Пуск и управление электродвигателем

Почему при пуске конвейера мигает свет и почему звезда-треугольник может не сдвинуть ленту? Выбирай способ пуска и нагрузку и смотри ток, момент и время разгона.

01 Что это такое

Асинхронный двигатель при пуске берет из сети в 5–7 раз больше номинального тока. Способ пуска решает, выдержит ли сеть, хватит ли момента сдвинуть нагрузку и сколько двигатель проживет.

В статоре трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле. Оно наводит ток в стержнях ротора, и ротор тянется за полем, немного отставая: это отставание называют скольжением. Пока ротор стоит, скольжение максимальное, ток в роторе и статоре огромный. По мере разгона ток падает до номинального. Звезда-треугольник и плавный пуск снижают напряжение и ток, но вместе с ними падает момент. Частотный преобразователь меняет частоту и разгоняет двигатель при малом токе и полном моменте.

Поле обгоняет ротор на несколько процентов: в номинале ротор крутится со скоростью 1460 об/мин при поле 1500 об/мин. Пока ротор не разогнался, ток в несколько раз больше номинального.

s: Скольжение. На сколько ротор отстает от поля, в долях: s = (n₀ − n) / n₀. При пуске s = 1, в номинале 0,02–0,03.
I_п: Пусковой ток. Ток при неподвижном роторе, в 5–7 раз больше номинального. Именно он просаживает напряжение у соседей.
U/f: Закон частотного управления. Напряжение меняют пропорционально частоте, тогда магнитный поток и момент двигателя сохраняются на любой скорости.

02 Опыт

Выбирай способ пуска. Нагружай. Смотри на ток. 250 КВТ · 380 В

ЭЛЕКТРОПРИВОД

Разгонится ли конвейер и что увидит сеть?

Рис. 11.5

ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Наибольший ток

Время разгона

Провал напряжения сети

03 Формулы по буквам

Момент, пусковой ток и частота

Формула Клосса описывает, как момент асинхронного двигателя зависит от скольжения. Пусковой ток и способы его снизить, а также связь частоты со скоростью. Числа берутся из опыта. Как сеть реагирует на пусковой ток, разобрано в теме «Электроснабжение рудника».

Какой момент дает двигатель?

M = 2M_к / (s/s_к + s_к/s)

Формула Клосса. Момент растет от пуска до критического скольжения s_к, где он максимальный, а потом быстро падает к нулю у синхронной скорости. Рабочий участок короткий и крутой: двигатель держит скорость почти постоянной.

M: момент двигателя, в долях номинального M_н
M_к: максимальный (критический) момент, обычно 2–3 M_н
s: скольжение, от 1 при пуске до 0 у синхронной скорости
s_к: критическое скольжение, 0,1–0,2. В двигателях с глубоким пазом при пуске больше

Насколько звезда снижает ток?

I_Y = I_Δ / 3, M_Y = M_Δ / 3

В звезде на каждую обмотку приходится в √3 раз меньше напряжения, ток обмотки падает в √3 раз, а ток линии еще в √3 раз, итого втрое. Момент пропорционален квадрату напряжения и тоже падает втрое.

I_Y, I_Δ: пусковой ток линии в звезде и в треугольнике, А
M_Y, M_Δ: пусковой момент в звезде и в треугольнике
I_п: пусковой ток прямого пуска: (5–7) · I_н

Как частота меняет скорость?

n₀ = 60 · f / p, U / f = const

Скорость поля прямо пропорциональна частоте сети. Частотник плавно поднимает частоту от нуля, а напряжение вместе с ней. Двигатель все время работает на малом скольжении: ток близок к номинальному, а момент полный.

n₀: синхронная скорость поля, об/мин
f: частота питания, Гц
p: число пар полюсов. У двигателя на 1500 об/мин p = 2
U / f: отношение напряжения к частоте, В/Гц: держит постоянный магнитный поток

Откуда берется время разгона

Вал разгоняется избытком момента: J · dω/dt = M − M_с. J это момент инерции ротора, муфты, редуктора и всего, что крутится, приведенный к валу двигателя. У груженого конвейера он огромный: разгоняется лента с рудой.

Пока момент двигателя больше момента сопротивления, скорость растет. Где кривые пересекаются, наступает установившийся режим. Если момент двигателя на старте меньше момента трогания, двигатель стоит под пусковым током: так бывает со звездой на груженом конвейере.

Время разгона приближенно t ≈ J · ω₀ / (M_ср − M_с.ср), где в скобках средний избыток момента за разгон. Прямой пуск дает большой избыток и короткий разгон ценой огромного тока. Частотник разгоняет медленнее, но без удара по сети и по ленте.

Площадь между кривыми это избыток момента. Чем она больше, тем быстрее разгон.

04 Где и зачем это применяют

Каждый пуск это удар по сети, механике и обмотке

Магистральный конвейер
Длинную ленту с рудой разгоняют частотниками на нескольких приводных барабанах. Мягкий разгон бережет ленту и стыки от рывка, а ток не валит сеть.
Насосы водоотлива
Плавный пуск и плавный останов убирают гидроудар в напорном трубопроводе. Частотник еще и подстраивает подачу под приток воды.
Дробилки и мельницы
Тяжелый маховик и момент трогания под завалом руды требуют большого пускового момента. Для них берут частотник или двигатель с фазным ротором и пусковыми резисторами.
Вентиляторы и компрессоры
Момент сопротивления растет как квадрат скорости, на старте его почти нет. Здесь хорошо работает звезда-треугольник и плавный пуск.
Тяговые двигатели самосвала
У карьерного самосвала с электроприводом мотор-колеса питаются от инвертора, который меняет частоту от нуля до максимума. Подробно в теме «Дизель-электрический привод карьерного самосвала».
Защита двигателя
Тепловое реле и защита от затянутого пуска отключают двигатель, если он не разогнался за положенное время. Частые пуски подряд перегревают обмотку сильнее, чем работа под нагрузкой.

Допущения модели+

Двигатель 250 кВт, 380 В, номинальный ток 450 А, синхронная скорость 1500 об/мин. Момент по формуле Клосса с максимальным моментом 2,5 M_н; критическое скольжение растет при пуске от 0,12 до 0,47, чтобы учесть вытеснение тока в стержнях ротора. Ток по упрощенной схеме замещения: намагничивающий ток 0,4 I_н, пусковой 6,5 I_н. При частотном управлении кривые сдвигаются по частоте с постоянным потоком. Плавный пуск поднимает напряжение за 8 с и держит ток не больше 3 I_н, частотник поднимает частоту за 10 с и держит ток не больше 1,5 I_н. Звезда переключается на треугольник при 85 % скорости или через 6 с. Электромагнитные переходные процессы и бросок тока в момент переключения не моделируются. Слабая сеть задана сопротивлением, которое снижает напряжение пропорционально току.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →