Асинхронный запуск синхронного двигателя

Конструктивное и техническое построение синхронных электродвигателей обуславливает особенности в их функционировании и использовании. Одно из основных отличий машин этого типа состоит в невозможности их запуска при подключении напрямую к питающей сети.

Синхронные двигатели, также как и асинхронные машины, относятся к электроприводам переменного тока, преобразующим электроэнергию в механическое перемещение вала. Ввиду иного принципа действия существует ряд обязательных условий для корректной работы и эксплуатации. Одним из таких требований является запуск электрооборудования.

Назначение и конструктивное исполнение

Прежде чем перейти к подробному рассмотрению процесса запуска синхронного двигателя (СД) не лишним будет кратко повторить основные аспекты теории. Что такое СД, как взаимодействуют его элементы, какие виды бывают и почему этот тип эл/приводов так называют. После этого можно рассмотреть способы пуска.

Синхронный двигатель (СД) – электрооборудование, работа которого обеспечивается электродвижущей силой, возникающей при взаимодействии магнитных полей статорного и роторного механизма. Этот принцип является основополагающим для конструирования электромоторов разных видов. Несмотря на единый подход, приводное оборудование имеет свои отличия.

Главная особенность заключается в конструкции подвижного механизма и принципе его вращения. В зависимости от требуемой мощности ротор может:

• содержать постоянные магниты и быть инициатором магнитоэлектрического возбуждения;
• представлять собой электромагниты, инициирующие электромагнитное возбуждение.

Первый вариант применяется для электромашин небольшой мощности. Постоянные магниты изготавливаются из магнитотвердых материалов, способных сохранять состояние намагниченности. Они могут иметь как встроенное, так и поверхностное расположение на роторе.

Второй вид исполнения роторного блока предполагает устройство ферромагнитного сердечника с электрообмоткой. При нахождении под напряжением такая система является источником магнитного потока, взаимодействующего с полем статора.

Определение синхронизма, то есть одинаковости, основано на равенстве частоты оборотов ротора и магнитного поля статора. В этом состоит ключевое отличие принципа действия электрооборудования, определяющее его технические возможности, особенности эксплуатации и область применения. Этот же фактор напрямую влияет на пуск синхронных двигателей.

Аспекты запуска

Принцип работы СД накладывает ряд требований, без выполнения которых не только плавный пуск, но и сам запуск синхронного эл/мотора невозможен. В СД вращающееся поле создается трехфазным током в цепях статора.

При этом мощность, развиваемая на валу электродвигателя, компенсируется мощностью, поступающей из питающей сети.

То есть взаимодействием тока статорного устройства с полем роторного механизма инициируется возникновение крутящего момента.

Как уже упоминалось, скорости ротора и поля статорного узла синхронны. При возникновении разницы в какой-то период времени полюса роторно-статорного механизма расположатся друг напротив друга.

В результате магнитная связь нарушится, поскольку одноименные полюса будут отталкиваться. Ротор перестанет испытывать действие крутящего момента и остановится.

Поэтому обеспечение одновременности вращения для синхронного двигателя является основополагающим условием его функционирования.

Но осуществление самостоятельного пуска в работу с прямым сетевым подключением невозможен.

Роторный механизм по причине своей инерционности не способен быстро достичь частоты поля статора, тогда как вращение последнего устанавливается одновременно с подключением к сети электропитания.

Поэтому между полюсами возбужденного роторного узла и вращающегося поля устойчивая связь, создающая вращающий момент, не возникает.

Методы включения

Исходя из того, что прямой пуск невозможен, включение в рабочий процесс синхронного двигателя осуществляется с выполнением дополнительных мероприятий. Вне зависимости от способов пуска в действие электропривода суть каждого заключается в предварительном приведении подвижной части в движение с оборотами, близкими к частоте основного поля.

При пуске поток настолько медленно перемещается относительно магнитных центров крутящегося вала, что при подключении возбуждающей электрообмотки к источнику питания между роторными полюсами и полем статора устанавливается магнитная связь. Именно она обеспечивает возникновение одинакового электромагнитного момента. Под его действием вал электромотора втягивается в синхронизм.

Существуют несколько способов пуска синхронных двигателей. Практическое применение получили три из них:

• посредством вспомогательного электрооборудования;
• асинхронный, в том числе автотрансформаторный и реакторный пуск;
• частотный пуск синхронного двигателя.

Каждая схема пуска синхронного двигателя имеет свои достоинства и недостатки относительно сложности конструктивного и технического исполнения, финансовых затрат, габаритов приводных узлов. Поэтому там, где оптимальным будет, например, реакторный пуск, более дорогостоящий частотный разумнее не применять. Какой способ станет оптимальным, зависит от множества факторов.

Пуск и остановка синхронного двигателя должны выполняться с соблюдением определенной последовательности действий и условий. Поэтому для снижения риска выхода из строя электропривода на старте предусматривается система защиты синхронного двигателя от затянувшегося включения. А на стадии остановки соблюдают следующий алгоритм:

• снижают ток возбуждения до величины равной минимальным токовым параметрам статора;
• отключают статорный узел;
• размыкают возбуждающую электроцепь.

Отклонение от этой последовательности чревато скачком токовых величин в статоре, перенапряжениям и, как следствие, нарушением целостности изоляции.

Старт при помощи вспомогательного оборудования

Пуск в ход синхронного двигателя с дополнительным приводом аналогичен процессу включения синхронного генератора на параллельную работу.

Фактически запуск осуществляется с помощью вспомогательного (разгонного) электромотора.

При этом вал возбужденного электродвигателя приводится во вращение, разгоняется до требуемой частоты и через синхронизирующее устройство подключается к электросети. Затем вспомогательный привод отключается.

Подобный способ пуска предусматривает использование машины значительно меньшей мощности, составляющей 5-15% от мощности СД.

Применение пускового электропривода большей несущей способности, достаточной для разгона нагруженного мотора, нерационально с точки зрения громоздкости и экономичности.

Поэтому этим методом осуществляется пуск эл/двигателей или без нагрузки или при ее незначительной величине.

Процесс пуска синхронного двигателя выполняется асинхронным мотором с фазным ротором с числом полюсов на два меньше, по сравнению с их количеством у СД.

Это необходимо для разгона вала приводимого механизма до требуемых оборотов. Регулирование скорости асинхронной машины обеспечивают регулировочным реостатом.

На практике этот способ пуска применяют только для мощных машин, т.к. такой тип привода для моторов, например, 6кв не рационален.

Асинхронный запуск

Наиболее распространенным способом пуска является метод с использованием пусковых короткозамкнутых (демпферных) электроповодников, расположенных в пазах полюсных элементов. Электрообмотки выполнены в виде латунных или металлических стержней, которые с двух сторон замыкают медными кольцами (на рисунке позиция «б»).

При пуске обмотку возбуждения (ОВ) замыкают на резистор, а цепь статора подключают к сети электропитания (поз. «а»). Вращающееся поле статорного устройства индуцирует в стержнях ЭДС, вследствие чего в них возникают токи. При их взаимодействии с магнитным потоком статора на каждый стержень действует электромагнитная сила Fэм, вызывающая вращение.

После достижения предсинхронной скорости, ОВ подключается к источнику постоянного питания. Образующийся момент разгоняет ротор электродвигателя до синхронизма. В это время в пусковой цепи больше не наводится ЭДС, поэтому асинхронный момент равен нулю. Затем демпферная КЗ-электрообмотка осуществляет лишь успокоительную функцию, ограничивая возможные колебания вала.

Процесс пуска синхронного двигателя должен производиться при замкнутой ОВ на активное электросопротивление, величина которого должна быть ориентировочно в десятикратном размере больше электросопротивления возбуждающей электроцепи.

При этом замыкание ОВ накоротко в период разгона нежелательно, поскольку на роторе формируется замкнутый контур, создающий асинхронный момент. При половинной предсинхронной скорости, момент превращается в тормозящий и происходит определенное торможение синхронного двигателя.

Имеет место, так называемый, «провал» в моментной величине, значительно снижающий пусковые качества СД.

Существуют и другие ограничения и особенности пуска с использованием КЗ-обмоток. Это связано с возникновением на старте большого пускового тока.

В связи с этим СД подключаются к сети переменного тока только при ее соответствующей мощности, выдерживающей пяти- и семикратные превышения токовых нагрузок относительно номинальных значений эл/мотора.

При недостаточной мощности электросети для ограничения скачков тока включение в работу осуществляется с помощью пониженного напряжения. Такие способы пуска носят название автотрансформаторный или реакторный пуск.

Реакторы и автотрансформаторы обеспечивают принудительное снижение быстроты нарастания тока и его величины в рабочих обмотках. Реакторный пуск предусматривает установку реакторов в каждую цепь питания фазной электроцепи СД.

В связи с этим токовые значения не вырастают скачкообразно и включение получается более плавным, чем прямой пуск.

При разгоне электрооборудования до предсинхронных оборотов выключатель К1 выводит индуктивный компонент из электроцепи и эл/привод работает в штатном режиме.

Частотное включение

Частотный пуск синхронного двигателя выполняется посредством пониженного напряжения с небольшой токовой частотой. Это возможно при наличии источника питания, способного регулировать частоту под требуемые параметры. В этом случае скорость магнитного потока также будет невелика, и полюса роторного узла будут вращаться вместе с ним.

По мере того, как скорости становятся одинаковыми, стартовую частоту питающего тока постепенно увеличивают, разгоняя ротор до номинального значения. Такой способ пуска считается мягким, обеспечивающим плавный пуск. Его недостатком является необходимость в источнике питания регулируемой частоты и напряжения.

Современный частотный пуск синхронного двигателя реализуется на базе схем на полупроводниковых элементах – тиристорных преобразователях.

Они снижают характер изменения напряжения, практически не меняя действующее значение.

Такой способ пуска в системах автоматики обеспечивает сокращение времени на разгон, что положительно отражается на производительности автоматизированных систем, но в то же время требует более сложной схемы включения.

Защита электродвигателя на старте

Система защиты синхронного двигателя от затянувшегося включения предназначена для снижения негативного влияния чрезмерно высокого момента, возникающего, когда СД запускается. Причина возникновения больших моментных величин состоит в недостаточном возбуждении или его отсутствии в эл/двигателе во время старта. Схема защиты предусматривает применение:

• реле нулевого тока, осуществляющего контролирование токовой нагрузки при возбуждении;
• реле времени, отсчитывающего длительность нормального старта.

Система защиты синхронного двигателя от затянувшегося включения срабатывает, когда величина тока возбуждения в эл/моторе не достигла достаточного уровня за время, соответствующее нормальному старту.

В этом случае защитная система от затянувшегося пуска прерывает процесс включения, отключая питание статора.

Подобная схема защиты относится к категории специальных функций электроприводов, одновременно с защитой от обрыва электрообмотки, превышения скорости, перенапряжения и др.

Пуск синхронных двигателей

Если говорить простым языком, то синхронным называют электродвигатель, у которого скорость вращения ротора (вала) совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора.

Кратко рассмотрим принцип действия такого электродвигателя — он основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, которое обычно создаётся трёхфазным переменным током и постоянного магнитного поля ротора.

Постоянное магнитное поле ротора создаётся за счет обмотки возбуждения или постоянных магнитов.

Ток в обмотках статора создаёт вращающееся магнитное поле, тогда как ротор в рабочем режиме представляет собой постоянный магнит, его полюса устремляются к противоположным полюсам магнитного поля статора. В результате ротор вращается синхронно с полем статора, что и является его основной особенностью.

• Напомним, что у асинхронного электродвигателя скорость вращения МП статора и скорость вращения ротора отличаются на величину скольжения, а его механическая характеристика «горбатая» с пиком при критическом скольжении (ниже его номинальной скорости вращения).
• Скорость, с которой вращается магнитное поле статора, может быть вычислена по следующему уравнению:
• N=60f/p
• f – частота тока в обмотке, Гц, p – количество пар полюсов.
• Соответственно по этой же формуле определяется скорость вращения вала синхронного двигателя.
• Большинство электродвигателей переменного тока, используемых на производстве, выполнены без постоянных магнитов, а с обмоткой возбуждения, тогда как маломощные синхронные двигатели переменного тока выполняются с постоянными магнитами на роторе.

Ток к обмотке возбуждения подводится за счет колец и щеточного узла. В отличие от коллекторного электродвигателя, где для передачи тока вращающейся катушке используется коллектор (набор продольно расположенных пластин), на синхронном установлены кольца поперек одного из концов статора.

Источником постоянного тока возбуждения в настоящее время являются тиристорные возбудители, часто называемые «ВТЕ» (по названию одной из серий таких устройств отечественного производства). Ранее использовалась система возбуждения «генератор-двигатель», когда на одном валу с двигателем устанавливали генератор (он же возбудитель), который через резисторы подавал ток в обмотку возбуждения.

Ротор почти всех синхронных двигателей постоянного тока выполняется без обмотки возбуждения, а с постоянными магнитами, они хоть и похожи по принципу действия на СД переменного тока, но по способу подключения и управления ими очень сильно отличаются от классических трёхфазных машин.

Одной из основных характеристик электродвигателя является механическая характеристика. Она у синхронных электродвигателей приближена к прямой горизонтальной линии. Это значит, что нагрузка на валу не влияет на его обороты (пока не достигнет какой-то критической величины).

Это достигается именно благодаря возбуждению постоянным током, поэтому синхронный электродвигатель отлично поддерживает постоянные обороты при изменяющихся нагрузках, перегрузках и при просадках напряжения (до определенного предела).

Ниже вы видите условное обозначение на схеме синхронной машины.

Прямой пуск асинхронного электродвигателя

Как уже было сказано выше, прямое включение обмотки асинхронного двигателя может применяться только при низкой мощности. В этом случае пусковой ток превышает номинальный в 5-7 раз, что не является проблемой для коммутационного оборудования и электропроводки.

1. Основной проблемой прямого пуска становится подключение нескольких электродвигателей к маломощной подстанции или генератору.
2. Включение в сеть нового электродвигателя может вызвать настолько сильную просадку напряжения, что уже работающие двигатели остановятся, а новому мотору не хватит пускового момента, чтобы стронуться с места.
3. Пусковой ток асинхронного двигателя достигает максимального значения в момент включения и плавно снижается до номинального по мере раскрутки ротора.
4. Следовательно, для уменьшения времени перегрузки сети асинхронный двигатель должен включаться с минимальной нагрузкой, если это возможно.
5. Мощные токарные станки, гильотины для рубки металла не имеют фрикционных муфт, и все их вращающиеся механизмы раскручиваются в момент включения электродвигателя.
6. В этом случае длительные просадки напряжения приходится прямо закладывать в проектируемое для них электроснабжение.

Применение сопротивления при пуске

Метод применим для асинхронных двигателей, подключаемых к однофазной сети, и имеющих первичную дополнительную обмотку с короткозамкнутым ротором. Так называют мотор с расщепленной фазой, электроцепь которого имеет высокое активное сопротивление.

Чтобы пустить в ход двигатель, питаемый от однофазной сети, необходим пусковой резистор, соединяемый последовательно с дополнительной намоткой. Тогда сдвиг фаз составляет 30 градусов. Этого хватает для разгона. Ниже представлена схема, согласно которой достигается омический сдвиг фаз.

Вместо резистора можно применить дополнительную обмотку высокого сопротивления, но низкой индуктивности. В этом случае намотка имеет мало витков, которые выполняются из провода меньшего сечения в отличие от того, что используется для рабочей намотки.

В России с конвейера выходят моторы, подключаемые к однофазной сети, оснащенные резистором для сдвига фаз. Их мощность варьируется в диапазоне 18-600 Вт. Двигатели рассчитаны для сетей с напряжением 127, 220 или 380 Вольт и переменным током с частотой 50 Гц.

Сфера применения

Синхронные двигатели стоят дороже чем асинхронные, к тому же требуют дополнительного источника постоянного тока возбуждения – это отчасти снижает ширину области применения этого вида электрических машин. Однако, синхронные электродвигатели используют для привода механизмов, где возможны перегрузки и требуется точное поддерживание стабильных оборотов.

При этом чаще всего используются в области больших мощностей — сотен киловатт и единиц мегаватт, и, при этом, пуск и остановка происходят достаточно редко, то есть машины работают круглосуточно долгое время

Такое применение обусловлено тем, что синхронные машины работают с cosФи приближенном к 1, и могут выдавать реактивную мощность в сеть, в результате чего улучшается коэффициент мощности сети и снижается её потребление, что важно для предприятий

Реакторный пуск

В этом случае двигатель пускается при пониженном напряжении сети с помощью реактора или трансформатора. Реакторный пуск рекомендуется в первую очередь и только при невозможности его использования допу-скается автотрансформаторный пуск.
 

Реакторный пуск синхронных компенсаторов ( рис. 5 — 1 ж), принятый сейчас как основной, применен для мощных машин.
 

Реакторный, или автотрансформаторный, пуск осуществляется подачей на обмотки электродвигателей напряжения, сниженного с помощью автотрансформатора или чаще всего реактора, которые отключаются при разгоне агрегата до подсин-хронной частоты вращения. При реакторных пусках снижаются момент, развиваемый двигателем при пуске, толчки и вибрации машины, потребляемая мощность, нагрев обмоток и падение напряжения и увеличивается время пуска.
 

Конденсаторный или реакторный пуск.
 

Пуск электродвигателей серии ВДС 325 — прямой асинхронный от сети, имеющей полное напряжение. Электродвигатели ВДС 325 имеют реакторный пуск от сети с пониженным напряжением.
 

Трехфазный асинхронный двигатель с кратностью начального пускового тока kj 5 6 и кратностью начального пускового момента kn — 1 3 пускается в ход при нагрузке Мв 0 5 Мн. Применим ли в этом случае реакторный пуск.
 

Дают возможность регулировании напряжения. При до-статичнои мощности подстанции возможен реакторный пуск или непосредственный пуск от шип.
 

Схема электрических соединений насосной станции должна обеспечивать прямой пуск асинхронных и синхронных электродвигателей от полного напряжения сети.

Для мощных электродвигателей в соответствии с указаниями заводов-изготовителей может применяться реакторный пуск.

Использование крупных синхронных электродвигателей для работы в компенсаторном режиме в перерывах водоподачи должно быть обосновано технико-экономическими расчетами.
 

Вспомогательная схема токовых цепей защит электродвигателей с реакторным пуском от многофазных КЗ. а — при применении токовой отсечки. б — при применении дифференциальной защиты. М — электродвигатель. L — пусковой реактор. Ql, Q2 — выключатели. ТА1 — ТАЗ — трансформаторы тока. АК1, АК2 — комплекты токовых отсечек. АК — комплект дифференциальной защиты.| Принципиальная схема дифференциальной защиты электродвигателя М с реле.

Если применена дифференциальная защита, то в плече защиты со стороны питания с той же целью устанавливается двухфазная двухрелейная отсечка без выдержки времени, которая для повышения чувствительности выводится из действия на время пуска электродвигателя. На рис. 2.192 показаны блок-схемы токовых цепей защит электродвигателей с реакторным пуском.
 

Пуск синхронных компенсаторов осуществляется различными способами: асинхронный — непосредственно от сети, от разгонного двигателя, через автотрансформатор и через реактор; асинхронный пуск применяется только при малых мощностях компенсаторов.

Наиболее простым способом пуска, чаще всего применяемым на практике, является реакторный пуск компенсатора.

Синхронные компенсаторы типа КС до 30 000 ква включительно имеют воздушное охлаждение, а компенсатор типа КСВ-37500 ква — водородное охлаждение.
 

Прямая ( а и обратная ( б схемы включения пусковых автотрансформаторов.

Однако это преимущество автотрансформаторного пуска достигается ценой значительного усложнения и удорожания пусковой аппаратуры. Поэтому автотрансформаторный пуск применяется реже реакторного, при более тяжелых условиях, когда реакторный пуск не обеспечивает необходимого пускового момента.
 

Схема пуска синхронного двигателя с реактором.

Все аппараты управления синхронным двигателем размещаются на станциях управления. На рис. 39 показан общий вид фасада станции управления ПН7028 для синхронных двигателей с реакторным пуском. Кроме аппаратов, перечисленных при описании схемы пуска синхронного двигателя СТМ-4000-2, на станции управления показаны приборы и аппараты, применяемые в управлении двигателей.
 

Пуск синхронных двигателей: особенности и способы пуска

Для обеспечения работы мощных электроприводов применяются синхронные электродвигатели. Они нашли применение в компрессорных установках, насосах, в системах, прокатных станах, вентиляторах.

 Применяются в металлургической, цементной, нефтегазовой и других отраслях промышленности, где необходимо использовать оборудование большой мощности.

В этой статье мы решили рассказать читателям сайта Сам Электрик, как может выполняться пуск синхронных двигателей.

Преимущества и недостатки

Конструктивно синхронные двигатели сложнее асинхронных, но они имеют ряд преимуществ:

• Работа синхронных электродвигателей в меньшей степени зависит от колебания напряжения питающей сети.
• По сравнению с асинхронными, они имеют больший КПД и лучшие механические характеристики при меньших габаритах.
• Скорость вращения не зависит от нагрузки. То есть колебания нагрузки в рабочем диапазоне не влияют на обороты.
• Могут работать со значительными перегрузками на валу. Если возникают кратковременные пиковые перегрузки, повышением тока в обмотке возбуждения компенсируют эти перегрузки.
• При оптимально подобранном режиме тока возбуждения, электродвигатели не потребляют и не отдают в сеть реактивную энергию, т.е. cosϕ равен единице. Двигатели, работая с перевозбуждением, способны вырабатывать реактивную энергию. Что позволяет их использовать не только в качестве двигателей, но и компенсаторов. Если необходима выработка реактивной энергии, на обмотку возбуждения подается повышенное напряжение.

При всех положительных качествах синхронных электродвигателей у них имеется существенный недостаток – сложность пуска в работу. Они не имеют пускового момента. Для запуска требуется специальное оборудование. Это долгое время ограничивало использование таких двигателей.

Способы пуска

Пуск синхронных электродвигателей можно осуществить тремя способами – с помощью дополнительного двигателя, асинхронный и частотный запуск. При выборе способа учитывается конструкция ротора.

Он выполняется с постоянными магнитами, с электромагнитным возбуждением или комбинированным. Наряду с обмоткой возбуждения на роторе смонтирована короткозамкнутая обмотка – беличья клетка. Её также называют демпфирующей обмоткой.

Запуск с помощью разгонного двигателя

Этот метод пуска редко применяется на практике, потому что его сложно реализовать технически. Требуется дополнительный электродвигатель, который механически соединен с ротором синхронного двигателя.

С помощью разгонного двигателя раскручивается ротор до значений близких к скорости вращения поля статора (к синхронной скорости). После чего на обмотку возбуждения ротора подают постоянное напряжение.

Контроль осуществляется по лампочкам, которые включены параллельно рубильнику, подающему напряжение на обмотки статора. Рубильник должен быть отключен.

В первоначальный момент лампы мигают, но при достижении номинальных оборотов они перестают гореть. В этот момент подают напряжение на обмотки статора. После чего синхронный электродвигатель может работать самостоятельно.

Затем дополнительный мотор отключается от сети, а в некоторых случаях его отсоединяют механически. В этом состоят особенности пуска с разгонным электродвигателем.

Асинхронный запуск

Метод асинхронного пуска на сегодня самый распространенный. Такой запуск стал возможен после изменения конструкции ротора.

Его преимущество в том, что не нужен дополнительный разгонный двигатель, так как дополнительно к обмотке возбуждения в ротор вмонтировали короткозамкнутые стержни беличьей клетки, что дало возможность запускать его в асинхронном режиме. При таком условии этот способ пуска и получили широкое распространение.

Сразу же рекомендуем просмотреть видео по теме:

При подаче напряжения на обмотку статора происходит разгон двигателя в асинхронном режиме. После достижения оборотов близких к номинальным, включается обмотка возбуждения.

Электрическая машина входит в режим синхронизма. Но не все так просто. Во время пуска в обмотке возбуждения возникает напряжение, которое возрастает с ростом оборотов. Оно создает магнитный поток, который воздействует на токи статора.

При этом возникает тормозящий момент, который может приостановить разгон ротора. Для уменьшения вредного воздействия обмотки возбуждения подключают к разрядному или компенсационному резистору.

На практике эти резисторы представляют собой большие тяжелые ящики, где в качестве резистивного элемента используются стальные спирали. Если этого не сделать, то из-за возрастающего напряжения может произойти пробой изоляции.

Что повлечет выход оборудования из строя.

После достижения подсинхронной частоты вращения, от обмотки возбуждения отключаются резисторы, и на нее подается постоянное напряжение от генератора (в системе генератор-двигатель) или от тиристорного возбудителя (такие устройства называются ВТЕ, ТВУ и так далее, в зависимости от серии). В результате чего двигатель переходит в синхронный режим.

Недостатками этого метода являются большие пусковые токи, что вызывает значительную просадку напряжения питающей сети. Это может повлечь за собой остановку других синхронных машин, работающих на этой линии, в результате срабатывания защит по низкому напряжению. Для уменьшения этого воздействия цепи обмоток статора подключают к компенсационным устройствам, которые ограничивают пусковые токи.

Это могут быть:

1. Добавочные резисторы или реакторы, которые ограничивают пусковые токи. После разгона они шунтируются, и на обмотки статора подается сетевое напряжение.
2. Применение автотрансформаторов. С их помощью происходит понижение входного напряжения. При достижении скорости вращения 95-97% от рабочей, происходит переключение. Автотрансформаторы отключаются, а на обмотки подается напряжение сети переменного тока. В результате электродвигатель входит в режим синхронизации. Этот метод технически более сложный и дорогостоящий. А автотрансформаторы часто выходят из строя. Поэтому на практике этот метод редко применяют.

Частотный пуск

Частотный пуск синхронных двигателей применяется для запуска устройств большой мощности (от 1 до 10 МВт) с рабочим напряжением 6, 10 Кв, как в режиме легкого запуска (с вентиляторным характером нагрузки), так и с тяжелым пуском (приводов шаровых мельниц). Для этих целей выпускаются устройства мягкого частотного пуска.

Принцип работы аналогичен высоковольтным и низковольтным устройствам, работающим по схеме преобразователя частоты.

Они обеспечивают пусковой момент до 100% от номинала, а также обеспечивают запуск нескольких двигателей от одного устройства.

Пример схемы с устройством плавного пуска вы видите ниже, оно включается на время запуска двигателя, а затем выводится из схемы, после чего двигатель включается в сеть напрямую.

Системы возбуждения

До недавнего времени, для возбуждения применялся генератор независимого возбуждения. Он располагался на одном валу с синхронным электродвигателем. Такая схема еще применяется на некоторых предприятиях, но она устарела и теперь не применяется. Сейчас для регулировки возбуждения используются тиристорные возбудители ВТЕ.

Они обеспечивают:

• оптимальный режим пуска синхронного двигателя;
• поддержание заданного тока возбуждения в заданных пределах;
• автоматическое регулирование напряжения возбуждения в зависимости от нагрузки;
• ограничение максимального и минимального тока возбуждения;
• мгновенное увеличение тока возбуждения при понижении питающего напряжения;
• гашение поля ротора при отключении от питающей сети;
• контроль состояния изоляции, с оповещением о неисправности;
• обеспечивают проверку состояния обмотки возбуждения при неработающем электродвигателе;
• работают с высоковольтным преобразователем частоты, обеспечивая асинхронный и синхронный запуск.

Эти устройства отличаются высокой надежностью. Основным недостатком является высокая цена.

В заключение отметим, что самый распространенный способ пуска синхронных двигателей — это асинхронный запуск. Практически не нашел применения пуск с помощью дополнительного электродвигателя. В то же время частотный запуск, который позволяет в автоматическом режиме решить проблемы пуска, довольно дорогостоящий.

Материалы по теме:

Способы запуска синхронных двигателей: типовые схемы и описание способов запуска, системы возбуждения

Синхронные двигатели, как правило, используются для того, чтобы максимально эффективно обеспечить работу крупных электрических приводов.

Оборудование с большой мощностью используют во многих промышленных сферах, его могут применять, например, металлургические или нефтегазовые компании.

Такие предприятия используют агрегаты для вентиляции, компрессоры, электронасосы, системы машин для обработки давлением металлов между вращающимися валками. Сегодня мы представим Вам обзор, как работают синхронные двигатели.

Преимущества и недостатки

Если сравнивать синхронные электродвигатели с асинхронными двигателями, однозначно у первых более сложный механизм, но также нужно выделить их существенные преимущества:

• Работа синхронных двигателей не особо зависит от интенсивности напряжения.
• Важным плюсом синхронных двигателей являются их сравнительно небольшие габариты, при этом их эффективность и механические функции намного лучше.
• Независимо от того, какие будут колебания нагрузки, это никак не повлияет на обороты и скорость вращения.
• Даже в случае значительных перегрузок на валу, синхронный двигатель будет работать без проблем, компенсируя такие пиковые скачки тем, что будет повышен ток в обмотке возбуждения.
• Синхронные двигатели могут работать так же как компенсаторы, благодаря тому, что они могут производить реактивную энергию. Для этого нужно подать повышенное напряжение на обмотку возбуждения. Если же выставить ток возбуждения в оптимальном режиме, не будет потребляться реактивная энергия, так же она не будет уходить на сеть.

При всех вышеперечисленных преимуществах использования синхронных электродвигателей, мы должны так же отметить один основной недостаток – отсутствие пускового момента. То есть, для запуска двигателя, необходимо использовать отдельное оборудование.

Это как раз и есть основная причина, почему синхронные двигатели долгое время были ограничены в использовании.

Способы запуска

Существует 3 способа запуска синхронного двигателя:

• использование дополнительного двигателя,
• асинхронный запуск,
• частотный запуск.

Для того, чтобы понять какой способ запуска применять, нужно разобраться с роторной конструкцией.

Он может быть выполнен с электромагнитным возбуждением, может состоять из постоянных магнитов, и может иметь комбинированную конструкцию. Кроме этого на роторе есть так называемая демпфирующая обмотка, помимо обмотки возбуждения. Такую короткозамкнутую обмотку называют еще «беличьей клеткой».

Использование дополнительного двигателя

Не самый популярный способ запуска, кроме того, не самый простой в плане технической реализации. Для того чтобы использовать такой способ, нужен еще один двигатель, его нужно присоединить к ротору электродвигателя.

Еще один двигатель нужен для того, чтобы скорость ротора соответствовала полю статора, то есть добиться синхронной скорости. Следующим этапом на обмотку возбуждения ротора будет подаваться постоянное напряжение.

Подача напряжения на обмотку статора выполняется при помощи рубильника, и контролировать процесс мы будем благодаря лампочкам, которые включаются одновременно с рубильником. Рубильник нужно выключить.

Сначала лампочки начнут мигать, но как только номинальные обороты будут достигнуты, лампочки перестанут гореть. Дальше подается напряжение на обмотки статора, а наш синхронный двигатель продолжит работу самостоятельно.

Второй дополнительный разгонный двигатель нужно отключить от сети, иногда необходимо механическое отсоединение.

Асинхронный запуск

Этот метод используется чаще всего, возможность использовать такой способ появилась после того, как была изменена конструкция ротора.

Основное преимущество такого метода, это то, что нам не понадобится дополнительно оборудование, так как конструкция ротора содержит в себе короткозамкнутые стержни демпфирующей обмотки, и это позволит нам осуществить асинхронный режим для запуска.

Разгон электродвигателя будет асинхронным, запускаться он будет тогда, когда на статор будет подано напряжение. Как только будет достигнута необходимая скорость, включится обмотка возбуждения.

• Чем больше будет расти скорость оборотов, во время пуска в обмотке возбуждения, тем больше будет расти напряжение.
• При этом возникнет магнитный поток, он будет влиять на электроток статора, а также возникнет подавляющий момент, который может спровоцировать остановку ротора.
• Чтобы уменьшить нежелательное влияние, нам понадобится резистор (либо разрядный, либо компенсационный), мы соединим его с обмоткой возбуждения.
• Такие резисторы имеют форму громоздких боксов, в которых спирали из стали выполняют функцию резистивных элементов.
• Это нужно делать обязательно, так, как существует риск поломки благодаря растущему напряжению.
• После того, как будет достигнута под синхронная частота вращения, резистор будет отключен от обмотки возбуждения.

Дальше при помощи генератора, либо тиристорного возбудителя (ВТЕ, либо ТВУ и тд., зависит от серии), на обмотку пойдет постоянное напряжение. После этого двигатель перейдет в синхронный режим.

Помимо тех плюсов, которые мы описали выше, так же нужно понимать и недостатки такого запуска.

Главное – это значительные пусковые токи, которые могут стать причиной просадки напряжения питающей сети. Если такое случится, остальные синхронные машины, которые задействованы на той же линии, могут остановиться.

В такой ситуации сработают защитные функции из-за низкого напряжения. Чтобы избежать такой ситуации, понадобятся компенсационные устройства, которые мы подключим к цепи обмоток статора, таким образом мы ограничим пусковые токи.

Можно использовать:

1. Дополнительные реакторы либо резисторы для ограничения пусковых токов. Когда произойдет разгон, они шунтируются, и сетевое напряжение пойдет на обмотки статора.
2. Автотрансформаторы. Их можно применять, чтобы понизить напряжение на входе.

   Как только будет достигнута скорость оборотов, не менее 95-97 процентов, будет выполнено переключение. Автотрансформаторы будут отключены, при этом на обмотки будет подано напряжение сети переменного тока. После этого двигатель начнет работать синхронно.

   Данный метод используют не часто, он достаточно дорогой, и емкий по техническим параметрам. Кроме того, трансформаторы очень часто могут ломаться.

Частотный запуск

Если необходимо запустить мощные агрегаты от 1 до 10 МВт, используется еще один метод запуска для синхронных двигателей — это так называемый частотный запуск. Устройства для частотного запуска, как правило, имеют стандартное напряжение от 6 до 10 Кв.

Применяется такой запуск и в легком режиме (используя вентиляторную нагрузку), и в режиме тяжелого пуска (задействуется привод шаровых мельниц). В таких случаях используется специальное устройство.

1. На схеме показан наглядный образец приспособления с очень плавным запуском: когда двигатель будет запущен, устройство включится, дальше будет выведено из схемы, и в результате двигатель будет напрямую подключен к сети.
2. Это точно такая же система, как у низковольтных и высоковольтных устройств, которые работают по схеме частотного преобразования.
3. При таком принципе можно запустить несколько двигателей благодаря одному устройству, а пусковой момент будет при этом доходить до 100%.

Системы возбуждения

Современные приспособления, предназначенные для контроля уровня возбуждения – это тиристорные возбудители ВТЕ.

Несмотря на то, что еще совсем недавно для этого использовали генератор независимого возбуждения, сегодня они перестали быть актуальными. Давайте рассмотрим функции тиристорных возбудителей ВТЕ:

• создают необходимый режим для пуска синхронного двигателя;
• поддерживают параметры тока возбуждения;
• ограничивают крайние уровни тока, автоматом регулируют напряжение возбуждения, если возникает нагрузка;
• в случае, если питающий ток будет понижен, они моментально увеличивают ток возбуждения;
• если отключится питающая сеть, они мгновенно гасят поле ротора;
• в случае проблем с изоляцией, оповещают о проблеме;
• проверяют состояние обмотки возбуждения, если двигатель не работает;
• осуществляют асинхронный и синхронный запуск, при работе высоковольтным частотным преобразованием.

Все эти функции говорят о надежности подобных систем возбуждения. Ну а главный их минус – это дорогостоящее оборудование.

Подводя итоги нашего обзора отметим, что асинхронный способ запуска на сегодня самый популярный, запуск с дополнительным электродвигателем практически никем не используется, частотный запуск эффективный, но имеет очень высокую цену.

Пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель непосредственным включением обмотки статора (якоря) в сеть переменного тока не может быть запущен в ход.

Объясняется это следующим образом. При включении многофазной обмотки якоря в сеть практически мгновенно образуется вращающееся магнитное поле, частота вращения которого nп зависит oт частоты f протекающего по обмоткам тока (nп=60f/р).

«Полюсы» этого поля, перемещаясь в пространстве, будут взаимодействовать то с одноименными, то с разноименными полюсами неподвижного, возбужденного ротора. В соответствии с этим будет меняться направление вращающего момента, действующего на ротор.

В течение половины периода изменения тока в обмотках момент будет направлен в одну сторону, а в течение другой половины — в противоположную.

Пуск мог бы произойти, если бы ротор разогнался до установившейся скорости в течение полупериода, когда вра­щающий момент не меняет свой знак. При частоте 50 Гц полупериод равен 0,01 с. Из-за механической инерции за такое время роторы практически всех синхронных двигателей развернуться не смогут.

Существует несколько способов пуска двигателя. Эти способы заключаются в том, что в процессе пуска ротор двигателя разгоняется до скорости вращающегося поля, после чего двигатель входит в синхронизм и начинает работать как синхронный. Применение получили пуск с помощью разгонного двигателя, частотный пуск и асинхронный пуск. Наибольшее распространение имеет асинхронный пуск.

Пуск с помощью разгонного двигателя состоит в том, что посторонним (разгонным) двигателем ротор синхронной машины разворачивается до номинальной скорости. Обмотка возбуждения включена в сеть постоянного тока, а обмотка статора разомкнута. Затем производят включение ее на параллельную работу с сетью.

После подключения машины к сети разгонный двигатель механически отсоединяют от вала синхронной машины, и последняя переходит в двигательный режим. Мощность разгонного двигателя невелика и составляет 10—20 % номинальной мощности синхронного двигателя.

Эта мощность покрывает мощность механических и магнитных потерь в синхронном двигателе.

Частотный пуск применяется в том случае, если синхронный двигатель подключен к автономному источнику, часто­ту напряжения которого можно изменять от нуля до номинальной.

Если плавно повышать частоту питающего напря­жения, то соответственно будет увеличиваться скорость магнитного поля. Ротор, следуя за полем, постепенно будет повышать свою скорость от нуля до номинальной.

В процессе пуска машина все время работает в синхронном режиме.

Асинхронный пуск аналогичен пуску асинхронного двигателя. Для этого на роторе в полюсных наконечниках размещают пусковую обмотку. Эта обмотка выполняется по типу короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя и имеет то же устройство, что и демпферная обмотка генератора. При пуске трехфазная обмотка статора включается в сеть.

Ток, который будет протекать по этой обмотке, создаст вращающееся магнитное поле. Оно наведет в пусковой обмотке ротора ЭДС и ток. В результате взаимодействия тока пусковой обмотки ротора с вращающимся магнитным полем образуется момент, под действием которого ротор придет во вращение и развернется до ско­рости, близкой к скорости поля ω1.

Вращение его будет происходить со скольжением, которое зависит от нагрузки на валу (ω