СПОСОБ ПЛАВНОГО ПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD OF AC MOTOR SOFT START

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для осуществления плавного пуска как синхронных, так и асинхронных электродвигателей, приводящих в действие разнообразные механизмы.
Для современных электродвигателей, как асинхронных, так и синхронных, доминирующим является асинхронный запуск с помощью короткозамкнутой пусковой обмотки.
ном.
ном.
ном
ном
Однако при прямом асинхронном пуске, то есть при непосредственном подключении нагруженного электродвигателя к питающей сети, имеют место значительные пусковые токи - 5÷8 I и больше (I - номинальный ток двигателя), которые держатся на таком уровне до 80-90% n (n - номинальная частота вращения двигателя), после чего уменьшаются.
Эти токи, являющиеся в начале пуска чисто реактивными, создают значительные посадки напряжения в схемах электроснабжения и значительные электродинамические усилия в обмотках электродвигателей, в токоподводящих кабелях, что приводит к их износу и, в конечном счете, к выходу из строя.
Кроме того, для многих синхронных электродвигателей критичным является тепловыделение в пусковой обмотке, которая по завершении пуска почти не работает.
В связи с этим размеры этой обмотки оптимизируют, а именно для случая прямого пуска от сети параметры обмотки выбирают таким образом, чтобы по завершении пуска температура проводников была достаточно близка к предельно допустимой для этих проводников и соприкасающихся с ними материалов.
Поскольку прямой пуск электродвигателей сопровождается большими токами и тяжелым температурным режимом для пусковой обмотки, количество прямых пусков для электродвигателей средней и большой мощности минимизируется техническими условиями числом порядка 100÷200 в год.
Но реальные условия эксплуатации, требования энергосбережения (например, использование насосов только в ночное время для оплаты электроэнергии по ночному тарифу) требуют неизмеримо большей маневренности и, в частности, снятия ограничений на число пусков электродвигателей, в том числе и самых мощных.
Поэтому вместо прямого пуска электродвигателей применяют так называемый «плавный пуск» [1], суть которого состоит в том, что на обмотки электродвигателя от специального источника подают напряжение, параметры которого (среднее значение, и/или амплитуда, и/или частота, и/или фаза, и/или форма) отличны от параметров напряжения питающей трехфазной сети, и «раскручивают» электродвигатель до номинальной частоты вращения, следя за тем, чтобы ток не превышал заранее заданного значения, после чего электродвигатель подключают непосредственно к питающей трехфазной сети, а специальный источник шунтируют или отключают.
Одним из способов плавного пуска является так называемый «частотный пуск» [2], состоящий в том, что электродвигатель сначала питают от преобразователя частоты, частоту выходного напряжения которого изменяют от нуля до частоты питающей сети.
При этом после достижения частотой на выходе преобразователя частоты значения сетевой частоты преобразователь отключают, а двигатель подключают к питающей сети. Для исключения переходного процесса с броском тока часто перед отключением преобразователь частоты фазируют с сетью.
При частотном пуске, по сравнению с прямым пуском, практически на порядок уменьшается количество тепла, выделяемого в обмотках электродвигателя.
Однако для осуществления такого пуска необходим преобразователь частоты с питанием от сети и с мощностью, которая бы позволяла обеспечить на протяжении всего пуска момент вращения, равный сумме статического и требуемого динамического (обеспечивающего требуемое ускорение) моментов в каждой точке переходного процесса.
Стоимость требуемых в этом случае преобразователей частоты практически равна стоимости преобразователей частоты для регулирования частоты вращения в процессе работы двигателя. Обычно она считается непомерно большой для устройств плавного пуска. Хотя в некоторых особо ответственных случаях, например для турбодвигателей газопроводов, используют и такое решение.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа частотного пуска электродвигателей переменного тока, который имел бы все достоинства известного способа и при этом в нем использовался бы преобразователь частоты уменьшенной, по сравнению с описанной выше, мощностью, который имел бы пониженное напряжение и, соответственно, меньшую стоимость.
Поставленная задача решается тем, что в известный способ плавного пуска электродвигателя переменного тока, в котором электродвигатель подключают к преобразователю частоты, производят частотный пуск электродвигателя до заранее заданного значения частоты выходного напряжения преобразователя частоты, после чего электродвигатель отключают от указанного преобразователя частоты и подключают непосредственно к электросети, внесено усовершенствование, состоящее в том, что указанное заранее заданное значение частоты выходного напряжения меньше номинальной частоты питания электродвигателя.
ном.
Этап разгона с питанием от преобразователя частоты завершается при такой частоте вращения, когда значение пускового момента электродвигателя по характеристике асинхронного пуска становится достаточным для того, чтобы при заданных значениях момента сопротивления успешно завершить процесс запуска от этой частоты вращения до n при питании от сети.
Известно, что стоимость преобразователя частоты существенно зависит от напряжения на его выходе, которое, при той же мощности, зависит от его максимальной частоты. Поскольку максимальная частота используемого в заявляемом способе преобразователя частоты меньше номинальной частоты питания, напряжение этого преобразователя может быть меньше напряжения питающей сети, что существенно снижает технические требования к преобразователю частоты и, соответственно, его стоимость.
Требуемая габаритная мощность такого преобразователя, который должен работать единицы секунд, может быть в несколько раз меньше мощности запускаемого электродвигателя.
Таким образом, заявляемый способ пригоден для плавного пуска как синхронных, так и асинхронных электродвигателей переменного тока, обеспечивает на первом участке пуска - при питании от преобразователя частоты - невысокую кратность пускового тока, возможность использования преобразователя частоты, имеющего пониженное, по сравнению с питающей сетью, напряжение и, соответственно, невысокую стоимость.
Предпочтительно, чтобы указанное заранее заданное значение частоты выходного напряжения было меньше 80% номинальной частоты питания электродвигателя.
Дальнейшим усовершенствованием заявляемого способа является то, что перед непосредственным подключением к электросети электродвигатель подключают к электросети через реакторы на время, в течение которого частота вращения электродвигателя достигает номинального значения.
Реакторы ограничивают пусковой ток на завершающем участке пуска величиной, приемлемой и для двигателя, и для питающей сети. В отличие от обычного реакторного пуска, когда падение напряжения на реакторе должно составлять минимум 70% напряжения питающей сети, в заявляемом способе с указанным усовершенствованием, т.е. при подключении реакторов тогда, когда, например, двигатель уже «раскручен» до частоты вращения менее 80% номинального значения, требуемое падение напряжения на реакторе уменьшается в несколько раз, соответственно увеличивается напряжение, прикладываемое к электродвигателю. А по мере разгона это напряжение приближается к напряжению питающей сети и в конце разгона практически равно этому напряжению, так как относительно небольшой реактивный ток двигателя, вышедшего на номинальную частоту вращения, создает на небольшой индуктивности реактора несущественное падение напряжения. Поэтому время разгона в этом случае увеличивается, по сравнению со временем разгона при прямом пуске, весьма незначительно, например на 10-20%, и, следовательно, количество тепла, выделившегося в обмотках электродвигателя на этом этапе разгона, увеличивается также незначительно.
В итоге из-за многократного сокращения тепловыделения на первом этапе разгона в целом запуск двигателя происходит не только с ограничением до требуемых значений тока, потребляемого от сети и протекающего через электродвигатель, но и со значительным уменьшением нагрева обмоток по сравнению с прямым пуском.
В усовершенствованном варианте осуществления изобретения, с целью защиты преобразователя частоты и электродвигателя от резких бросков напряжения при отключении от преобразователя, перед отключением преобразователя частоты с его помощью токи через обмотки электродвигателя уменьшают до нуля, то есть преобразователь частоты «запирают». При этом электродвигатель некоторое, весьма малое время вращается с замедлением, которое в некоторых случаях нужно учитывать при установке заданной частоты отключения преобразователя частоты.
В одном из конкретных вариантов осуществления заявляемого изобретения измеряют частоту выходного напряжения преобразователя частоты и проводят переключение электродвигателя, когда измеренное значение частоты выходного напряжения достигает указанного заранее заданного значения.
В альтернативном предыдущему варианте осуществления измеряют частоту вращения электродвигателя и отключают его от преобразователя частоты, когда измеренное значение частоты вращения достигает величины, соответствующей указанному заранее заданному значению частоты выходного напряжения.
И тот, и другой варианты позволяют простым способом определить момент переключения электродвигателя.
Далее рассматриваются примеры выполнения способа в соответствии с изобретением
На фиг.1 показан характер зависимости огибающей тока I через электродвигатель и частоты n его вращения от времени t для случая непосредственного подключения электродвигателя к питающей сети после его отключения от преобразователя частоты.
На фиг.2 приведен характер зависимости огибающей тока через электродвигатель I и частоты его вращения n от времени t при подключении электродвигателя после его отключения от преобразователя частоты к питающей сети через реакторы.
Способ в соответствии с изобретением был опробован для запуска нагруженного на вентилятор асинхронного электродвигателя с номинальным напряжением 6,3 кВ мощностью 800 кВт. При этом преобразователь частоты был выполнен на напряжение 0,66 кВ и питался от понижающего трансформатора, а двигатель был подключен через повышающий трансформатор (суммарная мощность обоих трансформаторов составляла примерно 10% номинальной мощности электродвигателя).
ном
ном.
Частоту преобразователя частоты изменяли от нуля до половины частоты питающей сети (n=0,5n), причем так, чтобы ток через электродвигатель не превышал 2I Далее ток преобразователя уменьшили до нуля, электродвигатель отключили от преобразователя частоты и подключили к питающей сети непосредственно (фиг.1) или через реакторы (фиг.2).
ном.
ном
Как видно из фиг.1, 2, на первом участке пуска, когда электродвигатель питали от преобразователя частоты, ток через электродвигатель поддерживали на уровне 2I При этом частота вращения электродвигателя увеличивалась практически линейно, а время разгона до n=0,5n составило 10 с.
ном
ном
На втором участке пуска, естественно, имели место кратковременный бросок тока до величины примерно 4I, а затем быстрое снижение тока и увеличение частоты вращения до номинальных значений. Причем с реакторами (фиг.2) бросок тока был меньше, а время разгона до n больше, чем без реакторов.
Полученные характеристики пуска весьма близки к характеристикам частотного пуска при питании двигателя от преобразователя частоты, рассчитанного на полное напряжение электродвигателя, его номинальную частоту и мощность, близкую к мощности электродвигателя.
За счет существенно более низкого напряжения преобразователя частоты и сравнительно небольшого времени работы трансформаторов стоимость используемого в способе устройства в целом, даже при наличии реакторов и коммутирующих элементов, была примерно в 4 раза ниже стоимости преобразователя частоты на полное напряжение питающей сети.
Литература
1. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Т.2 Машины переменного тока. Л., Энергия, 1973.
2. Петров Л.П. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода. М., Энергоатомиздат, 1986.