Синхронные двигатели широко используются в промышленности благодаря высокой надежности и постоянству скорости вращения. Однако в отличие от асинхронных двигателей, у них отсутствует начальный пусковой момент. Поэтому для запуска синхронных двигателей применяются специальные схемы и устройства.
Конструктивные особенности синхронных двигателей
Отсутствие самозапуска у синхронных двигателей обусловлено их конструкцией. В отличие от асинхронных двигателей, где на роторе расположена короткозамкнутая обмотка, в синхронных двигателях ротор содержит постоянные магниты или электромагниты, создающие магнитное поле.
При подаче напряжения на статор синхронного двигателя с неподвижным ротором возникает вращающий момент, мгновенно меняющий направление. Поэтому разогнать ротор до синхронной скорости вращения таким образом невозможно.
Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т.е. средний момент за период равняется нулю.
Для обеспечения возможности асинхронного пуска на роторе синхронных двигателей устанавливается дополнительная короткозамкнутая обмотка - так называемая "беличья клетка". Она позволяет создать крутящий момент как у асинхронной машины на начальном этапе разгона.
Основные способы пуска синхронных двигателей
Существует несколько основных способов запуска синхронных электродвигателей:
- С помощью вспомогательного двигателя;
- Асинхронный пуск;
- Пуск на пониженном напряжении;
- Частотный пуск.
Наиболее простой, но малоиспользуемый на практике способ - это применение дополнительного маломощного электродвигателя, соединенного с валом синхронной машины. Он раскручивает ротор до синхронной частоты вращения. Этот метод достаточно дорогой.
Наиболее часто применяется асинхронный пуск синхронных двигателей за счет использования беличьей клетки. Этот способ прост и надежен, но имеет большие пусковые токи.
Пуск на пониженном напряжении позволяет уменьшить пусковые токи, но требует применения регулирующих устройств. Частотный пуск обеспечивает плавный разгон и минимальные пусковые токи, но является наиболее дорогостоящим.
Подготовка к асинхронному пуску
Асинхронный пуск является наиболее распространенным способом запуска синхронных двигателей. Однако он требует ряда мер предосторожности.
Во-первых, в процессе разгона в обмотке возбуждения ротора наводится высокое напряжение, которое может привести к пробою изоляции. Поэтому обмотка возбуждения в начале пуска подключается к специальному разрядному сопротивлению:
Чтобы ротор двигателя втянулся в синхронизм, необходимо создать в нем магнитное поле включением в обмотку возбуждения постоянного тока. Так как ротор разогнан до скорости близкой к синхронной, то относительная скорость поля статора и ротора небольшая. Полюса плавно будут находить друг на друга. И после ряда проскальзываний противоположные полюса притянутся, и ротор втянется в синхронизм.
Разрядное сопротивление Рразр должно в несколько раз превышать сопротивление самой обмотки возбуждения Рв для ограничения тока. Типовые значения: Рразр = (8-10)Рв.
Кроме того, в цепь управления пуском обычно включаются реле времени или реле тока, которые автоматизируют момент подачи напряжения на обмотку возбуждения в нужной последовательности.
Первый этап асинхронного пуска
Первый этап асинхронного пуска синхронного двигателя ничем не отличается от запуска асинхронной машины.
При подаче напряжения на статор в беличьей клетке ротора наводится ток, который взаимодействует с вращающимся магнитным полем статора. Это позволяет создать крутящий момент и разогнать ротор до скорости вращения порядка 95-97% от синхронной.
Однако при этом возникают значительные пусковые токи, которые могут вызвать недопустимые провалы напряжения в питающей сети. Для их ограничения применяют:
- Пусковые автотрансформаторы;
- Плавный пуск с частотным регулированием;
- Специальные устройства плавного пуска.
Автоматический переход на второй этап пуска обычно осуществляется с помощью реле скорости или реле тока.
Второй этап асинхронного пуска
На втором этапе асинхронного пуска, когда ротор разогнан до скорости 95-97% от синхронной, происходит подача напряжения на обмотку возбуждения ротора.
Для этого обмотка возбуждения отключается от разрядного резистора и подсоединяется к источнику постоянного тока - генератору независимого возбуждения или тиристорному возбудителю.
В результате в роторе создается магнитное поле, которое взаимодействует с полем статора. Из-за небольшого рассогласования скоростей происходит несколько колебаний ротора относительно статора, после чего ротор втягивается в синхронизм.
При наличии нагрузки на валу процесс синхронизации может осложниться. В этом случае требуется плавное регулирование тока возбуждения для обеспечения устойчивости.
Особенности частотного пуска
При частотном пуске синхронного двигателя используется преобразователь частоты, который позволяет плавно увеличивать частоту и напряжение питания обмотки статора.
Благодаря этому достигается очень плавный разгон без больших пусковых токов. Кроме того, частотный преобразователь обеспечивает точный контроль момента и скорости на всех этапах пуска.
После достижения синхронной частоты вращения ротора, преобразователь отключается и подается стационарное напряжение на статор. Затем подключается обмотка возбуждения ротора для втягивания в синхронизм.
Пуск синхронных двигателей приводов
При пуске синхронных электродвигателей различных механизмов и установок необходимо учитывать особенности нагрузки на валу.
Например, у насосов и компрессоров нагрузка на валу двигателя постепенно возрастает вместе со скоростью вращения. Это облегчает процесс разгона и синхронизации.
А вот у механизмов с большим статическим моментом, таких как прокатные станы, разгон при пуске может быть затруднен. В этом случае нужно применять специальные устройства плавного пуска.
Диагностика неисправностей при пуске
При возникновении проблем с пуском синхронного двигателя необходимо провести диагностику всех узлов и цепей.
В первую очередь проверяют состояние изоляции обмоток статора и ротора, так как ее пробой может полностью блокировать запуск двигателя.
Также анализируют работу системы возбуждения, включая тиристорный возбудитель, разрядные резисторы и цепи управления.
Немаловажно исключить механические дефекты и проблемы с подшипниками, которые могут препятствовать раскрутке ротора при пуске.
Расчет параметров цепей возбуждения
Для правильной работы системы возбуждения при пуске синхронного двигателя необходим расчет ее параметров.
В первую очередь определяют требуемое значение разрядного сопротивления из условия Рразр = (8-10)Рв, где Рв - сопротивление обмотки возбуждения.
Также рассчитывают мощность разрядных резисторов, исходя из максимального тока в обмотке возбуждения в момент пуска и напряжения на ней.
Определяют параметры реле времени или реле тока для автоматического переключения цепей возбужения. Расчет ведется по паспортным данным двигателя.
Регулирование возбуждения при пуске
Для обеспечения устойчивого втягивания ротора в синхронизм на этапе пуска осуществляется регулирование тока возбуждения.
При частотном пуске это делается средствами преобразователя частоты. В случае асинхронного пуска используется тиристорный возбудитель, позволяющий плавно изменять напряжение.
Регулировка может осуществляться как вручную оператором, так и автоматически - от датчиков тока, напряжения, положения ротора.
Особенности реверсирования
Для реверсирования направления вращения синхронного двигателя используется переключение фаз питания статора.
При этом порядок пуска сохраняется таким же. Сначала осуществляется разгон ротора в асинхронном режиме, затем подача возбуждения и синхронизация.
Реверсирование можно проводить как на ходу, так и из остановленного состояния двигателя. Необходимо учитывать инерционные процессы и возможный сброс нагрузки.
Техника безопасности при пуске
Пуск синхронных двигателей требует соблюдения ряда мер безопасности:
- Заземление всех токоведущих частей;
- Использование средств защиты и блокировок цепей;
- Проверка отсутствия людей в опасной зоне;
- Контроль предельных токов и напряжений.
Особое внимание уделяется изоляции и разрядке цепей возбуждения ротора во избежание поражения обслуживающего персонала электрическим током.
