CC BY
40
УДК 621.313.333 ББК 31.291
И.Ф. АФЛЯТУНОВ, НИ. ГОРБАЧЕВСКИЙ, Е.Н. ГАВРИЛОВ
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРОВ НА НАЧАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПУСКОВОГО ТОКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Ключевые слова: асинхронный двигатель, конденсаторный пуск, плавный пуск, форсированный пуск, управляемый пуск, компенсация реактивной мощности.
Исследование способа пуска асинхронного двигателя, основанного на подключении конденсаторов последовательно с цепью статора электродвигателя, является актуальным, так как такой способ пуска решает задачи плавного и форсированного пуска. Целью исследования является определение границ диапазонов емкостных сопротивлений конденсаторов, последовательно подключенных в цепь статора электродвигателя, для режимов плавного и форсированного пуска. Новизна исследования состоит в том, что получены соотношения емкостного сопротивления конденсаторов и индуктивного сопротивления АД, при которых обеспечиваются форсированный и плавный режимы конденсаторного пуска АД, позволяющие упростить анализ этих режимов на универсальных моделях путем использования полученных соотношений в качестве ограничений. Форсированный пуск достигается снижением суммарного реактивного сопротивления цепи за счет компенсации индуктивного сопротивления электродвигателя емкостным сопротивлением конденсаторов. Режим ограничения пускового тока достигается за счет увеличения суммарного реактивного сопротивления цепи за счет перекомпенсации индуктивного сопротивления электродвигателя.
В настоящее время среди всего разнообразия электродвигателей, применяемых в качестве приводного звена различных производственных механизмов, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АД) получил наибольшее распространение. Во многом этому способствуют простота его конструкции, высокая надежность, низкая трудоемкость технического обслуживания.
Общеизвестно, что серьезным недостатком АД является его высокий пусковой ток, кратность пикового значения которого при прямом пуске достигает 6,5-7,5 раза от номинального тока электродвигателя. Наряду с этим на практике часто по условию гарантированного пуска приводной электродвигатель выбирается завышенной мощности лишь для преодоления начального момента сопротивления механизма, который превышает пусковой момент АД. Вследствие этого в рабочем режиме АД работает с низким коэффициентом мощности. Также возможны случаи, когда от электродвигателя требуется быстрое прохождение резонансного диапазона скоростей вращения, в котором при малом ускорении двигателя момент сопротивления на его валу увеличивается настолько, что выход электропривода на рабочий режим становится невозможным [4].
Обеспечить пусковой режим АД с заданными параметрами пусковых характеристик, а также качества электроэнергии возможно при пуске АД с подключенными в цепь статора статическими конденсаторами. Целесообразность такого способа заключается в следующем:
1) в нормальном рабочем режиме электродвигателя конденсаторы можно использовать для компенсации потребляемой реактивной мощности, а также в качестве тормозных во время останова;
2) в пусковом режиме конденсаторы снижают амплитуду ударных составляющих момента за счет снижения апериодической составляющей тока статора;
3) при подключении конденсаторов происходит компенсация падения напряжения в протяженной линии. Это благоприятно влияет на перегрузочную способность электродвигателя. Еще большую актуальность это свойство имеет при питании АД от источника ограниченной мощности [5, 7].
Включенные в цепь статора АД конденсаторы в зависимости от величины своей емкости обладают двумя противоположными друг другу свойствами. Конденсаторы способны как снизить приложенное к статору напряжение, что позволяет ограничить пусковой ток электродвигателя, так и, наоборот, повысить значение приложенного к статору напряжения, что позволяет повысить пусковой момент электродвигателя, но влечет за собой также повышение значения пускового тока. Представляет интерес исследование влияния величины емкости конденсаторов на начальное значение пускового тока АД.
Целью данного исследования является определение границ диапазонов емкостных сопротивлений конденсаторов, последовательно подключенных в цепь статора электродвигателя, для двух пусковых режимов:
1) режима плавного пуска;
2) режима форсированного пуска.
Влияние величины емкости конденсаторов на начальное значение пускового тока АД, а также электромагнитного момента и фазного напряжения на статоре исследовалось при помощи упрощенных выражений для электромеханических и механических характеристик электродвигателя при скольжении ротора равном единице. Данные выражения имеют следующий вид:
I =_ч±__(1)
1пуск д + я;+лх, + х; - хс у и
(я+ я^2
п _ п v( r + r2)2 + (х + x 2)2
U Д.пуск _ U ф ' / , 2 , . , (2)
v(ri + r2)2+( x ! + x 2 - хс )2
3 U ф • R2
M _-^—---(3)
мехпуск шс • [(R1 + r2)2 + (X1 + х2 -XC)2]' У)
где иф - напряжение фазы, В; Rb R'2, Xb X'2 - соответственно активные и индуктивные сопротивления статора и ротора АД, Ом; XC - реактивное (емкостное) сопротивление включенных в цепь статора конденсаторов, Ом; юс -угловая частота вращения магнитного поля, рад/с. Емкостное сопротивление
Хс _юс • с •lO-6, где С - емкость пусковых конденсаторов, мкФ.
Исследования проводились с использованием паспортных данных электродвигателя 1LA7113-2AA60 марки Siemens, на основе которых по методике
[6] были определены параметры схемы замещения асинхронной машины. Электродвигатель имеет следующие параметры:
- номинальная мощность: Рн = 4 кВт;
- номинальная частота вращения: пн = 2905 об/мин;
- момент инерции ротора: /д = 0,0055 кг/м2;
- значения активных сопротивлений и индуктивностей электродвигателя: Л = 1,57 Ом, #2 = 1,02 Ом, = 0,0061 Гн, Ь2 = 0,0084 Гн, Ьт = 0,25 Гн;
- пусковой и критический электромагнитные моменты, а также пусковой ток прямого пуска АД: Мп = 2,6Мном, Мкр. = 2,9Мном, 1п = 7,2/ном, где Мном = 13 Нм, /ном = 7,8 А.
В ходе исследования с помощью выражений (1)-(3) были построены графики функций /¡пускХс), ^д.пуск(Хс), Ммех.пуск(Хс), которые дают представление о значениях тока и напряжения статора, а также развиваемого электродвигателем момента в начальный момент времени пуска. На рис. 1 представлены кривые зависимостей 1\щск(Хс), ЦД.пуск(Хс), Ммехпуск(Хс) в относительных единицах. Здесь:
/ое =■
I
1пуск
/
М„е =;
м,
мех. пуск
мн
;и„е =■
и
Д.пуск . у _ Хс ; Х о.е. -■
АД
и
X
0 0.5 1 1,5 2 2.5 3 3.5 4 4,5 5 Рис. 1. Графики функций ЛпускХ), иД.пуск(Хс),Ммех.пуск(Хс)
На рис. 2 представлен график зависимости тока статора АД от емкости подключенных конденсаторов. Данный график представляет собой комплексную плоскость, на которой показано изменение характера пускового тока электродвигателя при увеличении емкости конденсаторов от 10 мкФ до 10000 мкФ. Действительная и мнимая части пускового тока АД определены с использованием выражения (1).
Рис. 2. Зависимость характера начального значения тока исследуемого АД от емкостного сопротивления конденсаторов
Анализируя построенные зависимости начальных значений тока, электромагнитного момента и фазного напряжения на статоре АД от емкостного сопротивления конденсаторов в цепи статора (рис. 1), можно заметить, что с увеличением значения емкостного сопротивления конденсаторов от нуля до двукратного значения пускового индуктивного сопротивления электродвигателя 0 < Хс < 2Хад значения электромагнитного момента, тока и напряжения статора сначала возрастают, достигают максимального значения, а затем снова снижаются.
При дальнейшем увеличении значения емкостного сопротивления конденсаторов от Хс = 2ХАд и выше наступает режим ограничения пускового тока АД за счет снижения значения напряжения, приложенного к обмоткам статора электродвигателя.
Максимальные значения тока статора и электромагнитного момента возможны при условии равенства между собой емкостного сопротивления конденсаторов и индуктивного сопротивления электродвигателя: Хс = ХАд = X, + Х'2. При этом суммарное реактивное сопротивление участка цепи равно нулю, пусковой коэффициент мощности равен единице: С08фпуск = 1, т.е. потребляемая мощность имеет активный характер, а значение напряжения на обмотках статора выше, чем при прямом пуске. Например, как видно из графиков на рис. 1, при Хс = ХАд для исследуемого АД относительные значения напряжения и тока статора повышаются до 1,4, пусковой момент при этом увеличивается в 2 раза, что соответствует зависимости МАд(и 2Ф).
Проанализируем, как влияет величина емкостного сопротивления конденсаторов на характер начального значения тока АД (рис. 2). В точке «А» значение емкостного сопротивления подключенных к обмоткам статора конденсаторов равно нулю: Хс = 0, т.е. значение тока статора соответствует режиму прямого пуска АД; в точке «Г» Хс = да, что практически соответствует разрыву между питающим кабелем и статорными обмотками. Для точки «Б» пусковой ток, следовательно, и пусковой момент АД максимальны. В данной точке выполняется условие резонанса напряжений: Хс=Хдц, а полное сопротивление цепи равно активному сопротивлению АД. Следуя на анализируемой кривой по участку
«АБ» от точки «А» к точке «Б», вектор потребляемого из сети электроприводом тока отстает от вектора напряжения сети, т.е. имеет активно-индуктивный характер, но значение угла сдвига между векторами снижается. Приближаясь к точке «Б», значение емкостного сопротивления конденсаторов увеличивается, оно все больше компенсирует индуктивное сопротивление цепи, благодаря чему полное сопротивление участка цепи снижается. Это приводит к тому, что пусковой ток двигателя увеличивается. За счет повышения тока статора приложенное к ста-торным обмоткам напряжение также увеличивается, а вместе с этим повышается электромагнитный момент электродвигателя (рис. 1).
Рассмотрим участок «БВ» (рис. 2). На данном участке емкость конденсаторов изменяется от Хс = ХАд до Хс = 2ХАд. Вектор потребляемого электроприводом из сети тока опережает вектор напряжения питающей сети. Для точки «В» значение емкостного сопротивления пусковых конденсаторов в два раза превышает значение пускового индуктивного сопротивления АД: Хс = 2ХАд. В этой точке эквивалентное полное сопротивление цепи равно эквивалентному полному сопротивлению АД без конденсаторов. Следовательно, модуль вектора пускового тока АД равен модулю вектора пускового тока электродвигателя в режиме прямого пуска, но имеет опережающий характер. Аналогично, значения электромагнитного момента и напряжения статора равны значениям при прямом пуске (рис. 1).
Участок «ВГ». На данном участке Хс > 2ХАд, вследствие чего наблюдается перекомпенсация индуктивного сопротивления участка цепи, полное сопротивление этого участка цепи превышает полное сопротивление АД. С увеличением значения емкостного сопротивления конденсаторов от точки «В» к точке «Г» полное сопротивление цепи увеличивается. Поэтому происходят ограничение пускового тока, снижение приложенного к обмоткам статора напряжения и электромагнитного момента электродвигателя (рис. 1).
Выводы. 1. При включении в цепь статора АД статических конденсаторов существует возможность либо «форсировать» пуск электродвигателя увеличением кратности его пускового момента, либо, наоборот, ограничить пусковой ток и электромагнитный момент АД на требуемом уровне.
2. Для форсирования пуска АД суммарное реактивное сопротивление цепи не должно превышать пусковое индуктивное сопротивление электродвигателя. При этом возможны два случая: 1) Хс < ХАд - ток, потребляемый из сети, имеет активно-индуктивный характер; 2) ХАд < Хс < 2Хдц - ток, потребляемый из сети, имеет активно-емкостный характер. Режим форсированного пуска применим для механизмов, которым для начала движения необходимо преодолеть большой момент сопротивления, резко снижающийся после начала движения. Также данный режим применим для увеличения динамики разгона АД с целью быстрого преодоления резонансных участков скоростей.
3. Для ограничения пускового тока емкостное сопротивление конденсаторов должно в два раза превышать индуктивное сопротивление электродвигателя: Хс > 2ХАд. Потребляемый из сети ток имеет активно-емкостный характер. Так как при ограничении тока АД снижается и его электромагнитный
момент, то данный режим пуска можно рекомендовать для электроприводов насосов и вентиляторов.
Отдельно стоит сказать, что в проведенном анализе рассматривается начальный момент пуска АД, т.е. определены значения тока, электромагнитного момента и напряжения статора АД в начальный момент подключения к сети. Это, естественно, не дает полную картину переходного процесса конденсаторного пуска АД, а позволяет лишь приближенно оценить характеристики пускового режима. Для исследования протекания переходного процесса пуска АД с включенными в цепь статора конденсаторами во времени необходимо прибегать к методу моделирования [1-3].
Литература
1. Афлятунов И. Ф. Асинхронный электропривод с конденсаторным пуско-компенсирую-щим устройством: дис. ... канд. техн. наук. Ульяновск, 2016. 181 с.
2. Афлятунов И.Ф., Дмитриев В.Н. Динамические режимы асинхронного двигателя с пуско-компенсирующим устройством // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2013. № 11-12. С. 61-67.
3. Афлятунов И.Ф., Мухитов М.М., Дмитриев В.Н. Форсированный пуск асинхронного двигателя с последовательно включенными в цепь статора конденсаторами // Электротехнические комплексы и системы управления. 2015. № 4. С. 52-56.
4. Гаврилов Е.Н. Разработка и исследование асинхронного электропривода зарезонансных вибрационных транспортирующих машин: дис. ... канд. техн. наук. Ульяновск, 2012. 177 с.
5. Дмитриев В.Н., Крицштейн А.М., Кислицин А.Л. Конденсаторный пуск асинхронных двигателей малой мощности // Материалы международной научно-технической конференции «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах». Севастополь, 2015. С. 71-72.
6. Мощинский Ю.А., Беспалов В.Я., Кирякин А.А. Определение параметров схемы замещения асинхронной машины по каталожным данным // Электричество. 1998. № 4. С. 38-42.
7. Мухитов М.М., Дмитриев В.Н. Исследование асинхронного двигателя с конденсаторным пуско-компенсирующим устройством // Проблемы энергетики. 2011. №11-12. С. 187-190.
АФЛЯТУНОВ ИЛЬДАР ФААТОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и энергообеспечения предприятий, Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) Казанского национального исследовательского технологического университета, Россия, Нижнекамск (aif_69@inbox.ru).
ГОРБАЧЕВСКИЙ НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и энергообеспечения предприятий, Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) Казанского национального исследовательского технологического университета, Россия, Нижнекамск (aep-nk@mail.ru).
ГАВРИЛОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электротехники и энергообеспечения предприятий, Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) Казанского национального исследовательского технологического университета, Россия, Нижнекамск (noble-86@mail.ru).
I AFLYATUNOV, N. GORBACHEVSKY, E. GAVRILOV IMPACT OF CAPACITIVE REACTANCE OF CAPACITORS ON INITIAL VALUE OF STARTING CURRENT OF THE ASYNCHRONOUS MOTOR
Key words: asynchronous motor, capacitor start-up, soft start-up, forced start-up, controlled start-up, compensation of reactive power.
The research on the way of the asynchronous engine launch based on capacitors consistently connected with an electric motor stator chain is relevant as this way of start-up solves problems of the soft and forced start-up. The research objective is delimitation of ranges of capacitances of the capacitors which are consistently connected in the electric motor stator chain for the modes of the soft and forced start-up. The newness of the research consists in received ratios between capacitance of capacitors and inductive resistance of the asynchronous engine at which the forced and soft modes of capacitor launch of the electric motor are provided to simplify the analysis of these modes on universal models by using the received ratios as restrictions. The forced start-up is reached by decreasing total reactive impedance ofa chain due to compensation of inductive resistance of the electric motor by the capacitance of capacitors. The mode of restriction of a starting current is reached by increasing total reactive impedance ofa chain due to overcompensation of inductive resistance of the electric motor.
References
1. Aflyatunov I.F. Asinkhronnyy elektroprivod s kondensatornym pusko-kompensiruyushchim ustroystvom: dis. ... kand. techn. nauk [The asynchronous electric drive with the device for capacitor start-up of induction motor and compensation of reactive power. Doct. Diss.]. Ulyanovsk, 2016, 181 p.
2. Aflyatunov I.F., Dmitriev V.N. Dinamicheskiye rezhimy asinkhronnogo dvigatelya s pusko-kompensiruyushchim ustroystvom [Dynamic modes of asynchronous motor with capacitor starting -compensating device]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Problemy energetiki, 2013, no. 1112, pp. 61-67.
3. Aflyatunov I.F., Muhitov M.M., Dmitriev V.N. Forsirovannyy pusk asinkhronnogo dvigatelya s posledovatel'no vklyuchennymi v tsep' statora kondensatorami [Forced start of induction motor with a series capacitors in the stator]. Elektrotekhnicheskie kompleksy i sistemy upravleniya, 2015, no. 4, pp. 52-56.
4. Gavrilov E.N. Razrabotka i issledovanie asinkhronnogo elektroprivoda zarezonansnykh vibra-tsionnykh transportiruyushchikh mashin: dis. ... kand. techn. nauk [Development and research of the asynchronous electric drive of resonant vibratory transporting machines. Doct. Diss.]. Ulyanovsk, 2012, 177 p.
5. Dmitriev V.N., Kritshtein A.M., Kislitsin A.L. Kondensatornyy pusk asinkhronnykh dvigateley maloy moshchnosti [Capacitor start-up of low-power asynchronous motors]. Materialy mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Problemy povysheniya effektivnosti elektromekhanicheskikh preobrazovateley v elektroenergeticheskikh sistemakh». Sevastopol, 2015. pp. 71-72.
6. Moshchinskiy YU.A., Bespalov V.YA., Kiryakin A.A. Opredeleniye parametrov skhemy zameshcheniya asinkhronnoy mashiny po katalozhnym dannym [Determination of the parameters of the equivalent circuit of an asynchronous machine from catalog data]. Elektrichestvo, 1998, no. 4, pp. 38-42.
7. Mukhitov M.M., Dmitriev V.N. Issledovaniye asinkhronnogo dvigatelya s kondensatornym pusko-kompensiruyushchim ustroystvom [Investigation of an asynchronous motor with a capacitor starting-compensating device]. Problemy energetiki. 2011. №11-12. pp. 187-190.
AFLYATUNOV ILDAR - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electrical Engineering and Power Supply of the Enterprise, Nizhnekamsk Chemical Technology Institute (Branch) of Kazan National Research Technological University, Russia, Nizhnekamsk (aif_69@inbox.ru).
GORBACHEVSKY NIKOLAY - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electrical Engineering and Power Supply of the Enterprise, Nizhnekamsk Chemical Technology Institute (Branch) of Kazan National Research Technological University, Russia, Nizhnekamsk (aep-nk@mail.ru).
GAVRILOV EVGENY - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electrical Engineering and Power Supply of the Enterprise, Nizhnekamsk Chemical Technology Institute (Branch) of Kazan National Research Technological University, Russia, Nizhnekamsk (noble-86@mail.ru).
Формат цитирования: Афлятунов И.Ф., Горбачевский Н.И., Гаврилов Е.Н. Влияние величины емкости конденсаторов на начальное значение пускового тока асинхронного двигателя // Вестник Чувашского университета. - 2020. - № 1. - С. 40-46.
