Резкие изменения режима в системах электроснабжения. Наброс нагрузки на электродвигатель

Резкие изменения режима обычно происходят по следующим причинам:

1) авария (короткое замыкание) или перегрузка в распределительной или питающей сети и последующее её устранение. Напряжение в момент уменьшается то величины до , а затем, по истечении времени , вновь восстанавливается до величины , причём режим двигателей нагрузки не влияет на характер изменения ;

2) отключение двигателей (узла нагрузки) от напряжения (перерыв питания) и подключение его через время . В этом случае ;

3) изменение момента сопротивления в связи с увеличением нагрузки на приводимом двигателем механизме () или, напротив, уменьшением её () с последующем восстановлением (через ) прежнего момента .

Будем считать, что механический момент нагрузки двигателей изменяется скачком только в моменты времени , , что электромеханический момент может быть определён согласно статической характеристике, а электромагнитные переходные процессы в двигателях не учитываются, т.к. они в большинстве случаев сравнительно мало влияют на изучаемые процессы.

Предположим, что или напряжение изменяется так, как это представлено на рис. 12.15, а, или момент сопротивления - как на рис. 12.15, б. В любом случае происходит наброс загрузки, который может вызвать неустойчивость.

Наброс нагрузки на синхронный двигатель. Рассмотрим два характерных случая, показанных на рис.12.16.

Предположим, что произошло снижение напряжения[1] от до и соответственно изменение характеристик от до (рис.12.16, а). Процесс будет определяться характеристиками, приведёнными на рис.12.16. При снижении напряжения до система остаётся устойчивой, как бы долго ни продолжалось это снижение. Новый установившийся режим (точка с) наступает после цикла качаний. Аналогично происходит процесс при увеличении момента нагрузки от до (рис.12.16, б). Такое увеличение может продолжаться сколь угодно долго. В обоих (а, б) случаях площадка ускорения abca меньше площадки торможения cdec. При снижении напряжения до (рис.12.16, а) или увеличении механического момента до (рис.12.16, б) система оказывается неустойчивой. В обоих случаях площадка ускорения больше площадки торможения .

Чтобы сохранить устойчивость, при угле (точка ) надо восстановить исходные условия (поднять напряжение до в случае а, снизить слишком большой механический момент , в данном случае это , до в случае б). Угол надо подобрать так, чтобы сумма площадок ускорения и торможения была равна нулю. Например, в случае а (F + F ) – (F F )=0.

Определение угла , при котором (или меньшем) надо восстановить напряжение (случай, показанный на рис.12.16, а), производится с помощью известной формулы, где надо принять Тогда

.

Для случая, приводящего к неустойчивости наброса момента от до некоторого при неизменном напряжении, согласно рис.12.16, б, имеем

откуда, обозначив , получим

Время соответствующего наброса, т.е. время, в течение которого допустимо понижение напряжения или увеличение механического момента, определяется методом последовательных интервалов или упрощенно при аппроксимации синусоиды прямой, проходящей через точки, соответствующие углам и . Тогда время

.

Наброс нагрузки на асинхронный двигатель. Изменение напряжения питающей сети или механической нагрузки на валу двигателя одинаково вызывает изменение скольжения. С уменьшением напряжения или ростом момента скольжение увеличивается. Если при этом механический момент окажется больше максимального , то двигатель будет увеличивать свое скольжение до s = 1, т.е. до остановки. Во избежание этого надо своевременно восстановить напряжение (или уменьшить механический момент на валу).

Рассмотрим устойчивость асинхронного двигателя, работающего при нагрузке, создающей на валу момент . Пусть при этом моменте двигатель находится в установившемся состоянии и работает со скольжением . Предположим, что в силу каких-либо причин напряжение на зажимах двигателя уменьшилось от до . При этом электромагнитный момент двигателя снизится в раз:

Более точное решение при может быть получено численным интегрированием.

Допустимость набросов мощности или понижений напряжения будет определяться не только устойчивостью двигателя, но и величиной тока, возрастающего при резком толчке, так как увеличение тока ведет к недопустимому нагреву двигателя.

Уравнение движения при этом будет иметь вид

.

При снижении электромагнитного момента с до двигатель будет тормозиться и остановится. Время, в течение которого двигатель будет останавливаться, и изменение скольжения во времени можно найти, интегрируя уравнение движения. Обычно возникает задача: найти наибольшее время, на которое можно понизить напряжение с до , с тем чтобы после восстановления напряжения двигатель, не останавливаясь, мог продолжать свою нормальную работу. При этом скольжение не должно увеличиваться до величины, большей , так как при двигатель попадает на неустойчивую часть характеристики и восстановление напряжения уже не сможет прекратить его торможения и остановки.

Получим

После интегрирования левой части от до , а правой от до найдем время, при котором двигатель достигает скольжения .

где .

Значениях и , которые находятся из выражения ,

откуда

Знак "+" в последнем соотношении соответствует , а знак "-" -- .

Поведение двигателя при толчке нагрузки будет полностью аналогично его поведению при понижении напряжения.

3. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПУСКЕ СИНХРОННЫХ И АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Общая характеристика условий пуска синхронных и асинхронных двигателей. Пуск двигателей в ход, или пусковой режим электропривода, входящего в состав комплексной нагрузки - это процесс перехода двигателей и соответственно рабочих механизмов из неподвижного состояния в состояние вращения с нормальной скоростью .

Пуск двигателей, являющийся существенной частью режима работы двигателей, относится к числу нормальных переходных процессов.

При проектировании электропривода и выборе соответствующего двигателя устанавливают

время пуска двигателя;

допустимость продолжительности процесса пуска;

проверяют плавность пуска (что особенно важно, например, для подъемных кранов и печатных машин);

определяют нагрев двигателя при пуске;

находят величину ускорения и его постоянство при пуске (что желательно для ряда механизмов, например для пассажирских лифтов).

Большие токи при пуске могут вызвать понижение напряжения, создать неблагоприятное влияние на другие двигатели и другие виды нагрузки и привести к тому, что данный двигатель будет фактически разгоняться медленнее, чем это предполагалось при неизменном напряжении на его зажимах. В этих условиях требуется определение времени пуска двигателей и зависимости пускового тока от времени. Вследствие снижения напряжения в сети вращающий момент двигателя может оказаться либо меньше момента сопротивления механической нагрузки, либо ненамного больше и разгон двигателя будет соответственно или невозможен, или недопустимо затянут.

Во время пуска двигатель должен развивать вращающий момент, необходимый, во-первых, для преодоления момента сопротивления механизма и, во-вторых, для создания определенной кинетической энергии вращающихся масс агрегата. При пуске двигатель потребляет от источника повышенное количество энергии, что и отражается в увеличении пускового тока. Кратность пускового тока по отношению к номинальному составляет у асинхронных двигателей 1.5 – 2 при реостатном пуске (для двигателей с фазным ротором) и 5 – 8 при пуске двигателя с короткозамкнутым ротором.

Повышенный нагрев при пуске накладывает определенные ограничения на электроприводы, применяющиеся там, где требуются частые пуски в ход. В этих условиях используют двигатели специальных конструкций, а также проводят различные мероприятия, облегчающие пуск.

Условия пуска обычно разделяют на легкие, нормальные и тяжелые.

При легких условиях требуемый момент в начале вращения двигателя составляет 10 – 40 % от номинального.

К нормальным условиям пуска относятся такие, при которых механизм требует пускового момента, равного 50 – 75 % от номинального.

К тяжелым условиям пуска относятся такие, при которых требуемый начальный момент составляет 100% номинального и выше. К последним относятся условия пуска таких механизмов, как компрессоры, дробильные барабаны, различные устройства для перемешивания, а также насосы с открытой задвижкой, приводы со значительным моментом инерции. В некоторых специальных случаях, например при использовании однофазных двигателей и синхронных двигателей, у которых не предусмотрен самозапуск, электрический пуск агрегата в ход заменяется механическим с помощью разгонных устройств. Такие случаи, однако, становятся все более и более редкими и не будут рассматриваться в данном курсе.

Для облегчения тяжелых условий пуска в некоторых приводах применяются специальные механические средства: центробежные, сцепные ферромагнитные или гидравлические муфты, с помощью которых двигатель принимает нагрузку лишь после того, как он достиг нужной скорости и стал развивать надлежащий вращающий момент.

Для управления пуском и ограничения пускового тока могут применяться пускорегулирующая аппаратура и специальные схемы пуска.

Схемы пуска. В основном используются три схемы пуска, которые рассмотрены применительно к синхронным двигателям; пуск асинхронных двигателей отличается лишь тем, что в нем отсутствует последняя стадия – подача возбуждения и втягивание в синхронизм.

Автотрансформаторный пуск осуществляется по схеме, показанной на рис.11.1, а. При пуске сначала включается нулевой выключатель 1, после чего включается выключатель 2, присоединяющий автотрансформатор к сети. Двигатель подключен к пониженному (через автотрансформатор) напряжению разгоняясь, потребляет сравнительно небольшой ток. По достижению подсинхронной скорости, включается возбуждение и двигатель входит в синхронизм; выключатель 1 отключается и включается шунтирующий выключатель 3, который подает на двигатель нормальное напряжение.

Рис.15.1. Схемы пуска двигателей:

а – автотрансформаторный; б – реакторный; в - прямой

У синхронных двигателей при легком пуске возбуждение на двигатель подается до включения выключателя 3; при тяжелом пуске возбуждение подключается после включения шунтирующего выключателя, т.е. после подачи на двигатель полного напряжения сети.

Если напряжение сети снижается с помощью автотрансформатора в k раз, то ток, потребляемый из сети при пуске, снижается пропорционально квадрату напряжения k ² раз. Однако автотрансформатор довольно дорого и обладает недостатками в эксплуатации, так как создает толчки тока при переключении и иногда служит причиной аварии. Все это привело к тому, что от автотрансформаторного пуска отказываются и в настоящее время он применяется крайне редко.

Реакторный пуск осуществляется согласно схеме, приведенной на рис.11.1, б. Пусковой реактор ограничивает величину пускового тока и снижает напряжение на двигателе при пуске за счет падения напряжения в реакторе. В начале пуска шунтирующий выключатель 2 отключен. С помощью выключателя 1 двигатель подключается к сети через реактор. По мере разгона двигателя ток снижается. Это приводит к уменьшению падения напряжения в реакторе и, следовательно, к увеличению напряжения на двигателе. При подсинхронной скорости двигатель получает возбуждение и входит синхронизм, после чего включается шунтирующий выключатель 2, выключая пусковой реактор. При этом двигатель оказывается подключенным непосредственно к сети.

Величина сопротивления реактора

где - величина, до которой необходимо ограничить пусковой ток с помощью реактора; - пусковой ток двигателя при номинальном напряжении на его зажимах.

При напряжении сети , отличном в общем случае от , величина напряжения , подводимого к двигателю при пуске,

.

При этом пусковой ток двигателя

Пусковой момент при реакторном пуске снижается:

.

Недостаток пуска через реактор – необходимость дополнительного оборудования (пускового реактора и шунтирующего выключателя). Рассмотренную схему обычно применяют при необходимости значительного снижения тока в сети и достаточности для пуска небольшого превышения пускового момента над статическим моментом механизма.

Прямой пуск осуществляется согласно схеме, приведенной на ри.11.1, в. Двигатель включается на полное напряжение сети с помощью выключателя. Вращающий асинхронный момент заставляет двигатель достигнуть подсинхронной скорости, после чего подается возбуждение и он входит в синхронизм. Преимущество прямого пуска – отсутствие сложных пусковых устройств, простота схемы и значительное сокращение времени пуска.

УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПРИ ПУСКЕ И ЕГО ИНТЕГРИРОВАНИЕ

Процесс движения двигателя описывается уравнением

, (1)

где М – электромагнитный момент двигателя; М_мех – момент сопротивления рабочего механизма; Т_j – постоянная инерции агрегата.

В случае синхронного двигателя

.

Постоянная инерции Т_j определяется суммой маховых моментов двигателя и механизма (нагрузки):

Определение времени разбега при пуске или остановке требует выяснения зависимости вращающего момента двигателя М и момента сопротивления механизма М_мех от скольжения, причем при определении зависимости необходимо учитывать влияние сопротивления, через которое двигатель подключается к сети.

Заметим, что для упрощения анализа переходных режимов часто при определении зависимости пользуются только статическими характеристиками, хотя при резком изменении напряжения питания двигатели (включении двигателя в сеть, переключении на резервный источник питания, понижении напряжения в случае короткого замыкания в сети и т.д.) следовало бы пользоваться динамическими характеристиками. Переходные слагающие токов в цепях статора и ротора двигателя, которые создают дополнительные динамические составляющие момента, изменяющиеся во времени даже при постоянном скольжении, не учитывают. Обычно влияние дополнительных моментов на время пуска или выбега невелико и ими пренебрегают (учитывая только при определении наибольших механических усилий).

При решении уравнения (1) необходимо учитывать характер зависимостей и . Здесь могут быть применены аналитические методы решения уравнения движения синхронных генераторов и способ последовательных интервалов. Возможны упрощенные решения при аппроксимации зависимостей и прямыми или некоторыми кривыми, при которых интегрирование (1) оказывается возможным.

Рассмотрим способ последовательных интервалов, обеспечивающий решение при любых зависимостях моментов М. Техника расчета пусковых режимов двигателей при этом несколько отличается от техники расчета устойчивости. Однако все общие положения способов не изменяются и ниже излагаются только некоторые особенности.

Дата добавления: 2015-07-08