Самозапуск трехфазных электродвигателей

Различные аварийные ситуации в питающих электрических сетях и последующие действия релейной защиты и противоаварийной автоматики приводят к появлению кратковременных снижений напряжения на зажимах электрических машин. Снижение напряжения может быть глубоким, в том числе и до нуля. Продолжительность снижений напряжения , как правило, находится в интервале 0,2÷2,0 с. При снижении напряжения начинается процесс выбега электрических машин (ЭМ). Под выбегом понимается работа ЭМ после исчезновения напряжения, которая сопровождается уменьшением частоты их вращения. В соответствии с основным уравнением движения ротора ЭМ изменение частоты вращения описывается выражением:

,                          (3.31)

где  – угловая скорость вращения; М – электромагнитный момент ЭМ (двигателя);  – момент сопротивления на валу двигателя; J – момент инерции агрегата.

Зависимость частоты вращения от времени при выбеге называют кривой выбега ЭМ. Наиболее часто (особенно для асинхронных двигателей) выбег характеризуется зависимостью скольжения от времени t. Кривые выбега могут быть построены расчетом, получены экспериментально или взяты из справочных источников. Форма кривой зависит от вида нагрузки. Характерные кривые выбега асинхронных двигателей приведены на рис. 3.25.

Рис. 3.25. Кривые выбега асинхронных двигателей:

s – скольжение двигателя; s _н – номинальное скольжение; 1 и 2 – кривые выбега для вен­тиляторов с различным, но постоянным моментом сопротивления; 3  – кривая выбега для насоса

Различают индивидуальный и групповой выбеги. В тех случаях, когда напряжение на шинах питания равно нулю, двигатели выбегают независимо друг от друга. При наличии остаточного напряжения имеет место групповой выбег. Выбегающие двигатели электрически связаны питающими шинами и оказывают при этом взаимное влияние на выбег. Двигатели с большим запасом кинетической энергии (более мощные) переходят в режим генераторов и поддерживают остаточное напряжение на общих шинах питания, замедляя выбег двигателей меньшей мощности.

После восстановления напряжения на шинах источника электроэнергии начинается процесс самозапуска. Самозапуск –восстановление нормальной работы электродвигателей без участия человека после кратковременного нарушения электроснабжения. В зависимости от количества участвующих электродвигателей существуют индивидуальный и групповой самозапуски. При групповом самозапуске необходимо учитывать взаимное влияние двигателей аналогично выбегу. Самозапуск сопровождается увеличением тока в питающих электрических цепях. Величина тока самозапуска в отдельных случаях может оказаться большей пускового тока; поскольку для обеспечения успешного пуска электродвигатели предварительно разгружаются, пуск производится поочередно, принимаются меры по поддержанию напряжения на шинах питания запускаемых двигателей. В процессе же группового самозапуска двигатели не успевают разгрузиться и это может сделать самозапуск более тяжелым в сравнении с пуском. Самозапуск двигателей без нагрузки сопровождается током самозапуска , величина которого находится в пределах от максимального рабочего до пускового.

Ток самозапуска  зависит от времени перерыва в электроснабжении . Если  велико и двигатель успевает совершить полный выбег (остановиться), то  будет равен пусковому току. Кривые, иллюстрирующие процесс самозапуска асинхронного двигателя, приведены на рис. 3.26.

; ; ;

; ;

; .

С точки зрения надежности электроснабжения наиболее опасен групповой самозапуск. Он может вызвать глубокие посадки напряжения на шинах источников, что будет препятствовать успешности самого самозапуска. Кроме этого, значительное снижение напряжения приводит к массовым отключениям магнитных пускателей и может вызвать серьезные нарушения технологического процесса промышленного производства.

Одной из важных составляющих увеличения надежности электроснабжения является обеспечение самозапуска мощных электродвигателей. Возможность обеспечения самозапуска проверяется расчетом.

 

Рис. 3.26. Диаграммы напряжений, тока и скольжения при самозапуске асинхронного электродвигателя:

,  – действующие значения фактического и номинального напряжений источника электроэнергии: ,  – моменты времени, соответствующие началу и концу перерыва электроснабжения ; ,  – действующие значения фактического и номинального напряжений на зажимах двигателя;  – действующее значение остаточного напряжения на зажимах двигателя в момент начала самозапуска;  – действующее значение напряжения в момент, соответствующий *; ,  – действующие значения фактического и номинального токов статора;  – максимальное действующее значение тока

самозапуска; s – скольжение двигателя

Порядок расчета

1. Подготовка исходных данных (схема электроснабжения, параметры и характеристики двигателей, участвующих в самозапуске, время срабатывания релейной защиты и автоматики, ампер-секундные характеристики защитно-коммутационных электроаппаратов).

2. Построение расчетной схемы замещения для той части электрической цепи, где будет протекать ток самозапуска (рис. 3.27).

3. Определение времени выбега . Величина  принимается равной времени перерыва электроснабжения, которое определяется по защитным характеристикам с учетом уставок защит и автоматики.

4. Вычисление *. В общем случае необходимо решать уравнение, описывающее движение ротора электродвигателя, что в условиях инженерной практики нецелесообразно. Допускается применение упрощенных выражений, например, [1]:

,                       (3.32)

где 1,05 – коэффициент, учитывающий превышение напряжения на шинах питания над его номинальным значением на 5 %;  – суммарное (эквивалентное) сопротивление (см. формулы (3.33), (3.34) и рис. 3.27) самозапускающихся электродвигателей в их неподвижном состоянии (при s = 1,0);  – сопротивление участка сети между источниками питания и шинами, к которым подключены двигатели (рис. 3.27):

,                             (3.33)

,                             (3.34)

где  – отношение пускового к номинальному току двигателя (кратность пускового тока);  – базисная мощность. В качестве базисной можно принять любую мощность, что не изменит решения;  – номинальная полная мощность двигателя.

 

                                 а                                               б

Рис. 3.27. Расчетные схемы замещения:

а – исходная; б – приведенная (эквивалентная); n – количество двигателей

,                          (3.35)

где ,  – реактивные сопротивления трансформатора и питающей линии:

,                        (3.36)

где % – напряжение короткого замыкания трансформатора;  – номинальная мощность трансформатора.

,                     (3.37)

где  – удельное реактивное сопротивление линии, питающей трансформатор; l – длина линии;  – номинальное напряжение линии.

При расчете самозапуска электродвигателей напряжением ниже 1000 В величину  можно не учитывать, поскольку влияние этого сопротивления на  незначительно. В электроустановках высокого напряжения имеющиеся реакторы учитываются с помощью их реактивных сопротивлений:

,              (3.38)

где  – сопротивление реактора; ,  – номинальные напряжение и ток реактора.

5. По величине * определяется относительный момент вращения  каждого из двигателей. С этой целью по соответствующей кривой выбега (рис. 3.25) находится скольжение s, а затем определяется  (рис. 3.28).

Рис. 3.28. К определению относительного момента вращения .

6. По величине s определяется относительный момент сопротивления валу двигателя . Для этого используют кривую =  для соответствующего механизма.

7. Находится избыточный момент на валу двигателя:

.                          (3.39)

8. Проверяется условие самозапуска. Самозапуск будет успешным, если .

В тех случаях, когда условия обеспечения самозапуска не выполняются, необходимо предусмотреть специальные технические мероприятия:

1) поочередный самозапуск;

2) экстренное регулирование напряжения с помощью быстродействующих устройств (синхронные двигатели с автоматической форсировкой возбуждения, конденсаторные батареи, тиристорные регуляторы напряжения).

Не все электродвигатели могут участвовать в самозапуске, например, синхронный двигатель с цилиндрическим ротором (неявнополюсным) не может самозапускаться ввиду перегрузки роторной цепи. Асинхронный двигатель с фазным ротором и резисторным пуском не самозапускается из-за инерционности пуска.

Самозапуск синхронных двигателей имеет особенности, связанные с наличием обмоток возбуждения. Произвольное повторное включение двигателя может привести к появлению больших токов, близких к токам КЗ. В связи с этим для них предусматриваются специальные условия пуска с помощью их автоматического повторного включения (АПВ):

1) АПВ с гашением поля двигателя на активное сопротивление;

2) несинхронное АПВ, которое можно применить только при очень малых перерывах электроснабжения;

3) синхронное АПВ, регулируемое с помощью специального устройства, синхронизирующего двигатель с питающей сетью.

 

 

СПИСОК литературы

1. Мукосеев Ю. А. Электроснабжение промышленных предприятий. – М.: Энергия, 1973.

2. Правила устройства электроустановок / Госэнергонадзор РФ. – СПб: ДЕАН, 2001.

3. Иванов В. С., Соколов В. М. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

4. Стрельников Н. А. Электроснабжение промышленных предприятий: Учебное пособие. – Новосибирск: издательство НГТУ, 1998. – Ч. 1.

5. Ристхейн Э. М. Электроснабжение промышленных установок. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

6. Руководство по технико-экономическому анализу надежности электроснабжения: 12749/ЛО «ВНИИ проектэлектромонтаж». – Л.: ЛО «ВНИИ проектэлектромонтаж», 1982.

7. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебное пособие для втузов. – М.: Высшая школа, 1977.

8. ГОСТ 19109–97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

9. Федоров А. А., Ристхейн Э. М. Электроснабжение промышленных предприятий. – М.: Энергия, 1981.

10. Васильев А. А., Крючков И. П., Наяшкова Е. Д., Неклепаев Б. Н., Околович М. Н. Электрическая часть станций и подстанций. – М.: Энергия, 1980.

11. Жежеленко И. В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. – М.: Энергоатомиздат, 1986.

12. Князевский Б. А., Липкин Б. Ю. Электроснабжение промышленных предприятий. – М.: Высшая школа, 1986.

13. Казак Н. А., Князевский Б. А., Лазарев С. С., Лившиц Д. С. Электроснабжение промышленных предприятий. – М.–Л.: Энергия, 1966.

14. Справочник по проектированию электроснабжения / под ред. Ю. Г. Барыбина, Л. Е. Федорова, М. Г. Зименкова, А. Г. Смирнова. – М.: Энергоатомиздат, 1990.