К.т.н. Бойко С.Н., Михайличенко Д. А., Вырвыкишка С.В.

Кременчуцький национальный университет имени Михайла Остроградского

Общая характеристика основных способов запуска синхронного электродвигателя

Использовать синхронный электродвигатель в качестве приводного весьма заманчиво во многих механизмах. Синхронный электродвигатель имеет перед асинхронным важное преимущество – возможность работать с опережающим коэффициентом мощности, то есть не потреблять, а выдавать реактивную мощность в сеть путем перевозбуждения машины, или работать с коэффициентом мощности равным единице. Кроме того, в случае потребности, весьма просто реализовать ускоренное торможение синхронного двигателя, отключив его от высоковольтной сети и подключив к обмоткам статора тормозные резистор, регулируя при этом тормозное усилие по цепи возбуждения. Таким образом, есть предпосылки создания энергоэффективного, надежного и дешевого синхронного электропривода.

Однако, ряд недостатков сдерживает применение синхронного электропривода. Одной из проблем является пуск и втягивание в синхронизм двигателя.

В качестве пусковых устройств могут быть возбудители – генераторы постоянного тока, расположенные на одном валу с синхронной машины. Однако, динамические характеристики системы внешнего пуска явно неудовлетворительны, – невысокое быстродействие в переходных процессах. Кроме того, система громоздка и малонадежна из-за наличия щеточно-коллекторного узла в возбудителе.

Самым распространенным способом пуска мощных синхронных двигателей является тот, который осуществляется непосредственным подключением обмоток статора к сети с полным напряжением (прямой пуск).

Несмотря на то, что прямой пуск является простым и экономичным вариантом, он имеет достаточно серьезные недостатки. В ходе прямого асинхронного пуска в роторах двигателей большой мощности выделяется значительное количество энергии, что приводит к значительному нагреву ротора. Температура стержней пусковой клетки в процессе пуска может достигать нескольких сотен градусов, причем различные стержни могут нагреваться неравномерно. В этих условиях из-за тепловых деформаций пусковой клетки могут возникнуть обрывы стержней, что приводит к ухудшению условий пуска и развитию аварий двигателей.[1,2]

Одним из вариантов решения проблемы тепловых перегрузок, чрезмерных электродинамических воздействий на синхронный электрический двигатель (СЭД) и ухудшения показателей качества электрической энергии является асинхронный пуск мощных СЭД через реакторы, или от пониженного напряжения. Однако расчетами и экспериментальными исследованиями было установлено, что такой способ пуска практически незначительно снижает количество выделенного в роторе тепла. Это обусловлено тем, что энергия потерь пропорциональна запасу кинетической энергии двигателя. [1,2]

Для пуска СЭД по схеме вентильного двигателя (ВЭД) синхронный двигатель должен дополнительно оснащаться преобразователем частоты со звеном постоянного тока, управляемым в функции сигнала датчика положения ротора (ДПР). Схема пуска по схеме вентильного двигателя с датчиком положения ротора имеет следующие достоинства: умеренный пуск при любом начальном положении ротора; возможность токоограничения на любом уровне; высокая плавность пуска при небольших пульсациях электромагнитного момента; отсутствие перенапряжений в цепи обмотки возбуждения при пуске; возможность реализации управления точной синхронизацией СЭД с питающей сетью.

К недостаткам этого варианта пуска следует отнести следующие: высокая стоимость преобразователя, делающая экономически невыгодным его использование только для решения задачи пуска СЭД; необходимость высококвалифицированного обслуживания, что значительно удорожает текущие расходы на его обслуживание; необходимость монтажа датчика положения ротора на валу СЭД. [1,2]

Частотно-импульсный пуск синхронных двигателей с помощью тиристорного регулятора напряжения (ТРН). Питание СЭД осуществляется от обычного ТРН, управляемого датчиком положения ротора ДПР. В обмотку якоря возбужденной машины непосредственно от сети через тиристоры пропускаются единичные импульсы тока. Моменты открытия тиристоров согласованы с положением ротора, а их закрытие происходит естественным путем. Эти импульсы тока, взаимодействуя с потоком возбуждения ротора, создают импульсы вращающего момента. Средний вращающий момент серии импульсов превышает момент сопротивления нагрузки, и ротор приобретает ускорение. Параметры импульсов – длительность, площадь, положение, скважность плавно задаются изменением угла отпирания тиристоров ТРН. Для формирования постоянного динамического момента синхронной машины в процессе ее разгона используется замкнутая система с регулятором тока, что также позволяет ограничить пусковой ток. [1,2]

Эта система имеет значительное достоинство: синхронизация с сетью по достижении синхронной частоты вращения осуществляется естественным образом, однако в настоящем этапе развития элементной базы полупроводниковых приборов нельзя зачислить в число эффективных.

Пуск с помощью вспомагательтого разгонного двигателя постоянного тока ДПТ в системе «управляемый выпрямитель - двигатель» (УВ-Д). Преимущества таких систем электропривода общеизвестны^- высокая плавность регулирования с надежным контролем максимальных значений любых необходимых координат привода.

Отмеченные недостатки снимает применение плавного частотного регулирования синхронного двигателя при пуске. Это весьма дорогое удовольствие, поскольку для его реализации требуется высоковольтный IGB транзисторный преобразователь частоты. Однако, когда требуется плавное изменение момента и скорости вращения приводимого механизма в процессе эксплуатации, такое решение является оправданным. [2,3]

При этом, системы пуска и возбуждения синхронного электропривода, которые разрабатываются на перспективу должны удовлетворять следующим основным требованиям: пуск должен быть плавным без ударных моментов; пусковые токи статора и ротора должны быть не более 1,5 номинального; длительность пуска синхронной машины должна быть менее допустимой по технологии механизма; должно обеспечиваться надежное втягивание машины в синхронизм; синхронная машины при пуске должна быть развозбуждена; при кратковременной просадке напряжения питающей сети до 0,8 номинального должна быть предусмотрена либо форсировка возбуждения (при возрастании момента), либо развозбуждение (при спадании момента); должны контролироваться максимальный уровень тока и минимальный уровень напряжения статора для выявления короткого замыкания в питающей сети; должна быть обеспечена работа электропривода на пониженном напряжении сети и низких (технологически допустимых) оборотах механизма; в случае потребности должно быть предусмотренное ускоренное торможение механизма при помощи синхронного электропривода.

Список использованной литературы:

1 Черный А.П., Гладарь А.И., Осадчук Ю.Г., Курбанов И.Р., Вошун А.Н. Пусковые системы нерегулируемых электроприводов: Монография – Кременчуг: ЧП Щербатых А.В., 2006. – 280с.

2 Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 560с., ил.

3 Вейнгер А.М. Регулируемый синхронный электропривод. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 224с., ил.