Электрическая схема пуска асинхронного двигателя с фазным ротором

Эксплуатация электрических машин и аппаратуры — Пуск трехфазных асинхронных двигателей

Содержание материала

При включении трехфазных асинхронных двигателей в сеть возникает вопрос о схеме соединения фаз статорной обмотки. В коробке выводов двигателя обычно шесть концов от трех фаз, что позволяет включать двигатель на два разных напряжения. Выбор схемы соединения — звездой или треугольником фаз двигателя зависит от номинального напряжения сети и номинального напряжения двигателя.
Схему соединения нужно выбрать такую, чтобы на фазу статорной обмотки приходилось номинальное напряжение. Напряжение на фазе двигателя по схеме звезда в 1,73 раза меньше напряжения сети, а по схеме треугольник напряжение на фазе двигателя равно напряжению сети. Так, двигатель с напряжением 380/22С в по схеме звезда должен включаться в сеть с напряжением 380 в и по схеме треугольник — в сеть с напряжением 220 в.
Если выводы фаз имеют обозначения, то соединение по схеме звезда пли треугольник не представляет трудностей. Чтобы фазы соединить звездой, нужно концы С4, С5 и С6 соединить в одну точку, а к началам фаз С1, С2 и С3 подвести напряжение сети. Для соединения фаз обмотки двигателя в треугольник нужно конец одной фазы С4 соединить с началом другой фазы С2, а конец ее С5 соединить с началом третьей фазы С3, конец которой С6 соединить с началом первой фазы. В результате получается три точки (вершины): С1 — С6; С2 — C4 и С3 — С5 к которым подвести напряжение сети.
Труднее со схемами соединения фазных обмоток при отсутствии маркировки выводных концов.
Выводы фаз обмотки проходят через два отверстия в корпусе, в одном из них при правильном распределении выводов будут начала, в другом — концы фаз. Соединение обмотки в звезду в этом случае не представляет трудностей: нужно три вывода из любого отверстия соединить в одну точку. Для соединения схемы треугольником нужно с помощью контрольной лампы определить парные выводы, принадлежащие каждой фазе, и соединить треугольник, помня, что в данном отверстии три начала, в другом — три конца фаз.
Если через три отверстия в корпусе двигателя выходят по два вывода в каждом, один из которых является началом одной фазы, а другой концом следующей фазы, то для получения схемы треугольник необходимо попарно соединить выводы из каждого отверстия. Для соединения схемы в звезду нужно с помощью контрольной лампы определить выводы, принадлежащие каждой из фаз. Затем по одному выводу из каждого отверстия, принадлежащего трем разным фазам, надо соединить в одну точку.
В случае незамаркированных выводов обмотки, выходящих без всякой системы из корпуса двигателя, для правильного соединения схемы можно поступить следующим образом: контрольной лампой определяют выводы каждой фазы, произвольно придав им начало и конец. Далее соединяют соответствующую схему обмотки и включают двигатель в сеть. Если двигатель нормально «не разворачивается», то переключают (перевертывают) одну из фаз и подают питание. Если двигатель все же «не разворачивается», то перевернутую фазу включают по-старому, а другую фазу перевертывают и включают двигатель. После трех таких присоединений исправный асинхронный двигатель нормально «разворачивается».
Пусковые свойства асинхронных двигателей оценивают пусковыми характеристиками:
величиной пускового тока Iп или его кратностью К i, величиной пускового момента Мп или его кратностью продолжительностью и плавностью пуска; экономичностью пусковой операции, то есть сложностью схемы пуска; стоимостью пусковой аппаратуры.
Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором осуществляют с помощью пускового реостата, включаемого в цепь роторной обмотки через щетки и контактные кольца при подключении к статору полного напряжения сети (рис. 33). Введение сопротивления в цепь ротора уменьшит пусковой ток и увеличит’ пусковой момент двигателя.
Пусковой реостат увеличивает общее активное и полное сопротивление роторной цепи. Поэтому уменьшается ток ротора при пуске, что уменьшает пусковой ток двигателя (в статоре).
Пусковой момент двигателя имеет выражение

Рис. 33. Схема пуска фазного асинхронного двигателя.

При наличии пускового реостата пусковой ток ротора уменьшается, cos Ψ2π за счет введенного активного сопротивления увеличивается. Кроме этого, несколько увеличивается магнитный поток вследствие уменьшения пускового тока. В результате пусковой момент двигателя увеличивается по сравнению с пуском без пускового реостата.
При разбеге двигателя скорость ротора увеличивается, скольжение, э. д. с. и ток ротора уменьшаются Это вызывает уменьшение момента двигателя. Чтобы не затягивать пуск, нужно выводить сопротивление пускового реостата отдельными ступенями (или плавно), чтобы ток ротора при пуске был бы примерно постоянным, а момент двигателя — близким к максимальному. После полного выведения пускового реостата контактные кольца коротко замыкаются и на этом пуск двигателя закапчивается. В двигателях средней и большой мощности есть щеткоподъемный механизм, с помощью которого поворотом рукоятки кольца замыкают накоротко и поднимают щетки.
Малый пусковой ток и большой пусковой момент — достоинство фазных асинхронных двигателей перед короткозамкнутыми.

Пуск асинхронных короткозамкнутых двигателей осуществляется при полном номинальном и пониженном напряжении на обмотке статора.
Прямой пуск короткозамкнутых двигателей (рис 34) характеризуется простотой операции. Для пуска достаточно подать напряжение на статорною обмотку включением рубильника, магнитного пускателя.
Существенный недостаток этого способа — большой пусковой ток, он превышает номинальный в 4—7 раз. Большой ток при прямом пуске асинхронного двигателя не опасен для обмотки статора, так как пусковой ток протекает кратковременно, температура нагрева обмотки не успевает достичь значительной величины.

Рис. 34. Схема прямого пуска короткозамкнутого двигателя.

Большой пусковой ток вызывает большую потерю напряжения в питающей сети. Колебание напряжения в сети отрицательно отражается на других потребителях этой сети, особенно это нежелательно при частых пусках двигателей. Включенные лампы сильно уменьшают свой накал, работающие двигатели уменьшают момент и могут остановиться, их перегрузочная способность уменьшается в зависимости от квадрата снижения напряжения. Кроме того, пускаемый двигатель при тяжелых условиях может «не развернуться». В связи с увеличением мощности источников питания и улучшением сетей прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей в настоящее время самый распространенный.
Другие способы пуска короткозамкнутых асинхронных двигателей вызывают уменьшение пускового тока, что достигается уменьшением напряжения на фазе статорной обмотки.

Реакторный способ пуска (рис. 35) осуществляется с применением индуктивного сопротивления. Запускают двигатель так.

Сначала замыкают рубильник 1, ток к статору течет через реактор. Величина пускового тока в этом случае меньше, чем при прямом пуске, так как к двигателю подводится пониженное напряжение за счет потери напряжения в сопротивлении реактора. После разворота ротора реактор шунтируют включением рубильника 2 и на двигатель подают полное напряжение сети.

Недостаток этого способа тот, что уменьшение пускового тока двигателя сопровождается значительным уменьшением пускового момента. Пусковой ток зависит от напряжения в первой степени, а пусковой момент — от квадрата напряжения. Например, если пусковой ток уменьшился в два раза, то пусковой момент уменьшится в четыре раза.

Для уменьшения пускового тока с помощью реактора в общем случае в а раз в сравнении с током прямого пуска двигателя сопротивление реактора подсчитывают по формуле:

где ф — номинальное фазное напряжение двигателя;
Iп — ток двигателя при прямом пуске.

Рис 36. Схема автотрансформаторного пуска двигателя: 1, 2, 3 — рубильники.

Реакторный пуск применяют там, где важно уменьшить пусковой ток, а величина пускового момента не имеет существенного значения.

Автотрансформаторный способ пуска осуществляется от трехфазного автотрансформатора (рис. 36).
Пускают двигатель в такой последовательности. Замыкают рубильник 1, часть обмотки автотрансформатора в этом случае как реактор, двигатель начинает вращаться, если момент сопротивления небольшой.
Затем замыкают рубильник 3, соединяющий звездой обмотки автотрансформатора, и к статору подводят напряжение меньше, чем в сети, в коэффициент трансформации Ка раз. Когда двигатель «развернется» до полного числа оборотов, размыкают рубильник 3 и замыкают рубильник 2 и к двигателю подводят полное напряжение сети.

Рис. 37. Схема пуска асинхронного двигателя переключением обмотки статора со звезды на треугольник.

Автотрансформатор позволяет уменьшить пусковой ток, который потребляет двигатель из сети в К раз. Напряжение на статорной обмотке уменьшается в Ка раз, а пусковой момент в К а раз, то есть при автотрансформаторном пуске ток и момент уменьшаются в одинаковой мере, что выгодно отличает его от реакторного пуска.
Автотрансформатор используют очень кратковременно, в период пуска. Поэтому плотность тока в его обмотках можно допускать значительно большую, чем при работе в обычном режиме. Сложность схемы и большая стоимость аппаратуры ограничивают применение автотрансформаторного пуска лишь двигателями большой мощности.

Рис. 38. Короткозамкнутые двигатели с улучшенными пусковыми свойствами:
а — паз двигателя с двойной клеткой и потоки рассеяния; б — паз двигателя с глубоким пазом и потоки рассеяния; в — распределение пускового тока в стержнях глубокопазного двигателя.

Пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник (рис. 37) применяют для двигателей, работающих при соединении треугольником. Перед пуском двигателя переключатель П ставят в положение звезды, обмотка статора оказывается соединена звездой. Затем включают рубильник Р и двигатель «раскручивается». После того как ротор двигателя развернется до скорости, близкой к номинальной, переключатель быстро переводят в положение треугольник.
Этот способ пуска уменьшает пусковой ток в три раза, но и пусковой момент уменьшается также в три раза. Пуск двигателя переключением статорной обмотки со звезды на треугольник равноценен автотрансформаторному пуску с коэффициентом трансформации автотрансформатора 1,73. Значительное снижение пускового момента ограничивает применение этого способа лишь для двигателей, пускаемых в холостую или под очень незначительной нагрузкой.
В ряде случаев пусковые характеристики асинхронных двигателей с нормальной клеткой не удовлетворяют требования, что привело к созданию двигателей с улучшенными пусковыми свойствами, большим пусковым моментом при малом пусковом токе.

Конструкция фазного ротора

Фазный ротор АД конструктивно напоминает его статор. Основа ротора набирается из пластин электростатической стали, которые насаживаются на вал. Конструкция имеет продольные пазы, в которые укладываются витки катушек фазной обмотки. Количество фаз ротора строго соответствует количеству фаз статора. Для подключения обмотки ротора к цепи, на валу последнего устанавливаются 3 контактных кольца, к которым подведены концы обмотки, находящиеся в соприкосновении с токопроводящими щетками. В свою очередь щетки имеют выходы в коробку корпуса, что позволят подключать внешнее дополнительное сопротивление.

В зависимости от напряжения сети, фазы обмотки соединяются “треугольником” или “звездой”. Оси катушек двухполюсного электродвигателя смещены на 120 градусов относительно друг друга.

Контактные кольца изготавливаются из латуни или стали. На вал они посажены с обязательной изоляцией между собой. Щетки расположены на щеткодержатле, изготовлены из металлографита, к кольцам прижимаются посредством пружин.

Технические характеристики

Основные требования, которые обеспечивают качественное функционирование асинхронных агрегатов с фазным ротором, определены и указаны в соответствующих ГОСТах.

Именно они определяют главные технические характеристики и к таким параметрам относятся:

1. Габариты и мощность двигателя, которые должны иметь показатели, соответствующие техническому регламенту.
2. Уровень защиты должен соответствовать условиям, в которых происходит процесс эксплуатации, поскольку различные виды машин могут быть предназначены для установки на улице или только внутри помещений.
3. Высокая степень изоляции, которая должна обладать устойчивостью к повышению рабочей температуры и последующему нагреву.
4. Различные виды асинхронных двигателей предназначены для использования в определенных климатических условиях. Это касается в первую очередь установки подобных машин в крайне холодных местностях или, наоборот, жарких областях. Исполнение агрегата должно соответствовать климату местности, в которой проходит процесс эксплуатации.
5. Полное соответствие режимам функционирования.
6. Наличие системы охлаждения, которая должна соответствовать рабочим режимам машины.
7. Уровень шума при запуске агрегата на холостом ходу должен соответствовать второму классу или быть ниже его.

Как правильно подключить шесть проводов электродвигателя?

Как правило двигатели имеют шесть выводов для возможности выбора схемы подключения: «звезда» либо «треугольник». Но встречаются и три вывода — уже соединенных внутри двигателя по схеме «звезда».

Схема подключения «звезда»

При подключении обмоток звездой начала обмоток подключаются к фазам, а концы обмоток собираются общую точку (0 точку).

Таким образом напряжение фазной обмотки составит 220В, а линейное напряжение между обмотками 380В. Основным преимуществом подключения электродвигателя по схеме звезда является:

1. Плавный пуск
2. Возможность перегрузки (недлительной)
3. Повышенная надежность

При этом данная схема подключения обеспечит более низкую мощность от заявленной.

Схема подключения «треугольник»

При подключении треугольником последовательно конец одной обмотки соединяется с началом следующей обмотки.

Главными преимуществами такого подключения являются:

1. Максимальная мощность
2. Повышенный вращающий момент
3. Увеличенные тяговые способности

Однако, электродвигатели подключенные по схеме звезда больше нагреваются.

Комбинированный тип подключения

Как уже было отмечено, подключение «звездой» обеспечивает более плавный пуск, но пр этом не достигается максимальная заявленная мощность электромотора. При подключении «треугольником» достигается полная мощность, но пусковой ток может повредить изоляцию. Поэтому для мощных двигателей (начиная от АИР100L2), часто применяют комбинированную схему подключения трехфазных электродвигателей «звезда-треугольник», когда запуск двигателя происходит по схеме «звезда», в рабочем состоянии он переключается на схему «треугольник». Переключение обеспечивается магнитным пускателем или пакетным переключателем.

Наиболее популярные модели асинхронных электродвигателей:

Механизмы подъема. Преобразователь частоты серии EI-9011 в частотно регулируемом приводе

Механизмы подъема груза с применением электропривода устанавливаются на всех грузоподъемных машинах. Их общая конструкция характерна не только для кранов и лифтов, но и для машин специального назначения, в которых направление вектора приложения силы от действия нагрузки может совпадать с направлением вращения ротора электродвигателя.

Самый простой вариант механизма — грузовая лебедка. Это машина для подъема грузов с помощью каната, навиваемого на барабан с зацепом в виде крюка.

Основная кинематическая схема механизма подъема

Электропривод механизма подъема

Самый распространенный электродвигатель для механизма подъема — это асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. При простоте управления (прямой пуск) у него есть существенные недостатки:

• большие пусковые токи,
• большие динамические нагрузки при запуске.

Устранить их в какой-то мере позволяет применение электродвигателя с фазным ротором. Но появляется новый недостаток — громоздкое силовое коммутационное оборудование.

Наиболее высоких эксплуатационных показателей позволяет достичь применение частотно-регулируемого привода, а именно:

• снизить пусковые токи до уровня номинального,
• снизить динамические нагрузки до уровня расчетных,
• плавно регулировать скорости вращения в широком диапазоне.

Применение ПЧ серии EI-9011 для управления механизмом подъема

При выборе преобразователя частоты «Веспер» прежде всего надо учитывать тип редуктора механизма подъема. Различают 2 основных типа:

• цилиндрический,
• червячный.

Различие этих редукторов в том, что цилиндрический — двухсторонний, т. е. крутящий момент передается как от входного вала к выходному, так и наоборот — от выходного вала к входному; а червячный — односторонний. Последний устанавливают реже — из-за низкого КПД и повышенного износа.

В механизмах подъема с червячным редуктором возможно применение любого преобразователя частоты «Веспер» серий EI, E3, E4, E5. Но применение ЧРП в таком механизме мы рассматривать не будем — из-за отсутствия особенностей его работы.

Для механизмов подъема с цилиндрическими редукторами рекомендуется применять преобразователи частоты серии EI-9011, благодаря наличию у них:

1. Мощного центрального процессора, который позволяет создать программное обеспечение для векторного режима с высокими точностными характеристиками и широким функционалом.
2. Двух векторных режимов: в разомкнутой системе и с датчиком обратной связи по скорости.
3. Широкого диапазона регулировки скорости: 1/100 в обычном векторном режиме и 1/1000 — в векторном с обратной связью.
4. Векторного режима с обратной связью, который обеспечивает М=100% практически при нулевой скорости вращения двигателя.

Ранее приведенная кинематическая схема механизма подъема оптимальна для управления от преобразователя частоты EI-9011. В составе механизма есть тормозное устройство (3), конструктивно не связанное ни с электродвигателем, ни с редуктором. Для него доступно независимое управление электрическим сигналом.

С преобразователем частоты структура будет иметь следующий вид:

Рассмотрим простейшую схему управления приводом грузовой лебедки с электродвигателем небольшой мощности — до 8 кВт:

Для такого применения достаточно, как правило, режима работы ПЧ «Векторный в разомкнутой системе».

Почему именно он? Потому что позволяет управлять вращением двигателя в более широком диапазоне скоростей, чем скалярный режим. Это особенно важно на нижней границе диапазона, где требуется обеспечить номинальный момент на валу двигателя при возможной минимальной скорости вращения. Чем меньше значение выходной частоты ПЧ, при которой двигатель начинает вращение и имеет номинальную нагрузку на своем валу, тем меньше динамическая (ударная) нагрузка на все части механизма подъема.

Программирование ПЧ серии EI-9011 для управления механизмом подъема

Для программирования ПЧ необходимо подключить его к сети силового электропитания 3Ф, 380 В, 50 Гц. Соответственно, и электродвигатель, с которым предполагается работа, тоже следует подключить к ПЧ. Программирование производится с собственного пульта управления.

Векторный режим работы предусматривает обязательную автонастройку ПЧ с применяемым электродвигателем. Проводить ее следует при каждой замене двигателя.

Важное примечание: в процессе автонастройки ПЧ определяет ряд параметров двигателя во время вращения последнего. Поэтому для корректного определения параметров вал двигателя должен быть свободным — на нем не должно быть лишней присоединенной массы.

После подачи напряжения питания в основном меню ПО надо выбрать раздел «Инициализация». В этом разделе:

• Выполнить инициализацию (возврат значений всех параметров к заводским).

• Выбрать режим работы — «Векторный в разомкнутой системе».

• Определить уровень доступа к параметрам — «Расширенный».

Выбор других разделом меню и параметров производится аналогично.

Программирование можно выполнить и с помощью пульта управления ПЧ. Вся информация выводится на дисплей пульта в доступном виде и с комментариями на русском языке.

Следующий шаг: в основном меню ПО надо выбрать раздел «Автонастройка». В этом разделе следует выполнить все указания по вводу значений параметров двигателя и запустить процесс автонастройки. Если после его завершения на дисплее пульта управления нет сообщений об ошибках, следует перейти к программированию.

Далее в основном меню ПО надо выбрать раздел «Программирование». Перечень его параметров определяется следующими условиями:

• Управление работой ПЧ (человек или АСУ).
• Управление работой механизма со стороны ПЧ.

Для рассматриваемого варианта применения алгоритм работы и управления будет следующим:

При подаче команды движения вверх или вниз ПЧ выдает команду на отключение тормоза (размораживает механизм), а затем начинает вращение двигателя с минимальной частоты. В процессе работы лебедки можно регулировать скорость вращения и, соответственно, линейную скорость перемещения зацепа с грузом, выбирая оптимальную.

Вернемся к электрической схеме внешних подключений к ПЧ.

Клеммы 1 и 2 имеют фиксированные функции пуска в прямом и обратном направлении вращения соответственно.

После подачи питания на ПЧ вид управления — дистанционный: световые индикаторы УПР и РЕГ светятся. За это состояние отвечают параметры b1-02 и b1-01 соответственно, т.е. ПЧ уже настроен на внешние команды «ПУСК» и «УПРАВЛЕНИЕ СКОРОСТЬЮ».

Управление тормозом лебедки будет выполнять многофункциональный дискретный выход: клеммы 9-10. К началу вращения, после подачи команды «ПУСК», контакты внутреннего реле замыкают клеммы 9-10 и обеспечивают подачу сигнала управления тормозной системой лебедки. Такой режим обеспечивает функция дискретного выхода «Во время вращения».

В сочетании с режимом торможения постоянным током при пуске можно создать момент на валу двигателя при минимальной выходной частоте, при котором не будет срыва управления, и динамические нагрузки будут минимальными.

Процесс торможения постоянным током при пуске определяется параметрами:

• В2-01 — частота включения постоянного тока торможения.
• В2-02 — уровень тока торможения.
• В2-03 — время торможения постоянным током при пуске.

При подаче команды «ПУСК» включается торможение двигателя постоянным током, но тормоз еще не отключен. В течение времени торможения происходит предварительное намагничивание двигателя, и к моменту отключения тормоза на его валу уже создан начальный момент. Это поясняют следующие временные диаграммы:

При опускании груза направление вращения вала двигателя совпадает с направлением вектора силы, которая определяется массой груза, и эта сила пытается увеличить скорость вращения вала двигателя. Таким образом, двигатель переходит в генераторный режим работы.

ЭДС, которая вырабатывается двигателем в таком режиме, поступает в ПЧ, повышая напряжение на звене постоянного тока. Чтобы исключить аварийные остановки привода из-за перегрузки по напряжению, предусмотрен тормозной резистор. Он подключается к звену постоянного тока, когда напряжение ЗПТ достигает критического значения и рассеивает в тепло излишек электроэнергии.

Обобщая вышесказанное, можно составить минимальный список параметров с конкретными значениями для программирования режимов работы и управления ЧРП грузовой лебедки:

• А1-03=2220,
• А1-02=2,
• А1-01=4,
• В2-01=0,5,
• В2-02=50.0,
• В2-03=1.0,
• Н2-01=37.

Рассмотренный пример ЧРП грузовой лебедки с применением ПЧ «Веспер» серии EI-9011 можно использовать как базовый — для проектирования более сложных механизмов подъема, с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Руководствуясь представленной схемой легко составить последовательность, в которой должно производиться подключение электродвигателя. Первым делом устанавливается основной силовой автомат. Его номинальное напряжение и сила тока должны быть рассчитаны на те, которые будет потреблять двигатель. Только в этом случае можно быть уверенным в бесперебойной работе. Перед монтажом автомата для двигателя потребуется обесточить сеть. Следующим устанавливается предохранительный выключатель. После него фазный кабель уходит на разрыв, на кнопку стоп, а уже от нее делается подключение к контакторам. На каждом элементе контактора и кнопочного поста обычно делаются соответствующие обозначения, которые упрощают процесс подключения. Видео о сборке тестовой схемы можно посмотреть ниже.

Переключение с треугольника в звезду

Известно, что недогруженные электродвигатели работают с очень низким коэффициентом мощности cos§. Поэтому рекомендуется недогруженные электродвигатели заменять менее мощными. Если, однако, выполнить замену нельзя, а запас мощности велик, то не исключено повышение cos? переключением с треугольника в звезду. Нужно при этом измерить ток в цепи статора и убедиться в том, что он при соединении в звезду не превышает при нагрузке номинального тока, в противном случае электродвигатель перегреется.