Microsoft Word Кожеуров222. doc

 
 
3.3.3. Плавный пуск в системах ТПН—АД 
Общеизвестно, что из-за электромагнитных переходных процессов динамические 
механические и скоростные характеристики АД существенно отличаются от статических и 
зависят от параметров асинхронного электропривода (значений активных и индуктивных 
сопротивлений, 
и
т.д.), начальных условий, вида и закона изменения во времени 
приложенного к статору питающего напряжения [6, 40, 70, 71], в связи с чем 

---

110
теоретически может существовать бесконечное множество динамических механических и 
электромеханических характеристик. 
Прямой пуск двигателя, когда к двигателю сразу прикладывается полное, или 
номинальное, напряжение питающей сети, характеризуется значительными ударными, 
или динамическими, моментами в начальной стадии переходного процесса, которые су-
щественно превышают критический момент статической характеристики; обычно этот 
момент является знакопеременным, принимая на отдельных участках отрицательные 
значения. Эти факторы отрицательно влияют на механическую часть электропривода, 
приводя к возникновению ударов в кинематической передаче, особенно при наличии 
люфтов и зазоров, существенных динамических моментов в технологических системах, 
например в системах транспортировки жидкости, что приводит к возникновению ава-
рийных ситуаций, снижает надежность и срок службы производственных агрегатов. 
Для иллюстрации изложенного выше на рис. 3.44 приведены динамическая 
механическая характеристика 
1 
и динамическая скоростная характеристика 
2 
для тока 
статора при прямом пуске АД типа 4А132М6, а на рис. 3.45 — графики изменения во 
времени переходного момента 
М, 
тока статора и скорости при прямом пуске того же 
двигателя. 

---

111
Естественно, что столь неблагоприятные характеристики, соответствующие прямому 
пуску асинхронных двигателей, обусловили поиск решений по реализации управляемого 
пуска, которые, как показали исследования, наилучшим образом осуществляются при 
использовании тиристорных преобразователей напряжения. В этом случае за счет 
изменения во времени угла открытия вентилей от некоторого максимального значения до 
значения 
1-я гармоника напряжения, приложенного к статору, изменяется от 
некоторого начального значения (в пределе 
) до значения 
При таком подходе к управлению пуском вид динамических характеристик (при 
прочих равных условиях) зависит от времени регулирования напряжения 
, 
в течение 
которого и происходит изменение статорного напряжения от значения 
.
Как 
показано в [7, 70], для ограничения ударных моментов на начальном участке пуска до 
уровня 
М
к
на статической характеристике достаточно обеспечить незначительное время 
регулирования 
, 
составляющее 0,02...0,06 с. 
На рис. 3.46 приведены динамическая механическая характеристика и динамическая 
скоростная характеристика 
2 
тока статора при управляемом пуске АД типа 4А132М6 при 
времени регулирования 
, равном 0,05 с, а на рис. 3.47 для тех же условий приведены 
временные графики изменения момента 
М, 
тока статора 
и скорости . Сравнение 
графиков на рис. 3.44 и 3.46, а также на рис. 3.45 и 3.47 подтверждает возможность 
существенного ограничения ударных моментов и исключения отрицательных пиков 
момента при осуществлении управляемого пуска АД с использованием ТПН. 
В связи с этим разными производителями освоен серийный выпуск устройств 
плавного пуска (системы Soft-Start) на основе ТПН. В настоящее время такие системы 
находят широкое промышленное применение для ограничения динамических моментов 
АД в переходных режимах, ликвидации ударов в технологической системе, ограничения 
ускорений и рывков до требуемых значений и т.д. К механизмам, для которых 
целесообразно использовать устройства плавного пуска, относятся насосы и вентиляторы, 
конвейеры и транспортеры, рельсовый транспорт, лифты и др. Проанализируем, как 
изменяются потери энергии в асинхронном двигателе при управляемом пуске 
по 
сравнению с потерями энергии при прямом пуске 
. Для упрощения расчетов при 
определении 
будем рассматривать главные составляющие потерь энергии, а 
именно потери энергии в меди обмоток статора и ротора. 

---

112
Прежде чем перейти к количественным оценкам при сравнении 
рассмотрим факторы, влияющие на вид электромагнитных переходных процессов, время 
затухания свободных составляющих моментов и токов. 
Известно [32, 71], что коэффициенты затухания, определяющие продолжительность 
электромагнитных переходных процессов, зависят от скорости и имеют минимальное 
значение в зоне низких скоростей, что приводит к увеличению длительности переходных 
процессов в этом диапазоне скоростей. Максимумы ударных значений моментов и токов 
связаны с амплитудным значением переменного напряжения 
, приложенного к статору 
двигателя, уменьшаясь при снижении 
. По этим причинам возрастание статического и 
суммарного моментов инерции приводит к более длительному пребыванию 
электропривода в зоне низкой скорости и, следовательно, к наибольшему проявлению 
электромагнитных переходных процессов, увеличивая число колебаний момента при 
пуске. С другой стороны, слишком большое время регулирования напряжения статора в 
переходном процессе приводит к затянутому пуску, возрастанию времени пребывания 
электропривода в зоне больших скольжений (малых скоростей) и увеличению потерь в 
меди ротора и статора АД, которые пропорциональны скольжению. Взаимодействие этих 
факторов, не всегда однозначно влияющих на переходный процесс и уровень энерго-
потребления, определяет потери энергии при управляемом пуске и их отличие от потерь 
энергии при прямом пуске. 
Для иллюстрации на рис. 3.48 приведены потери энергии при прямом и управляемом 
пусках для АД типа 4А225М4, 
Р
ном
= 55 кВт. Значение времени пуска 
определялось, как 
время первого согласования скорости АД с установившейся скоростью. За время 
напряжение 
изменялось от 0 до 
Расчет токов проведен на основании полной 
модели АД с учетом эффектов вытеснения тока ротора и насыщения главной магнитной 
цепи. 
На рис. 3.48 четко виден минимум потерь энергии, вызванный снижением 
колебательности процессов. Уже при 
= 
0,02... 0,04 с потери энергии 
снижаются 
на 15 % по сравнению с потерями энергии при прямом пуске 
В дальнейшем общие 
электрические потери возрастают за счет увеличения времени нахождения двигателя на 
пониженной скорости. При большем моменте сопротивления нарастание потерь 
происходит быстрее. 
Как показывают расчеты, влияние момента инерции проявляется иначе. Увеличение 
момента инерции способствует ослаблению колебаний и уменьшению потерь, 
обусловленных колебаниями тока статора. При этом в случае быстрого темпа изменения 

---

113
напряжения, когда полное напряжение достигается еще на пониженной скорости, потери 
энергии 
обусловленные скольжением, практически не меняются по сравнению с 
потерями энергии при прямом пуске 
Данное явление удобнее проследить на нескольких АД разной мощности. На рис. 
3.49 показаны графики пусковых потерь энергии, рассчитанные для АД разных типов. 
Как видно на рис. 3.49, потери энергии практически не уменьшаются для двигателей 
небольшой мощности, которые разгоняются достаточно быстро, поэтому увеличение 
темпа задатчика напряжения задерживает разгон машины в большей степени и 
увеличивает потери, связанные с возрастанием продолжительности пребывания в зоне 
больших скольжений. Более мощные двигатели разгоняются медленнее, увеличение 
темпа 
задатчика 
напряжения 
не 
приводит 
к 
значительному 
увеличению 
продолжительности пуска и возрастанию потерь энергии, обусловленных большим 
скольжением. 
Таким образом, использование ТПН с точки зрения энергосбережения дает больший 
как абсолютный, так и относительный эффект для более мощных машин при условии 
правильного выбора протяженности нарастания напряжения. 
В большей степени эффект уменьшения пусковых потерь энергии проявляется при 
пониженном моменте сопротивления (см. рис. 3.48). В связи с этим интерес представляет 

---

114
рассмотрение влияния вентиляторной нагрузки. Действительно, на пониженной скорости 
момент сопротивления вентилятора близок к нулевому значению. С другой стороны, 
задатчик напряжения уменьшает динамические потери в самом начале пуска, поэтому 
эффект уменьшения потерь энергии должен проявиться максимально. Это хорошо 
иллюстрируют графики пусковых потерь энергии при вентиляторном моменте статической 
нагрузки для разных типов АД, приведенные на рис. 3.50. Эффект уменьшения потерь 
энергии проявляется в этом случае за счет расширения зоны, в которой потери энергии 
меньше пусковых, однако точка минимума потерь энергии практически не меняется. 
Таким образом, анализ возможностей снижения энергопотребления при 
осуществлении управляемого, или плавного, пуска АД позволяет сделать следующие 
выводы: 
• использование ТПН для пуска АД снижает пусковые потери на 10... 15 % при 
условии выбора оптимальной продолжительности нарастания напряжения; 
• рациональная продолжительность нарастания напряжения составляет 0,02...0,04 
с, что соответствует одному - двум периодам напряжения питающей сети; 
• эффект от оптимизации более ощутим в двигателях средней и большой 
мощности; 
• наибольший выигрыш в энергопотреблении достигается при 
М
с
= 
0, что 
характерно для механизмов с вентиляторным моментом нагрузки; 
• при увеличении продолжительности нарастания напряжения пусковые 
потери энергии увеличиваются и могут превысить потери при прямом пуске. 
Несмотря на относительно незначительное снижение потерь энергии при 
управляемом пуске этот выигрыш достигается практически «бесплатно», так как 
использование ТПН для реализации плавного пуска диктуется технологическими 
требованиями, обеспечивая одновременно и снижение потерь энергии при пуске 
асинхронного двигателя. Таким образом, еще раз подтверждается сформулированное 
выше положение о том, что применение полупроводниковых преобразователей для 
управления режимами АД, обеспечивая удовлетворение технологических требований, 
позволяет одновременно решать и задачу энергосбережения.