Простой пуск двигателя: Основные способы пуска асинхронных двигателей

Содержание

Основные способы пуска асинхронных двигателей

Практически в каждом проекте мы сталкиваемся с необходимостью подключения асинхронных двигателей, поэтому нужно знать про основные особенности пуска таких двигателей. В основном – это двигатели вентиляторов и насосов, которые присутствуют в каждом здании.

В интернете по данной теме представлено предостаточно информации, но мне хотелось бы отразить данную тему со стороны проектировщика.

Как можно запустить асинхронный двигатель?

Самый простой и самый дешевый способ пуска асинхронных двигателей – это прямой пуск. Прямой пуск представляет собой присоединение обмоток двигателя непосредственно к сети без изменения электрических параметров сети. Как правило, такой пуск выполняют при помощи электромагнитных пускателей и контакторов.

При малых мощностях двигателей практически всегда применяют прямой пуск. При проектирования возникают ситуации, когда приходится подключать двигатели большой мощности. Четкой границы не существует, но на мой взгляд при подключении двигателей более 50кВт, стоит проверить всю питающую сеть. Дело в том, что для пуска двигателя на валу необходимо создать достаточно большой крутящий момент, поэтому при пуске двигатель развивает большой пусковой ток, в 5-10 раз больше номинального тока. Повышение пускового тока приводит к падению напряжения в сети. Если падение напряжения составит более 15%, то двигатель может просто-напросто не включиться и заодно нарушит работу других электроприемников. Такое может случиться, если питающая трансформаторная подстанция имеет небольшую мощность. В литературе можно встретить такое правило: мощность двигателя должна быть не более 30% мощности трансформатора.

Как запустить асинхронный двигатель в маломощной сети?

В настоящее время для пуска двигателей в маломощной сети широко применяют устройства плавного пуска (УПП). В данных устройствах ограничение тока достигается путем плавного изменения напряжения на обмотках электродвигателях (U/f=const). Таким же образом происходит плавная остановка двигателя. Благодаря УПП снижается вероятность перегрева обмоток, пуск проходит плавно без опасных гидравлических ударов, в случае с насосами.

Выполнить задачу пуска двигателей в маломощной сети могут и частотные преобразователи (ЧП). Частотные преобразователи выполняют функции УПП и значительно расширяют свои возможности. Простыми словами — это более навороченное устройство, по сравнению с УПП и ему стоит посвятить отдельную тему =)

Основным недостатком УПП и ЧП является их цена. По сравнению с прямым пуском разница в цене будет не менее чем в 10 раз. Но не стоит забывать, что они отлично справляются со своими прямыми обязанностями: защищают двигатель и сеть от аварийных ситуаций.

Другие способы пуска асинхронных двигателей применяют крайне редко.

Пожалуй, можно еще упомянуть про пуск при пониженном напряжении «звезда-треугольник». Суть данного способа заключается в том, что сначала обмотки двигателя подключаются по схеме звезда, а затем переключаются на схему треугольник. Это позволяет снизить пусковые токи в 3 раза. Такой пуск двигателя достаточно дешевый, всего в 2-3 раза дороже прямого пуска. Я его ни разу не применял.

Какие способы пуска асинхронных двигателей используете вы?

Советую почитать:

Схема асинхронного электродвигателя — white-santa.ru

Представленная выше схема является самой простой и распространенной, которая обладает простейшей пускозащитной аппаратурой, которая без проблем позволяет управлять работой асинхронного электродвигателя, а так же защищает от недопустимых режимов работы, таких как короткое замыкание и перегрузки.
На данной схеме имеются две части: силовая цепь, посредством которой осуществляется питание электродвигателя и цепь управления непосредственно участвующую в управлении электродвигателя (пуск, остановка). Необходимо уточнить, что по силовой цепи протекает рабочий ток электродвигателя, другими словами эта цепь должна выдерживать пусковые токи. Цепь управления в свою очередь, в зависимости от используемой пусковой и регулирующей аппаратуры может получать питание от одного источника вместе с силовой цепью или от независимого источника, причем цепь управления может питаться постоянным током. В зависимости от катушки магнитного пускателя цепь управления может питаться фазным или линейным напряжениями.

Схема состоит из следующих составных частей:

Два автоматических выключателя АВ1 и АВ2. Первый АВ1 устанавливается в силовой цепи, им осуществляется подача напряжения на контакты магнитного пускателя. Также от этого автоматического выключателя получает питание второй выключатель АВ2 расположенный в цепи управления. Автомат АВ1 является не только коммутирующим устройством, но и аппаратом защиты от коротких замыканий и перегрузки. Автоматический выключатель АВ2 подает напряжение на цепь управления и защищает ее от короткого замыкания.

Магнитного пускателя КМ, силовые контакты которого включены в силовую цепь, блок контакт КМ1 осуществляет шунтирование кнопки Пуск. Также в цепь управления включается катушка КМ данного магнитного пускателя. Магнитный пускатель осуществляет подачу напряжения на электродвигатель, а также препятствует повторного пуска электродвигателя при кратковременном исчезновении напряжения.

Тепловое реле КК, биметаллические пластины, которого включены последовательно в силовую цепь питания статора асинхронного электродвигателя. Отключающий контакт КК этого реле включен в цепь управления. Реле КК осуществляет защиту электродвигателя от перегрузки.

Сам асинхронный двигатель Д, которым осуществляется управление.

Кнопочная станция (кнопка управления), состоящая из двух кнопок Стоп — нормально замкнутый контакт, и кнопка Пуск – нормально разомкнутый контакт.

Все вышеперечисленные устройства изображены на схеме.

Работа схемы

shema puska ad1

В текущем состоянии, напряжение подается только на верхние контакты (губки) автоматического выключателя АВ1, это можно заметить по окраске линий в синий цвет.

При включенном автоматическом выключателе АВ1, напряжение поступает на силовые контакты магнитного пускателя КМ и автоматического выключателя АВ2. При замыкании Автомата АВ2, напряжение поступит через замкнутый контакт кнопки Стоп на контакт кнопки Пуск, и блок контакт магнитного пускателя КМ1.

shema puska ad2

Все выше перечисленные манипуляции являются подготовительными. В текущем состоянии все готово к пуску электродвигателя.

shema puska ad3

При замыкании контакта кнопки Пуск, питание получит катушка магнитного пускателя КМ, при этом через нее начнет протекать ток, так как образовалась замкнутая цепь: фаза С, автоматический выключатель АВ2, кнопка Стоп, кнопка Пуск, катушка КМ, контакт реле КК, фаза В.

При протекании тока по катушке магнитного пускателя, замкнутся его контакты в силовой цепи, кроме этого срабатывает блок контакт КМ1, который шунтирует катушку магнитного пускателя КМ, он срабатывает, то есть замыкает свои контакты в с кнопку Пуск. После размыкания контакта кнопки Пуск, катушка не потеряет питание.

При срабатывании, магнитный пускатель замыкает свои силовые контакты КМ и подает напряжение на статор двигателя через тепловое реле. Асинхронный двигатель, получив питание, запустится, его ротор начнет вращаться.

shema puska ad4

Для выполнения остановки электродвигателя, необходимо отключить катушку магнитного пускателя КМ, для этого нажимают кнопку Стоп, размыкая его контакт. При этом цепь, по которой питалась катушка КМ, размыкается, вследствие чего размыкаются силовые контакты магнитного пускателя КМ, электродвигатель теряет питание и останавливается, при этом размыкается шунтирующий блок контакт КМ1. При возврате кнопки Стоп в замкнутое положение, состояние схемы возвращается в исходное положение и готова для очередному пуска.

Стоит отметить, что данная схема не приспособлена для обеспечения плавного пуска асинхронного электродвигателя, выполнения регулировки частоты вращения и реверса. Все эти операции требуют усложнения схемы путем включения дополнительных устройств.

Асинхронные двигатели — самый распространенный вид электрических машин. Выше представленную схему пуска электродвигателей так же называют самой простой и распространенной.

Как работают процедуры запуска реактивного двигателя?

Запуск реактивного двигателя включает в себя ряд шагов, которые необходимо выполнять в упорядоченном порядке, чтобы гарантировать, что двигатель не выйдет из строя в результате серьезной неисправности. Реактивные двигатели очень дороги, поэтому о них нужно хорошо заботиться. Простая ошибка вполне могла списать двигатель.

Компоненты реактивного двигателя, участвующие в запуске

Подводя итог, можно сказать, что типичный реактивный двигатель состоит из впускного тракта, ступени компрессора, камеры сгорания и ступени турбины. Он работает очень похоже на двигатель в автомобиле. Сначала воздух всасывается во впуск, который затем сжимается. Со ступени компрессора воздух проходит в камеру сгорания, где вводятся топливо и зажигание, которое затем сжигает воздух. Затем этот воздух подается в турбины, где он расширяется. Это расширение увеличивает кинетическую энергию потока, и когда он выбегает из двигателя, на самолет действует равная и противоположная сила. Это называется тяга.

При более высоких скоростях и числах Маха воздух сжимается перед входом в двигатель. Рисунок:
К. Аинскаци через Wikimedia Commons

Для забора воздуха для запуска ступень компрессора сначала должна вращаться с определенной скоростью. Это первое требование для запуска реактивного двигателя. В своей самой базовой форме реактивный двигатель с высокой степенью двухконтурности имеет две ступени компрессора. Ступень компрессора низкого давления известна как N1, а ступень высокого давления известна как N2. Во время процесса запуска компрессор N2 необходимо вращать, так как большинство вспомогательных устройств двигателя (масляные и гидравлические насосы и т. д.) подключены к этому компрессору.

Существует два способа вращения компрессора N2. Один — с помощью электричества. Этот метод в основном используется для запуска реактивных двигателей меньшего размера, таких как турбовинтовые. Здесь один из электрических генераторов двигателя действует как стартер. Когда на него подается питание, он вращается, и, поскольку он связан с компрессором N2, это заставляет компрессор N2 вращаться.

Второй метод используется в более крупных реактивных двигателях. Здесь для вращения компрессора N2 используется отдельный стартер. Двигатель называется воздушным стартером и приводится в действие исключительно воздухом. Этот воздух может подаваться от вспомогательной силовой установки (ВСУ) или от наземной пусковой установки.

Пневматический стартер двигателя J79, который приводил в движение F-4. Рисунок:
Викисклад

Процедура запуска

Как обсуждалось выше, для запуска реактивного двигателя необходимо провернуть компрессор N2. Для этого воздух должен быть направлен в воздушный стартер. Если самолет оборудован ВСУ, этот воздух, называемый отбираемым воздухом, может подаваться ВСУ. Во время наземных операций ВСУ подает воздух для кондиционеров. Однако во время запуска подача воздуха к этим блокам перекрывается, чтобы воздух был доступен для запуска двигателя.

Когда пилот включает стартер, пусковой клапан открывается, что позволяет отбираемому воздуху проходить в турбину стартера. Затем стартер запускает N2. По мере того, как N2 накапливается, пилот наблюдает за этим по приборам в кабине. При вращении азота примерно на 20% топливо вводится в камеру сгорания пилотом с помощью топливных переключателей. Затем воспламенители воспламеняют топливно-воздушную смесь, что вызывает повышение температуры двигателя. В большинстве реактивных двигателей эта температура измеряется на ступенях турбины или выхлопных газах и называется температурой выхлопных газов (EGT).

При первой подаче топлива происходит резкое увеличение температуры выхлопных газов из-за присутствия в камере сгорания избытка топлива по сравнению с воздухом. Меньше воздуха означает меньше охлаждения. По мере того, как двигатель разгоняется, вводится больше топлива, что постепенно увеличивает выхлопную трубу. В какой-то момент двигатель достигает самоподдерживающейся скорости, при которой двигатель может продолжать разгоняться без помощи стартера. При достижении этого момента стартер автоматически отключается от компрессора N2, и запальники выключаются. Затем температура выхлопных газов достигает пикового значения, а затем падает по мере того, как топливо и воздух уравновешиваются в камере сгорания. На этом процедура запуска заканчивается.

Изображение: Airbus

Пиковая температура EGT является важным значением. Высокий пик EGT указывает на возможную деградацию двигателя. Это также может быть связано с неисправностью стартера двигателя. В любом случае, аномально высокие пиковые значения EGT во время запуска следует обсудить с техническим специалистом, прежде чем это станет частью более серьезной проблемы. Сам EGT показывает температуру турбин, и, поскольку они чувствительны к теплу, существует предел пуска EGT, который никогда не должен превышаться. В случае превышения двигатель следует немедленно заглушить, а самолет передать на техническое обслуживание.

Когда ВСУ неисправен или недоступен, к самолету можно подключить блок наземного запуска. Длинный патрубок от пускового агрегата подсоединяется к переходнику, подающему воздух от агрегата к двигателям. При использовании этого метода пилоты запускают один из своих двигателей у ворот с помощью пускового устройства. После запуска двигателя он отключается от самолета. Затем воздух от запущенного двигателя можно отвести через перепускной клапан для запуска оставшихся двигателей. Этот тип пуска называется перекрестным пуском.

Для запуска некоторых двигателей требуется внешнее питание. Фото: ВВС США

Для двигателей, запускаемых с помощью электрического генератора или электродвигателя, применяется тот же процесс, за исключением того, что не требуется подача воздуха для запуска. Boeing 787 — единственный большой самолет, который использует электричество для запуска двигателя. Это требует большой мощности, а без ВСУ для запуска двигателя к самолету необходимо подключить два внешних наземных блока питания.

Неполадки при запуске

В реактивном двигателе есть две основные неисправности запуска. Один называется «Горячий старт», а другой — «Зависший старт».

При горячем пуске по мере подачи топлива температура выхлопных газов повышается, как и ожидалось, но температура быстро достигает предела выхлопных газов для запуска. Если это произойдет, пилоты должны немедленно отключить подачу топлива и зажигание. Задержка с этим может привести к превышению предела EGT, и это может вывести двигатель из строя за считанные секунды.

Причина горячего старта проста. Недостаточный поток воздуха. Это может быть вызвано слабым стартером, неспособностью ВСУ или наземного пускового устройства обеспечить достаточное количество воздуха или проблемой с электронным блоком управления двигателем. Запуск двигателя при сильном попутном ветре также может вызвать горячий пуск, поскольку ветер препятствует вращению двигателя.

При зависании при запуске обороты компрессора двигателя не достигают ожидаемого значения или скорости самоподдерживания. Он как бы «завис» на неприемлемо низком значении, при этом EGT выше ожидаемого для низких оборотов. Действие пилота при зависании заключается в остановке двигателя путем закрытия топливных клапанов. Зависший запуск в основном вызван неисправным стартером.

Каждый раз, когда двигатель не запускается, перед попыткой нового запуска пилоты должны выполнить так называемый цикл «продувки». Это связано с тем, что в большинстве неудачных запусков в камеру сгорания попадает несгоревшее топливо. Если попытаться запустить с этим топливом, присутствующим в камере, это может привести к воспламенению залитого топлива, и из выхлопа двигателя может выйти пламя. Это называется пожаром выхлопной трубы или поджогом.

Поджигание редко повреждает компоненты двигателя. Однако он может повредить конструкции самолета, на которые он непосредственно воздействует, например, компоненты крыла и закрылки. Чтобы выполнить цикл продувки, пилоты должны выключить зажигание и просто включить стартер без подачи топлива. Это направляет воздух через камеру сгорания и выдувает из нее лишнее топливо.

Поджигание обычно не повреждает сам двигатель. Картина: Аэробус

Двигатель перезапускается в полете

Реактивные двигатели

чрезвычайно надежны. Тем не менее, есть шанс провала в воздухе. Если двигатель выйдет из строя во время полета, пилоты могут выполнить перезапуск в полете. Запуск реактивного двигателя в воздухе очень похож на запуск на земле. Одно существенное отличие состоит в том, что во время полета скорость самолета автоматически включает компрессор. Это называется ветряная мельница. Чем быстрее движется самолет, тем быстрее вращение. Таким образом, в воздухе двигатель можно запустить без помощи стартера, если он летит со стабильной ветряной скоростью. Ниже этой скорости может потребоваться воздух от работающего двигателя или воздух от работающего ВСУ, чтобы разогнать компрессор N2 до приемлемой скорости.

Понимание конструкции автомобильного двигателя с остановкой и запуском, часть 1: идея

Современные автомобили сильно отличаются от тех, что были всего десять лет назад. В этой статье будет рассмотрена относительно новая «функция» (некоторые считают ее ненужной и нежелательной) под названием «старт-стоп», которая становится все более стандартной для многих автомобилей с двигателем внутреннего сгорания и гибридных электромобилей (HEV).

В: Что такое стоп/старт?

A: Это простая идея, по крайней мере, в концепции: выключите бензиновый двигатель, когда машина остановится, например, на светофоре, и очень быстро перезапустите его, когда водитель переведет ногу с педали тормоза на акселератор настолько быстро, что нет заметной задержки при возобновлении движения. Официальные названия этой функции — запуск с остановкой двигателя (ESS) или автоматический останов.

В: Отключается только двигатель внутреннего сгорания или другие агрегаты и подсистемы тоже отключаются?

A: Хотя двигатель выключен, все остальные аксессуары (фары, кондиционер, информационно-развлекательная система) остаются включенными в обычном режиме. В режиме стоп/старт двигатель автоматически перезапускается примерно через 60 секунд (длинный сигнал светофора или очень медленное движение), чтобы предотвратить разрядку аккумулятора этими другими функциями.

В: Сколько газа реально экономится?

О: Этот ответ зависит от многих факторов, главным из которых, очевидно, является характер дорожной ситуации. Для тех, кто ездит почти полностью по шоссе с небольшим количеством остановок на светофорах или пробках, экономия в лучшем случае скромная, около одной мили на галлон (миль на галлон). Сообщаемые преимущества выше примерно на 10% или от 3 до 5 миль на галлон для тех, кто ездит в городских условиях или с интенсивным движением с частыми остановками.

В: Это кажется достаточно простой идеей, но так ли это?

О: Как и многие идеи, она проста только в принципе. Это влияет на конструкцию стартера, моторное масло, тип аккумулятора и многое другое. Это создает нагрузку на электрическую систему автомобиля и силовую передачу, хотя дизайнерам удалось разработать компенсацию для этого. Кроме того, основная идея остановки двигателя и последующего его повторного запуска при предусмотренных обстоятельствах имеет множество исключений и частных случаев, которые должны учитываться алгоритмами управления.

Существуют также нетехнические «человеческие факторы», которые необходимо учитывать. Несмотря на то, что идея проста для выражения, на самом деле для обеспечения бесперебойной работы на практике требуются сложные алгоритмы и компромиссы для обработки множества связанных входных данных датчиков и приспособления ко многим реальным ситуациям.

В: Есть ли у гибридных электромобилей (HEV) функция «стоп/старт»?

О: Да, но используется в другом наборе случаев. В гибридных автомобилях та же система может также отключать двигатель внутреннего сгорания, когда автомобиль движется с низкой нагрузкой на дроссельную заслонку, при спуске с уклона и при замедлении с более высоких скоростей. Двигатель снова запускается при включении сцепления или отпускании тормоза, или когда водитель снова готов двигаться или ускоряться

В: В каких машинах он есть?

Ответ зависит от марки автомобиля (продавца), конкретных моделей и, конечно же, года выпуска. Сейчас он есть примерно в половине новых моделей, и их число продолжает расти.

В этой статье будут рассмотрены различные технические и человеческие факторы, связанные с пуском и остановкой, включая их влияние на конструкцию и использование стартера, технологию аккумуляторов и систему управления аккумуляторами, характеристики двигателя внутреннего сгорания, манеру вождения и предпочтения. В отличие от обычной подсистемы стартера, которая в основном включает в себя путь от ключа зажигания (или активация без ключа) до аккумулятора и стартера, система «стоп/старт» включает гораздо больше функций и подсистем автомобиля (Рисунок 1) .

Рис. 1: Система «стоп/старт» требует входных данных от многих подсистем транспортного средства, что гораздо больше, чем старый подход, основанный только на запуске. (Изображение: Bosch через Green Car Reports)

Во второй части мы начнем с самого очевидного места: самого стартера.

Связанные материалы EE World Content

Способны ли энергосистемы управлять беспилотными автомобилями?
Силовые модули снижают нагрузку на двигатели внутреннего сгорания
Сегодня в истории техники: запатентован двигатель внутреннего сгорания
Гибридные электромобили приходят в автогонки
Как двунаправленные преобразователи ускоряют разработку двухаккумуляторных автомобильных систем

Внешние ссылки

как и почти все, что связано с автомобилями: это большая индустрия, которая так или иначе затрагивает почти всех. Возможно, из-за того, что система Stop/Start является относительно новой, вопреки традиции, и имеет много технических проблем и проблем, связанных с водителем, содержание этих сайтов варьируется от личного мнения до технических дискуссий и углубленного технического анализа. Вот полезные сайты и источники, которые я просмотрел для этой статьи:

Green Car Reports: «Разве системы старт-стоп не изнашивают стартер вашего автомобиля?»
Autocar, «Системы «стоп-старт»: есть ли долгосрочное воздействие на двигатель моего автомобиля?»
CarPro USA, «Знакомство с системами «стоп/старт»
Вождение, «Как это работает: стартер и технология автоматического старт-стоп»
Varta (Clarios), «Причины, по которым не работает система старт-стоп»
Varta (Clarios), «Что такое автоматический старт-стоп и как он работает?»
Varta (Clarios), «Зачем нужна специальная батарея для автоматической системы старт-стоп?»
Varta (Clarios), «Старт-стоп»
Jag Wrangler, «SmartStartStop»
Правда об автомобилях, «Проблема с системами старт-стоп»
Best Ride, «Изнашивает ли технология Auto-Stop/Start компоненты двигателя?»
«Практическое автомобилестроение», «Разрушение мифов: вредит ли вашему двигателю система «старт-стоп»?»
NAPA, «Технология «стоп-старт» — плюсы и минусы»
Idle Smart, «Плюсы и минусы решений для автоматической остановки/запуска двигателя»
How Stuff Works, «Любите это или ненавидите: технология Stop-Start никуда не денется»
Википедия, «Система Старт-стоп»
STMicroelectronics, «Система старт-стоп 48 В»
Daimler, «Под микроскопом: ECO стоп/старт: сложная технология обеспечивает высочайший уровень эффективности»
Аргоннская национальная лаборатория, «Влияние запуска и перезапуска на пусковые компоненты современных транспортных средств»
Bosch, «Полная мощность для остановки/запуска»
How a Car Works, «Как работает система запуска»
Ваш механик, «Как работает стартер?»
General Motors, «Электростартеру Cadillac исполнилось 100 лет»
Elreg Distributors, «Эволюция стартера»
PR Newswire, «ZMJ и CRCI приобретают бизнес стартеров и генераторов Bosch»
TechLink, «Улучшенная работа стартера в системах запуска/останова двигателя»
JeepFan, «Как работает электронный старт-стоп ESS на Jeep Wrangler JL»
Autoblog/Verizon Media, «Mazda представляет умную систему старт-стоп с непосредственным впрыском»

AlmazCAR