Лекции 13, 14 Способы облегчения режимов пуска АД. Устройства плавного пуска. Вопросы: 1. Пуск АД от трансформатора и генератора. 2. Условия пуска АД при снижении напряжения. 3. Пуск АД при пониженном напряжении. 4. Устройства плавного пуска.
1. Пуск АД от трансформатора и генератора. Большинство объектов сельскохозяйственного производства получают электропитание от мощных энергетических источников. Обычно мощность трансформаторных подстанций на них составляет 160… 400 к. Ва, а на крупных комплексах и более. В ряде случаев эти потребители подключаются к маломощным источникам - автономные электростанции, мощность которых соизмерима с мощностью имеющихся на объекте электродвигателей. Часто встречаются ситуации, когда на объекте требуется подключить АД, который в пусковом режиме потребляет мощность, соизмеримую с мощностью подстанции. В этих случаях в период пуска мощных АД наблюдается значительное снижение напряжения как на зажимах запускаемого ЭД, так и на других работающих нагрузках. Эта ситуация может привести к существенному увеличению времени пуска включаемого АД, что приводит к его существенному нагреву, или остановке работавших АД (т. е. их «опрокидывание» ).
Рисунок 1 – схема пуска ЭД от трансформатора
Отклонение напряжения на зажимах АД при пуске от трансформатора – рисунок 1 определяется как: где - потеря напряжения на зажимах АД, %; Zтр – полное сопротивление короткого замыкания трансформатора, Ом; Zдв – полное сопротивление короткого замыкания АД, Ом; Zл – полное сопротивление линии электропитания, Ом. Эти сопротивления определяют по следующим формулам:
где - номинальное фазное напряжение, В; - напряжение короткого замыкания трансформатора, о. е. ; - номинальный фазный ток трансформатора, А; - номинальный фазный ток АД; кратность пускового тока АД; - полное сопротивление 1 км линии, Ом/км; - длина линии, км. При пуске АД от генератора (на рисунке 1 вместо трансформатора должен быть генератор) отклонение напряжения на зажимах двигателя определяется по формулам: где ОКЗ – отношение короткого замыкания генератора; - номинальный фазный ток генератора, А; - полное сопротивление генератора, Ом. Если рассматривается вариант пуска АД на фоне других уже включенных нагрузок, то вместо подставляют , равное
где - сопротивление нагрузки работающих потребителей, включенное параллельно запускаемому АД, Ом; - эквивалентное сопротивление АД и параллельно включенной нагрузки, Ом. Во всех выше приведенных формулах значение cos φ принято для всех сопротивлений одинаковым. При подсчете отклонений напряжений с учетом значений cos φ для АД и параллельно включенной нагрузки для одного, двух, трех и четырех фидеров выполняют по номограммам. Условием успешного запуска АД от источника электроснабжения и обеспечением устойчивости работы ранее включенных потребителей (в основном это относится к работающим АД) является выполнение условия: где - допустимое отклонение напряжения на зажимах АД при его пуске.
2. Условия пуска АД при снижении напряжения. Для успешного запуска АД при напряжении на его зажимах меньшем, чем номинальное значение необходимо проверить выполнение следующего условия: - допустимое отклонение напряжения определяют из соотношения: - пусковой момент ЭД при пониженном напряжении на его клеммах; - пусковой момент ЭД при номинальном напряжении на его клеммах; - значение пониженного напряжения на ЭД. Для успешного пуска АД при снижении напряжения на его клеммах во время пуска необходимо наличие избыточного момента, т. е. :
где - момент трогания рабочей машины. Для успешного пуска АД в расчетах рекомендуется принимать: Расчеты целесообразно выполнять используя каталожные данные АД, т. е. в относительных единицах: С учетом изложенного получим следующее выражение:
При расчетах следует обеспечить такой режим работы, чтобы при пуске АД, соизмеримого по мощности с источником электроснабжения, не останавливались ранее включенные ЭД. Это означает, что снижение напряжения на клеммах работающих ЭД, приводящее к уменьшению развиваемого ими вращающего момента, не должно приводить к тому, что момент сопротивления рабочей машины превысить значение критического момента ЭД. Условие устойчивой работы АД в этом случае имеет вид: Примеры расчетов. № 1. Кратность Мтр ИОРМ составляет , пусковой момент АД равен , тогда величина снижения напряжения при пуске ЭД определяется как
= 0, 32 Следовательно, расчетное отклонение напряжения на зажимах работающих электроприемников превышает 30%. Это является нежелательным, особенно для осветительных установок. Поэтому осуществляют раздельное питание силовой и осветительных нагрузок. № 2. Для ИОРМ кратность максимального момента сопротивления составляет =1, 4, а кратность критического момента АД равна 2, 2. В этом случае условие устойчивой работы АД будет выполняться при снижении напряжения на его клеммах до значения, равного: = 0, 2
3. Пуск АД при пониженном напряжении. Согласно требованиям ГОСТ 29322 -92 в сетях переменного тока промышленной частоты напряжением в диапазоне от 100 до 1000 В включительно в нормальных условиях работы сетей требуется поддерживать напряжение в точке питания потребителя с отклонениями от номинального значения не более ± 10%. В целях уменьшения пусковых токов и снижения напряжения в сети в сельскохозяйственном производстве широко применяются следующие способы пуска АД: - для ЭД, имеющего рабочее соединение обмоток статора по схеме «треугольник» , на период пуска их включают по схеме «звезда» ; - включение дополнительных сопротивлений на период пуска в цепь обмоток статора; - реакторный пуск; - автотрансформаторный пуск; - использование АД с фазным ротором и включением сопротивлений в цепь обмоток ротора на период пуска.
Рисунок 2 – Схема пуска АД переключением обмоток статора по схеме «звезда-треугольник» .
Для АД, имеющих обмотки статора с рабочим напряжением 380/660 В, и предназначенных для включения в сети 380 В обмоток статора по схеме «треугольник» используется схема пуска, приведенная на рисунке 2. АД в этом случае включается в работу в режиме холостого хода, либо при небольшом моменте сопротивления ИОРМ (не более 0, 2 Мн). Вначале включаются магнитные пускатели КМ 1 и КМ 2 – это схема соединения обмоток статора «звезда» . Происходит пуск АД и его разбег до частоты вращения, близкой к номинальной. Затем отключается магнитный пускатель КМ 1 и включается – КМ 3, это схема соединения обмоток статора «треугольник» . Момент времени переключения схемы соединения обмоток статора АД определяется по скорости (используют датчик числа оборотов ротора). Изменение токов и скорости от времени показано на рисунке 3. Отношение линейных токов и моментов на валу АД при пуске по этой схеме включения составляет:
Рисунок 3 – Графики изменения тока I и угловой скорости ω при пуске АД по схеме «звезда-треугольник» .
Рисунок 4 – Схема пуска АД с включением Rдоб.
Пуск АД с включением добавочных сопротивлений или реакторный пуск (индуктивные сопротивления) в цепь обмоток статора применяется для работы в режиме холостого хода, либо при небольшом моменте сопротивления ИОРМ (не более 0, 2 Мн). Величину активного сопротивления Rдоб, включаемого последовательно в каждую обмотку статора АД - рисунок 4, определяют расчетным путем, исходя требуемого значения уменьшения пускового тока – «α» и с учетом допустимого снижения пускового момента. α=I’/Iп; М’=α∙α∙Мп Чтобы уменьшить в α раз пусковой ток, необходимо пропорционально увеличить сопротивление статорной цепи АД, для добавочного активного сопротивления это (Rдв и Хдв сопротивления КЗ АД) для добавочного индуктивного сопротивления это
Рисунок 5 – Изменение тока в обмотке статора АД при пуске с добавочными сопротивлениями.
На рисунке 5 показаны зависимости изменения величины тока I в обмотках статора АД при его пуске – без добавочных сопротивлений и с добавочными сопротивлениями. Реакторный пуск АД во многом аналогичен пуску АД с включением добавочных сопротивлений. При этом не учитываются величина активного сопротивления реактора и изменение его индуктивного сопротивления при изменении пускового тока. Из-за высокой стоимости реактора этот способ ограничения пускового тока АД в сельскохозяйственном производстве применяется в ограниченных случаях. Пуск АД с включением автотрансформатора применяется в единичных случаях, это определяется высокой ценой трансформатора. Пуска АД с фазным ротором - это широко распространенный способ ограничения значений пусковых токов при одновременном обеспечении высоких величин пусковых моментов, широко применяется в сельскохозяйственных электроприводах. Схема включения АД приведена на рисунке 6, а диаграмма изменения токов – рисунке 7.
Рисунок 6 – Схема включения АД с фазным ротором.
Рисунок 7 – Изменение момента на валу и тока в обмотке статора АД с фазным ротором.
4. Устройства плавного пуска. Аппаратура плавного пуска предназначена для реализации плавного пуска и выбега трехфазных асинхронных двигателей. Устройства плавного пуска рекомендуется использовать везде, где до настоящего времени применялись пускатели с переключением со звезды на треугольник. Исключение высоких пусковых моментов и пиков тока достигается благодаря снижению напряжения на клеммах двигателя устройством SIKOSTART, выпускаемым фирмой Сименс. Оно выполняет это с помощью микропроцессорного управления углами открытия фаз сетевого напряжения тиристорного устройства. Реализуемые при этом функции, как, например, плавный пуск и плавный останов, останов насоса, торможение постоянным током и экономия энергии при неполной нагрузке, оптимально решают проблемы многих видов приводов с помощью предоставляемых различных возможностей регулирования.
Насосы, вентиляторы обладают механической характеристикой вида. Варианты настройки пусковых параметров насосов или вентиляторов приведены на рис. 8. В работе насосов стремятся избежать гидравлического удара. Это может вызвать повреждения, как самого насоса, так и трубопроводов и обратных клапанов. Благодаря функциям «Плавный пуск» и «Останов насоса» SIKOSTART эффективно препятствует возникновению гидравлических ударов. Тем самым увеличивается период между профилактическими ремонтами, а аварийные прерывания работы из-за очень высоких механических нагрузок вообще уходят в прошлое. Выбор правильной настройки – пусковое напряжение не может выбираться очень высоким), так как при этом не исключаются гидравлические удары; также оно не может быть слишком низким, так как при этом не будет обеспечен непрерывный разгон двигателя; во всей области чисел оборотов момент двигателя должен быть выше момента нагрузки на величину, равную 15 % от номинального момента.
Рис. 8. Варианты настройки пусковых параметров насоса или вентилятора.
Продолжение рис. 8.
Окончание рис. 8.
Вентиляторы, воздуходувки, машины с центробежным принципом работы, мешалки, центрифуги. Вентиляторы в большинстве случаев имеют очень большой момент инерции (возможно до 10 -ти кратного значения момента инерции двигателя). Поэтому при прямом пуске двигателя пусковой ток протекает в течении длительного времени, что приводит к провалам напряжения в сети. Также при пуске с переключением со звезды на треугольник в момент коммутации обмоток имеются нежелательные толчки тока и момента, которые при неблагоприятных характеристиках двигателя имеют практически те же значения, что и прямом пуске. С помощью функций «Плавный пуск» и «Ограничение тока» исключаются большие пусковые токи. Выбор правильной настройки – пусковое напряжение не может выбираться очень высоким, так как при этом, пока не будет применена функция ограничения тока, пусковые токи будут иметь большие значения; время разгона, если не применяется ограничение тока, не должно быть слишком малым, так как при этом уже во время разгона двигателя к его клеммам прикладывается полное напряжение сети и, соответственно, протекает полный пусковой ток; во всей области чисел оборотов момент двигателя при его пуске должен быть выше нагрузочного момента на величину, равную 15 % номинального момента – рис. 8.
Шаровые мельницы, токарные станки, мотальные и лущильные машины обладают механической характеристикой вида. Варианты настройки пусковых параметров мельниц приведены на рис. 9. Мельницы требуют во время пуска обеспечение высокого момента трогания, однако с повышением числа оборотов момент нагрузки снижается. Поэтому хотя к мельнице и нужно подводить достаточно энергии для пуска, но во время пуска потребление тока не должно превышать необходимого значения. Это означает, что схема пуска с переключением со звезды на треугольник не может быть применена, так как здесь в распоряжении имеется только 1/3 момента двигателя, и двигатель мог бы развернуться лишь после переключения на треугольник, что соответствовало бы прямому пуску. Пусковой импульс не может сохранять постоянным и равным номинальному, так как это не будет давать никакого выигрыша по сравнению с прямым пуском.
Устройство SIKOSTART благодаря «отрывающему» импульсу, настроенному по величине напряжения и по продолжительности, момент двигателя устанавливается на точно требуемую величину, которая необходима для разгона мельницы; затем напряжение снижается, чтобы момент двигателя соответствовал нагрузочной характеристике. Выбор правильной настройки – «Отрывающий» импульс не может выбираться очень высоким, так как это соответствовало бы прямому пуску и полному пусковому току, и к нагрузке прикладывался бы максимальный момент ускорения; «Отрывающий» импульс не должен быть слишком продолжительным, а после того, как двигатель преодолеет момент трогания нагрузки, к ней должен прикладываться небольшой момент ускорения; «Отрывающий» импульс должен быть выше момента «сдвига с места» мельницы, а после начала движения момент двигателя должен по возможности быстро снизиться.
Рис. 9. Варианты настройки пусковых параметров мельницы.
Продолжение рис. 9.
Окончание рис. 9.
Ленточные транспортеры, эскалаторы обладают механической характеристикой вида. Варианты настройки мельниц даны на рис. 10. При прямом пуске и останове этих машин могут пострадать люди, а транспортируемый товар упасть и повредиться. С пусковым устройством, момент трогания которого не регулируется, процесс разгона был бы идентичен прямому пуску двигателя. При пуске по схеме звезда-треугольник привод развернулся бы лишь после переключения на треугольник, что соответствовало бы прямому пуску. При начальном импульсе, настроенному на величину напряжения и продолжительность, обеспечивается плавный пуска и останов транспортеров, эскалаторов. Выбор правильной настройки – момент трогания не должен быть очень большим, так как это соответствовало бы прямому пуску и полному пусковому току, а к нагрузке был бы приложен максимальный момент ускорения; пусковое напряжение не должно быть слишком низким, так как при этом двигатель вообще может не развернуться.
Рис. 10. Варианты настройки пусковых параметров транспортера.
Продолжение рис. 10.
Окончание рис. 10.
Выбор и расчет параметров настройки устройств может осуществляться вручную, а также по программе Win Soft Starter. С помощью этой программы можно моделировать и подбирать все устройства плавного пуска фирмы Сименс с учетом различных параметров, таких как условия сети, данные двигателя и нагрузок, специальные требования конкретных условий применения и многое другое. Устройства плавного пуска Sirius серии SIKOSTART 3 RW выпускаются серийно следующих модификаций: 3 RW 30/31, 3 RW 40, 3 RW 44. Области применения устройства плавного пуска Sirius серии 3 RW показаны на рис. 11. Устройства плавного пуска – Soft Starter, это электронные пускатели. Они уменьшают величину напряжения на обмотках статора электродвигателя во время его пуска. При этом, несмотря на уменьшение пускового момента, они обеспечивают щадящий режим для двигателей в пусковом режиме и снижение величины пускового тока. Для регулирования величины напряжения на обмотках статора в устройствах плавного пуска в двух или в трех фазах питания обмоток статора электродвигателя установлены два встречно - параллельно включенных тиристора VD 1 и VD 2 – рисунок 12. После окончания режима пуска электродвигателя тиристоры VD 1 и VD 2 блокируются силовым контактом магнитного пускателя КМ, эта блокировка называется «байпас» .
Рис. 11. Области применения устройства плавного пуска Sirius серии 3 RW.
Рис. 12. Схема включения тиристоров.
Управление работой тиристоров осуществляется регулируемой фазовой отсечкой, этот сигнал вырабатывается электронным блоком. Сначала на обмотки электродвигателя подается пониженное напряжение, затем оно плавно повышается. После разгона двигатель работает от сетевого напряжения. Временные диаграммы работы тиристоров для одной фазы питающего напряжения приведены на рис. 13. На рис. 13 показаны три режима работы тиристоров: I – угол отсечки равен нулю, на нагрузку подается все напряжение сети; II – угол отсечки более 900, на нагрузку подается менее половины напряжения сети; III – угол отсеки менее 900, на нагрузку подается более половины напряжения сети. Там же показаны эпюры напряжения на нагрузке при различных углах отсечки (сплошные линии) и эквивалентное синусоидальное напряжение на нагрузке во всех трех вариантах (штрих – пунктирные линии).
Рис. 13 Временные диаграммы регулирования напряжения тиристорами: напряжение сети и напряжение, подаваемое на обмотки статора; напряжение отсечки; эквивалентное напряжение, подаваемое на обмотки статора.
Устройства плавного пуска позволяют задавать величину начального пускового напряжения, в диапазоне 20… 100% от номинального, и время нарастания этого напряжения до величины напряжения сети, в диапазоне 0, 5… 20 с. За счет этих регулировок обеспечиваются широкие функциональные возможности устройств плавного пуска, т. е. одно и то же устройство можно использовать для рабочих машин, имеющих различные механические характеристики. Аппарат плавного пуска серии 3 RW 30/31. Аппараты плавного пуска обеспечивают щадящий режим для двигателей, уменьшая пусковой момент. Блок питания защищается от опасных пиков путем уменьшения потребления тока во время запуска. Они предназначены для реализации плавного пуска и выбега трехфазных асинхронных двигателей. Их рекомендуется использовать везде, где до настоящего времени применялись пускатели с переключением со звезды на треугольник.
Устройства плавного пуска 3 RW 30/31: имеют 4 типоразмера, рассчитаны на ток до 100 А и мощность двигателя до 55 к. Вт; у них предусмотрена сигнализация состояния "ON" и «Bypassed» и интегрированные шунтирующие контакты; отдельно устанавливается время пуска и остановки; серия 3 RW 31 предназначена для двигателей с переключаемой скоростью (схема Даландера). Эти устройства обеспечивают следующие параметры нагрузки: типоразмер S 00 - ток 6 -9 А 1, 1 и мощность до 4 к. Вт; типоразмер S 0 - 12, 525 А 5, 5 до 11 к. Вт; типоразмер S 2 - 32 -45 А 15 до 22 к. Вт; типоразмер S 3 - 75 -100 А 30 до 55 к. Вт. Номенклатура серии 3 RW 30/31: для двигателей с постоянным числом оборотов: - типоразмер S 00 ток 6 -9 А 1, 1 и мощность до 4 к. Вт; - типоразмер S 0 ток 12, 5 -25 А 5, 5 и мощность до 11 к. Вт; - типоразмер S 2 ток 32 -45 А 15 и мощность до 22 к. Вт; - типоразмер S 3 ток 75 -100 А 30 и мощность до 55 к. Вт; для двигателей с переключаемыми полюсами: - типоразмер S 0 ток 12, 5 -25 А 5, 5 и мощность до 11 к. Вт. Внешний вид устройства серии 3 RW 30 new показан на рис. 14.
Рис. 14 Устройство 3 RW 30 new: 1 – клеммы подключения сети; 2 – клеммы подключения цепей управления; 3 – стартовый вход IN; 4 – выход ON; 5 – светодиод DIVICE; 6 – светодиод состояния STATE / BYPASSED / FAILURE; 7 – настройка времени пуска; 8 – начальное напряжение при пуске; 9 – клеммы фаз для подключения электродвигателя.
Устройства плавного пуска 3 RW 40 имеет компактные размеры, интегрированные шунтирующие контакты, встроенную регулируемую защиту от перегрузки, встроенную функцию самодиагностики, регулируемое ограничение тока, 2 -х фазное управление, встроенное отображение состояния и неисправностей. Его временная диаграмма и схема аналогичны устройству серии 3 RW 30. Устройство 3 RW 40 исполнения S 6 предназначено для управления электродвигателями мощностью до 90 к. Вт, исполнения S 12 – 250 к. Вт. Новые устройства плавного пуска серии 3 RW 40 new с типоразмерами S 0, S 2, S 3 предназначены для диапазона мощностей от 5, 5 к. Вт до 55 к. Вт при напряжении сети 400 В. Внешний вид устройства 3 RW 40 new показан на рис. 15 и оно содержит: 1 – клеммы подключения сети; 2 – клеммы подключения цепей управления; 3 – стартовый вход IN; 4 – выход ON/RUN; 5 – выход BYPASSED; 6 – статусный LED устройства; 7 – статусный LED защиты двигателя; 8 – кнопка RESET/TEST; 9 – регулятор ограничения величины тока; 10 – настройка времени пуска; 11 – начальное напряжение при пуске; 12 – настройка времени торможения; 13 – настройка класса расцепления; 14 – номинальный ток электродвигателя; 15 – вход термис-торного датчика; 16 – выход
Рис. 15. Устройство серии 3 RW 40 new.
Устройства плавного пуска 3 RW 44 имеет контроль момента двигателя, графический дисплей (LCD) с подсветкой, коммуникационную шину (PROFIBUS DP), встроенную защиту от перегрузки и функцию самодиагностики, регулируемое ограничение тока, встроенные шунтирующие контакты, встроенное отображение состояния и неисправностей, стандартное подключение и подключение внутри треугольника, ползучую скорость позиционирования, встроенные функции торможения (например, постоянным током), прогрев двигателя, компактные размеры. Устройство серии 3 RW 44 предназначено для управления электродвигателями 5 типоразмеров мощностью 15 … 710 к. Вт (до 1200 к. Вт внутри треугольника). Стандартная схема подключения устройства серии 3 RW 44 и схема подключения внутри треугольника приведены на рисунке 16. Аппараты плавного пуска обеспечивают щадящий режим для подключенных двигателей, уменьшая пусковой момент. Блок питания защищается от опасных пиков путем уменьшения потребления тока во время запуска.
Рис. 16. Схемы включения устройства серии 3 RW 44.
По программе AWS выполнен расчет и выбор низковольтной аппаратуры для устройств плавного пуска – рис. 17. Рис. 17. Схема плавного пуска, фидеры без предохранителей, класс 10, тип соответствия 2.
Скачать презентацию Лекции 13 14 Способы облегчения режимов пуска АД
лекэпсхм-13, 14.pptx