Ćw9. Wybieg i samorozruch silnika skompensowanego
1.Wybieg silnika asynchronicznego indywidualnie skompensowanego
Wybieg silnika występuje po jego wyłączeniu od napięcia zasilającego. Bezwładność mas wirujących, związanych z wirnikiem silnika, jest źródłem momentu obrotowego. W przypadku, gdy silnik jest skompensowany i do jego zacisków podłączony jest kondensator, o odpowiednio dużej pojemności, silnik w trakcie wybiegu staje się samowzbudną prądnicą asynchroniczną. Źródłem napędu jest wtedy moment obrotowy wirujących mas, a źródłem prądu magnesującego przyłączony do zacisków kondensator. Jeżeli wirnik byłby napędzany stale, to taka prądnica mogłaby oddawać energię elektryczną do sieci. Punkt pracy prądnicy asynchronicznej wyznaczony jest przez przecięcie charakterystyki magnesowania maszyny i charakterystyki kondensatora.
W przypadku, gdy silnik wraz z kondensatorem jest przyłączony do sieci, na jego zaciskach występuje napięcie równe napięciu sieci zasilającej, czyli w warunkach znamionowych Un. W zależności od wartości pojemności przyłączonego kondensatora natężenie prądu pojemnościowego może być większe lub mniejsze od znamionowej wartości natężenia prądu magnesującego I . Po odłączeniu silnika od sieci, źródłem magnesowania jest kondensator. Napięcie jakie pojawi się na zaciskach silnika będzie zależało od wartości natężenia prądu dostarczanego z kondensatora..
Samowzbudzenie silnika przy różnych wartościach pojemności baterii kondensatorów do indywidualnej kompensacji mocy biernej
Rys9,1
Charakterystyki przedstawione na rys.odpowiadają stałej prędkości obrotowej silnika i stałej pulsacji indukowanego napiecia. Podczas wybiegu silnika jego prędkość obrotowa maleje i w związku z tym maleje pulsacja napięcia.
Przebieg charakterystyk przy samowzbudzeniu silnika asynchronicznego a)magnesowania silnika b)kondensatora
Rys9,2
Mniejszym wartościom częstotliwości odpowiadają mniejsze wartości napięcia. Jak z tego wynika, o wartości napięcia na zaciskach skompensowanego silnika, znajdującego się w trakcie wybiegu, decyduje zarówno wartość mocy biernej przyłączonego kondensatora jak również wartość jego prędkości obrotowej.
2.Samorozruch silników asynchronicznych
Samorozruchem silnika nazywa się jego ponowny rozruch w czasie, jego wybiegu. Samorozruch występuje podczas samoczynnego ponownego załączenia (SPZ) lub samoczynnego załączania rezerwy (SZR) silników, w chwili powtórnego pojawienia się napięcia. Samorozruch odbywa się bez specjalnych urządzeń rozruchowych i pod obciążeniem, podczas gdy przy wielu napędach obciążenie zwiększane jest stopniowo przy rozruchu silnika. Czas trwania przerwy beznapięciowej, przy działaniu SPZ i SZR jest zazwyczaj krótszy od czasu wybiegu, ale mimo to natężenie prądu samorozruchu jest większe od znamionowego.
Ponieważ samorozruchowi podlega zazwyczaj grupa silników, to w układzie zasilającym, na skutek wzrostu natężenia płynącego prądu, może wystąpić duży spadek napięcia. który uniemożliwi powtórne dokonanie rozruchu silnika, ze względu na zmniejszenie momentu napędowego. Stąd do samorozruchu dopuszcza się zazwyczaj nie wszystkie silniki lecz ich grupę, przy czym w trakcie projektowania układu zasilania należy sprawdzić, czy istnieją warunki napięciowe, które zapewnią udany samorozruch.
Schemat zastępczy grupy silników przedstawiono na rys..
Rys9,3
4. Warunki samorozruchu
Na podstawie schematu zastępczego można napisać
Us- napięcie na silnikach
Uz-napięcie żródła
Xw-reaktancja zastępcza sieci
Xt - reaktancja transformatorowa
Xs-reaktancja silników
W wyrażeniu tym wszystki reaktancje przeliczone są na ten sam poziom napięcia. Za napięcie źródła przyjmuje się napięcie o 5% wyższe od znamionowego silnika czyli:
Us- napięcie znamionowe silnika
Usmin-minimalne napięcie zapewniające samorozruch
Reaktancję wstępną systemu określa się wzorem
Reaktancja silnika zależy od jego danych znamionowych oraz poślizgu. w chwili rozpoczęcia samorozruchu. W celu jej wyznaczenia niezbędna jest znajomość charakterystyki prędkości obrotowej silnika n = f(t), w chwili poślizgu. Wyznaczenie takiej charakterystyki dla istniejącego urządzenia, nie przedstawia większych trudności, natomiast na etapie projektowania można posługiwać się uniwersalnymi charakterystykami wybiegu dla urządzeń o stałym momencie oporowym i o tzw. wentylatorowym momencie oporowym, zmieniającym się wraz z prędkością obrotową. Na rysunkach tych, zarówno prędkość jak i czas podano w jednostkach względnych. Prędkość obrotowa odniesiona jest do wartości znamionowej, natomiast czas wybiegu tw, odniesiony jest do elektromechanicznej stałej czasowej Tu, charakteryzującej bezwładność układu wirnika silnika i sprzęgniętych z nim urządzeń. Stała ta przedstawia czas od chwili wyłączenia silnika do chwili jego zatrzymania i wyraża się wzorem
Charakterystyka wybiegu urządzenia ze stałym momentem oporowym przy różnych wartościach względnych momentów oporowych mop
Rys9,4
Charakterystyka wybiegu urządzenia z wentylatorowym momentem oporowym przy różnych wartościach względnych momentów oporowych mop
Rys9,5
Reaktancje silnika dla dowolnego poślizgu można wyznaczyć ze wzoru
Poślizg utyku wyznacza się ze wzoru
Po określeniu reaktancji Xs dla wszystkich silników przeznaczonych do samorozruchu oblicza się wartość ich reaktancji zastępczej ze wzoru
Minimalne napięcie które zapewnia samorozruch wyznacza się w oparciu o charakterystykę mechaniczną silnika i warunku że moment silnika w chwili samorozruchu musi być większy od momentu obciążenia
Umin- minimalne napięcie które zapewnia samorozruch
Un-napięcie znamionowe silnika
Mop-moment oporowy silnika
s-poślizg silnika
sm - poślizg krytyczny
g-stała
Mm-moment maksymalny
4.Problemy występujące przy samorozruchu silników asynchronicznych indywidualnie skompensowanych
Pojawienie się napięcia na zaciskach silnika podczas jego wybiegu związane jest z niebezpieczeństwem porażenia obsługi oraz z niekorzystnymi zjawiskami zachodzącymi podczas procesów łączeniowych, przy zastosowaniu przełączników gwiazda - trójkąt oraz przy pracy urządzeń SZR i SPZ.
Wartość napięcia pojawiającego się na zaciskach silnika, znajdującego się w wybiegu, w zależności od pojemności przyłączonego kondensatora i zmian prędkości obrotowej, może utrzymywać się przez odpowiednio długi czas..
Włączenie silnika znajdującego się w wybiegu związane jest z przyłączeniem do napięcia będącego różnicą napięć pomiędzy jego zaciskami a zaciskami łącznika od strony zasilania. Przy dużych wartościach różnicy napięć powstają bardzo duże prądy rozruchowe silnika. Powodują one udary mechaniczne wpływające na trwałość łożysk i wału silnika, duże przyrosty temperatury i działanie dużych sił elektromechanicznych w uzwojeniach. Są to zjawiska szkodliwe dla silnika, powodujące uszkodzenia mechaniczne oraz elektryczne, poprzez osłabienie izolacji uzwojeń.
W celu niedopuszczenia do niebezpiecznych dla silników przetężeń które mogą dochodzić nawet do 18-krotnej wartości prądu znamionowego silnika, największa dopuszczalna różnica pomiędzy napięciem fazowym a generowanym na silniku nie powinna przekraczać 130% napięcia znamionowego - dla silników wysokiego napięcia i 150% dla silników niskiego napięcia. W związku z tym rozróżnia się urządzenia SZR powolnego i SZR szybkiego. W SZR powolnego czas przerwy powinien być na tyle długi, aby napięcie indukowane na silniku zmalało do takiej wartości, przy której wartość natężenia prądu rozruchowego jest dopuszczalna przy samorozruchu. W cyklu SZR szybkiego czas przerwy powinien być możliwie najkrótszy, rzędu 60ms.
5.Dobór baterii kondensatorów do indywidualnej kompensacji mocy biernej silników asynchronicznych.
Przy doborze kondensatora bądź baterii kondensatorów do kompensacji mocy biernej silników asynchronicznych można dobierać ich moc wg następujących kryteriów
1)niewystąpienia samowzbudzenia silnika
2)pojawienia się maksymalnego napięcia zamowzbudzenia nieprzekraczającego Un
3)niewystąpienie napięcia samowzbudzenia powyżej założonej krotności U/Un,
Spełnienie pierwszego kryterium następuje wtedy, gdy moc bierna baterii Qb jest mniejsza niż moc nierna magnesowania nienasyconego obwodu magnetycznego silnika. Moc ta wynosi około 0,8Qj 0 mocy bigu jałowego silnika.
Rys9,7
Na podstawie znajomości kąta α nachylenia stycznej do charakterystyki magnesowania silnika w punkcie 0 można napisać, że
Kryterium drugie polega na nieprzekroczeniu znamionowego napięcia silnika. Natężenie prądu jałowego silnika można wyznaczyć z jego danych katalogowych za pomocą wzoru
Moc baterii kondensatorów ma być równa mocy niegu jałowego silnika
cosφ w tym przypadku wynosi 0,95, przy obciążeniu znamionowym.
Dobór baterii wg trzeciego kryterium polega na linearyzacji odcinka krzywej magnesowania przy założeniu że napięciu Un odpowiada natężenie prądu Io oraz moc bierna Qj.
Rys9,8
Moc baterii jest równa
gdzie U jest żadanym napięciem samowzbudzenia.