Глава 15

15.7. Самовозбуждение асинхронных двигателей во время пуска при последовательной емкостной компенсации в сети

Конденсаторные батареи при последовательном их включении в сеть, кроме компенсации реактивного сопротивления, позволяют автоматически изменять напряжение в зависимости от нагрузки двигателя. Однако при этом в сетях, питающих двигатели, могут возникать некоторые, необычные с точки зрения нормальной эксплуатации, явления:

качание синхронных машин;

« застревание » асинхронных двигателей при частотах вращения, меньших, чем номинальная;

самовозбуждение при асинхронном пуске синхронных двигателей;

появление резонансных колебаний на частотах ниже номинальной, что приводит к возникновению субгармонических токов и напряжений.

Условия самовозбуждения асинхронного двигателя при пуске можно оценить с помощью тех же соотношений, что и при анализе режимов работы синхронного двигателя. Однако строгое и точное рассмотрение этих условий требует более полного и сложного их анализа.

Считают, что асинхронный двигатель так же, как и генератор, можно характеризовать сопротивлениями и . При изменении угловой скорости двигателя о изменяются его индуктивные сопротивления и (кривые 1 и 2 на рис. 15.13).

Если в сеть, питающую двигатель, включить конденсаторную батарею продольной компенсации с емкостным сопротивлением, то в зависимости от угловой скорости ω емкостное сопротивление при разных значениях С изменяется так, как показано на рис. 15.13 (кривые 3-5). Эти кривые различным образом расположены относительно области - представляющей собой зону самовозбуждения двигателя.

Если во время пуска двигателя изменяется по кривой 3, то самовозбуждение не происходит. Если изменяется по кривой 4, то самовозбуждение будет от угловой скорости ω3 До нормального режима, соответствующего ωном. При изменении по кривой 5 во время пуска двигателя в интервале угловых скоростей от ω1 до ω2 самовозбуждение появится. Оно может исчезнуть, не развившись полностью, если двигатель быстро пройдет зону самовозбуждения. Скорости ω1 и ω2 соответствуют границам зоны самовозбуждения двигателя.

Рис. 15.13. К рассмотрению самовозбуждения асинхронного двигателя

Самовозбуждение двигателей не следует допускать по следующим причинам:

ток статора и мощность, потребляемые двигателем из сети, могут в несколько раз превышать их номинальные значения; при этом двигатель сильно перегревается, напряжение на его момент уменьшается;

во время пуска двигатель может «застревать», не достигнув номинальной частоты вращения из-за уменьшения вращающего момента в процессе разгона; при этом появляются биения тока и момента, что приводит к качанию ротора машины.

При рассмотрении процесса самовозбуждения асинхронного двигателя необходимо учитывать следующие факторы:

во время разгона двигателя его сопротивление изменяется от минимального значения до максимального;

при некотором значении скольжения ротора индуктивность двигателя может резонировать с емкостью последовательной компенсации, в результате чего создается контур самовозбуждения с частотой ниже промышленной. В этом случае двигатель вращается с частотой, соответствующей частоте свободных колебаний контура;

во время разгона двигателя может возникать отрицательное скольжение ротора, при котором двигатель переходит в генераторный режим по отношению к контуру самовозбуждения. При равенстве потерь в контуре ротора и генерирующей мощности создается условие для устойчивой работы в этом режиме. Если потери больше генерируемой мощности, то самовозбуждение либо не возникает, либо становится неустойчивым, что дает возможность двигателю вращаться с номинальной частотой; частота генерирующего контура зависит от параметров сети, емкостного сопротивления конденсаторной батареи и сопротивления самого двигателя. Поэтому для предотвращения самовозбуждения необходимо либо выбрать соответствующую емкость продольной компенсации, либо включить последовательно или параллельно емкости активное сопротивление.

В зависимости от соотношения сопротивления и параметров двигателя могут возникать три характерных режима его работы» соответствующих кривым 3-5 на рис. 15.13.

В первом режиме (кривая 3)

(15.37)

где- реактивное сопротивление цепи намагничивания двигателя. При этом вся зона самовозбуждения двигателя лежит в диапазоне частот вращения больше синхронной, а в пределах изменения частоты вращения от нуля до синхронной двигатель практически не самовозбуждается.

Во втором режиме (кривая 4)

(15.38)

где - сопротивление рассеяния обмотки статора; активные сопротивления обмоток ротора и статора двигателя.

Рис. 15.14. Зависимость вращающего момента асинхронного двигателя от скольжения при самовозбуждении (а) и разгоне (б)

В этом случае одна часть зоны самовозбуждения двигателя находится в диапазоне частот вращения от нуля до синхронной, а другая выходит за пределы синхронной частоты вращения.

Зависимость вращающего момента двигателя от скольжения имеет вид, показанный на рис. 15.14, а. Эффект самовозбуждения здесь проявляется в уменьшении частоты вращения двигателя на 35 - 40 % номинальной.

В третьем режиме

(15.39)

При этом условии самовозбуждение двигателя начинается от небольшой частоты вращения, близкой к нулю, и зона самовозбуждения находится в диапазоне частот вращения от нулевой до синхронной.

Зависимость вращающего момента асинхронного двигателя от скольжения при разгоне показана на рис. 15.14, б. Если после подключения к сети двигатель разгоняется настолько медленно, что процесс его самовозбуждения успевает закончиться за время прохождения зоны самовозбуждения, то двигатель «застревает» на пониженной частоте вращения и возникают качания.

При малых значениях момента инерции двигателя и момента сопротивления механизма, а также при большом питающем напряжении двигатель может разгоняться настолько быстро, что самовозбуждение не успевает развиться. В этом случае двигатель быстро проходит зону самовозбуждения и разгоняется до номинальной частоты вращения. Этому режиму соответствует кривая 5 на рис. 15.13.