) и пусковых (Мпуск) моментов СД, причем уменьшение Мвх при менее жесткой механической характеристике 2 ведет к увеличению Мпуска и наоборот для более жесткой характеристики 1 большему значению М_вх1 соответствует меньшее значение М_пуска1.

Значения Мвх и Мпуска СД задаются в каталогах на эти машины, так как они влияют на пуск при различных моментах статической нагрузки Мс. Например, если, как показано на рис. 5.6., двигатель имеет пусковую характеристику 2 (по которой (М_пуск2 > Мс.), то разгон СД произойдет до точки "а". При этом, двигатель не втянется в синхронизм, а будет продолжать работать в асинхронном режиме. Если не отключить СД , то длительный асинхронный режим разогреет короткозамкнутую обмотку, рассчитанную лишь для работы в ограниченное время пуска, и выведет СД из строя.При пуске СД по характеристике 1 "застревание " его в асинхронном режиме может произойти лишь в точке "б" (при М = М_с.1). При этом, и СД при наличии возбуждения втянется в синхронизм. Из рассмотрения характеристик на рис.5.6. можно сделать вывод, что входной момент - это максимально возможное значение момента статической нагрузки (Мвх = Мс.макс), при котором еще возможно втягивание СД в синхронизм.При любой схеме асинхронного пуска СД имеется защита от длительной работы короткозамкнутой пусковой обмотки , ведущей к аварии и выходу дорогостоящего СД из строя.В зависимости от мощности питающей сети применяются пуски СД при полном и пониженном напряжениях.В высоковольтных (3-10 кВ) СД для подключения статора к сети используются масляные выключатели. Подача возбуждения на обмотку ротора СД производится от возбудителя: либо от генератора постоянного тока (может быть на одном валу с СД), либо от тиристорного выпрямителя, что чаще всего применяется в последнее время.Синхронизация СД с сетью происходит автоматически при подсинхронной скорости и поданном в ротор возбуждении.

В зависимости от момента подачи полного напряжения на обмотку статора СД в сочетании с подачей возбуждения в обмотку ротора существуют три вида (или три принципиальных схемы) пуска:

a) Прямой пуск СД. На обмотку статора СД подается полное напряжение сети , а цепь обмотки ротора подключается наглухо к якорю электромашинного возбудителя G (см. рис. 5.7, а) либо через разрядное сопротивление R₁ (рис. 5.7, б). Реализация наиболее простого и дешевого прямого пуска с наглухо подключенным возбудителем возможна при соблюдении 3-х условий:

Рисунок 5.7

- если сеть, питающая статор, имеет достаточно большую мощность и нет необходимости снижения напряжения для уменьшения пускового тока СД;

- если время разгона СД до подсинхронной скорости ω_ПС меньше времени самовозбуждения возбудителя (в этом случае подача тока возбуждения в ротор СД происходит после достижения скорости);

- если момент статической нагрузки на валу СД меньше 40% номинального момента (Мс*<0.4). В этом случае гарантируется разгон СД без "застревания" на половине синхронной скорости из-за наличия в механической характеристике асинхронного пуска провала момента на половинной скорости (см. точку "а" на рис. 5.8).

 

Рисунок 5.8

Такой провал момента в характеристике возникает из-за взаимодействия замкнутой обмотки ротора и поля статора. Если при пуске СД Мс>0,4Mн или время разбега его превышает время самовозбуждения возбудителя , то применяют прямой пуск с разрядным резистором R₁ в обмотке возбуждения ротора СД, как это показано на рис. 5.7, б.

Разрядный резистор ограничивает ток возбуждения при пуске, улучшая при этом механическую характеристику СД. Разрядный резистор R₁ закорачивают при разбеге СД до подсинхронной скорости. Этот резистор обеспечивает также ускоренное гашение поля СД после его отключения от сети (уменьшается постоянная времени контура обмотки возбуждения СД). Величина R₁ выбирается порядка (8-10), то есть существенно больше сопротивления обмотки возбуждения ротора СД.

В схемах подачи возбуждения в ротор СД предусматривается возможность форсирования тока возбуждения с помощью резистора, шунтируемого контактами КФ (см. рис. 5.7) . При увеличении тока возбуждения возбудителя и тока возбуждения синхронного двигателя М увеличивается Э.Д.С. СД, чем и достигается кратковременное повышение развиваемого им максимального электромагнитного момента (см.раздел. 5.2). Форсировка возбуждения необходима также при снижении напряжения питающей СД сети.

б) Легкий пуск СД. На обмотку статора подается пониженное напряжение для ограничения пускового тока. Возбуждение в ротор СД подается еще при пониженном напряжении на статоре.

Легкий пуск применяют при малых статических нагрузках и малых моментах инерции электропривода. При легком пуске обеспечиваются малые броски тока и момента при синхронизации (вхождении в синхронизм) СД.

в) Тяжелый пуск СД. На обмотку статора вначале подается пониженное напряжение (для ограничения пусковых токов), а затем полное напряжение сети. Напряжение возбуждения в ротор СД подается при полном напряжении на обмотке статора. Тяжелый пуск используется при больших моментах статического сопротивления и значительных моментах инерции на валу электропривода, когда для вхождения в синхронизм требуются большие входные моменты (для мощных компенсаторов, установках с маховиками и т.п.).

Понижение напряжения, подаваемого на статор СД, производится при помощи реакторов (см. рис. 5.9) или автотрансформаторов (рис. 5.10).

Рисунок 5.9                                 Рисунок 5.10

В схеме реакторного пуска по рис. 5.9 вначале включается масляный выключатель В1, и на двигателе снижается напряжение благодаря реактору Р. После разгона до подсинхронной скорости выключателем В2 закорачивается реактор, и на статор СД подается полное напряжение . При реакторном пуске всегда сохраняется равенство тока в статоре двигателя Iд току Iс, забираемому из сети.

При ограничении бросков пускового тока включением в цепь статора автотрансформатора необходимо соблюдать следующую последовательность работы масляных выключателей. Сначала включаются выключатели В1 и В3, на статор СД подается пониженное напряжение через автотрансформатор АТ. Затем с выдержкой времени (СД успевает разогнаться до подсинхронной скорости) отключается выключатель В3 и включается В2, на статор СД подается полное напряжение сети. Схема автотрансформаторного пуска применяется реже (для очень мощных СД ), так как она дороже , сложнее и менее надежна из-за большего числа коммутационной аппаратуры.

Преимуществом схемы автотрансформаторного пуска является то, что потребляемый в этом случае из сети ток меньше, чем при реакторном пуске (Iс>Iд), так как этот ток Ic обратно пропорционален напряжению, то есть

.

В последнее время получили широкое распространение системы возбуждения СД от тиристорных возбудителей, которые значительно дешевле и надежнее электромашинных возбудителей. Кроме того, они обеспечивают существенно меньшую инерционность при форсировках возбуждения. На рис 5.11 показана схема тиристорного в возбуждения СД. Форсировка возбуждения СД осуществляется полным открытием тиристоров Т1 и Т2, при этом напряжение на обмотке возбуждения Uв=(1,5-3)Uвн

Вместо группы тиристоров Т2 можно применить диоды Д1. Полупроводниковое управление возбуждением использует вместо контакторов тиристор Т и диод Д. Во время пуска СД тиристоры Т1 и Т2 закрыты, а тиристор Т открыт и вместе с диодом Д обеспечивает протекание переменного тока, индуктируемого в обмотке возбуждения при пуске СД. При подсинхронной скорости открываются тиристоры Т1 и Т2 , закрывается тиристор Т, и двигатель входит в синхронизм. В этой схеме разрядное сопротивление Rразр всегда подключено к обмотке возбуждения диодом Д, что обеспечивает надежную защиту обмотки от перенапряжения.

В схемах управления пуском СД обязательно есть узлы, обеспечивающие в функции тока, в функции скорости или времени пуска контроль за вхождением СД в синхронизм и предотвращение длительной (более расчетного времени пуска) работы в асинхронном режиме и перегрева короткозамкнутой пусковой обмотки. Подробное изучение схем управления пуском СД изучается в курсе СУЭП ("Системы управления электроприводами") и здесь не рассматриваются.

37.

Самый простой и распространенный пуск синхронного двигателя – асинхронный пуск. Пуск двигателя состоит из двух этапов: первый этап – асинхронный набор скорости при отсутствии возбуждения постоянным током и второй этап – втягивание ротора в синхронизм после включения постоянного тока возбуждения. Характерной и ценной особенностью синхронного двигателя по сравнению с асинхронным является возможность регулирования его реактивного тока (а следовательно, и cosφ) путем изменения постоянного тока возбуждения. При нормальном токе возбуждения магнитное поле ротора индуктирует в обмотке статора э.д.с., которую можно считать приближенно равной напряжению сети, приложенному к зажимам статора. В этих условиях работающий синхронный двигатель нагружает сеть только активным током. Его cos φ = 1. По этой причине обмотка статора синхронного двигателя рассчитывается на один активный ток (у асинхронного двигателя эта обмотка рассчитывается на активный и реактивный токи). По этой причине при одинаковой номинальной мощности габариты синхронного двигателя меньше, а его к.п.д. выше, чем асинхронного. Если же ток возбуждения синхронного двигателя существенно меньше номинального, то магнитный поток ротора индуктирует в обмотке статора э.д.с., меньшую, чем напряжение сети – это условие, когда двигатель недовозбужден. Помимо активного тока, он нагружает сеть реактивным током, отстающим по фазе от напряжения на четверть периода, как намагничивающий ток асинхронного электродвигателя. Но если постоянный ток возбуждения больше номинального, то э.д.с. больше напряжения сети – двигатель перевозбужден. Он нагружает сеть, кроме активного тока, реактивным током, опережающим по фазе напряжение сети, совершенно также как емкостной ток конденсатора. Следовательно, перевозбужденный синхронный двигатель может подобно емкости улучшать общий cosφ промышленного предприятия, снижаемый индуктивными токами асинхронных двигателей.