Кратность пускового тока

Кратность пускового тока — это отношение пускового тока электродвигателя (или другого электротехнического устройства, потребляющего значительный ток при запуске) к его номинальному току в установившемся режиме работы. Данный параметр является безразмерной величиной, характеризующей пусковые характеристики оборудования и определяющей требования к питающей сети, защитной аппаратуре и коммутационным устройствам.

Физическая сущность и причины возникновения

Пусковой ток возникает в момент подачи напряжения на обмотки электродвигателя, когда ротор неподвижен. В этот момент противо-ЭДС (электродвижущая сила), возникающая в обмотках вращающегося ротора, отсутствует, и обмотки статора представляют собой практически чисто индуктивную нагрузку с малым активным сопротивлением. Согласно закону Ома для цепи переменного тока, ток в цепи определяется отношением напряжения к полному сопротивлению. Поскольку в начальный момент времени полное сопротивление обмоток минимально (равно сопротивлению обмоток постоянному току плюс индуктивное сопротивление рассеяния), ток достигает максимального значения.

Для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором кратность пускового тока обычно составляет от 5 до 7 единиц. Это означает, что при запуске двигатель потребляет ток в 5–7 раз превышающий номинальный. Для двигателей с фазным ротором, где пуск осуществляется через реостат, кратность может быть ниже — от 2 до 3 единиц. У синхронных двигателей кратность пускового тока, как правило, не превышает 4–5 единиц.

Влияние на электрическую сеть и оборудование

Высокая кратность пускового тока оказывает значительное влияние на работу электрической сети и подключенного оборудования:

• Падение напряжения в сети. При запуске мощного электродвигателя в слабой сети (например, в сельской местности или на удаленных промышленных объектах) пусковой ток может вызвать кратковременное, но существенное снижение напряжения. Это может привести к сбоям в работе другого оборудования, подключенного к той же линии, — например, к мерцанию ламп освещения, остановке или некорректной работе чувствительной электроники.
• Нагрузка на защитную аппаратуру. Автоматические выключатели и предохранители должны быть выбраны таким образом, чтобы не срабатывать при пусковом токе, но при этом обеспечивать защиту от токов короткого замыкания. Для этого используются автоматические выключатели с характеристиками срабатывания, допускающими кратковременные перегрузки (например, характеристика D для двигателей).
• Термическое воздействие на обмотки. Хотя пусковой ток длится недолго (обычно от 0,5 до 3 секунд), его протекание вызывает интенсивный нагрев обмоток статора. При частых пусках или затяжном пуске (из-за большой нагрузки на валу) это может привести к перегреву и выходу из строя изоляции.
• Механические нагрузки. Резкий скачок тока создает значительные электродинамические усилия в обмотках статора, а также ударные механические нагрузки на вал, муфту и приводимый механизм. Это ускоряет износ подшипников и механических передач.

Методы снижения пускового тока

Для уменьшения негативного влияния высоких пусковых токов применяются различные способы пуска электродвигателей:

Прямой пуск

Наиболее простой и дешевый способ — подключение двигателя непосредственно к сети. Применяется для двигателей малой и средней мощности (до 10–15 кВт) в сетях с достаточной мощностью трансформатора. Кратность пускового тока при этом максимальна.

Пуск с понижением напряжения

Данная группа методов основана на временном снижении напряжения, подаваемого на обмотки статора, что пропорционально уменьшает пусковой ток. Однако при этом пропорционально квадрату напряжения снижается и пусковой момент, что ограничивает применение для механизмов с тяжелым пуском.

• Переключение «звезда-треугольник». Применяется для двигателей, обмотки которых в нормальном режиме соединены треугольником. В момент пуска обмотки соединяются звездой, что снижает напряжение на каждой фазе в √3 раз (до 57% от номинального). Пусковой ток при этом уменьшается в 3 раза, но и пусковой момент падает в 3 раза. После разгона двигателя обмотки переключаются в треугольник.
• Реакторный (дроссельный) пуск. В цепь статора последовательно включается токоограничивающий реактор (дроссель). После разгона двигателя реактор шунтируется контактором. Недостаток — значительные потери энергии в реакторе и снижение пускового момента.
• Автотрансформаторный пуск. Питание на двигатель подается через понижающий автотрансформатор. Пуск происходит при пониженном напряжении, затем автотрансформатор отключается, и двигатель подключается к полному напряжению сети. Обеспечивает наилучшее соотношение между снижением тока и сохранением пускового момента, но требует дорогостоящего оборудования.

Пуск с использованием устройств плавного пуска (УПП)

Современные полупроводниковые устройства — софтстартеры — позволяют плавно наращивать напряжение на обмотках двигателя от нуля до номинального в течение заданного времени (обычно от 1 до 30 секунд). Это обеспечивает снижение пускового тока до 2–3 кратного значения, уменьшение механических ударов и возможность регулировки параметров пуска под конкретный механизм.

Частотный пуск

Наиболее эффективный, но и самый дорогой способ. Использование преобразователя частоты (частотного привода) позволяет регулировать не только напряжение, но и частоту питающего тока. При пуске частота плавно увеличивается от нуля до номинальной, что обеспечивает пусковой ток, не превышающий номинальный (кратность 1–1,5), и высокий пусковой момент. Этот метод также позволяет регулировать скорость вращения двигателя в широком диапазоне.

Нормативные значения и расчет

В Российской Федерации значения кратности пускового тока для различных типов электродвигателей регламентируются государственными стандартами (ГОСТами). Например, для общепромышленных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором по ГОСТ 28330-89 (и его актуализированным версиям) нормируется отношение пускового тока к номинальному. Для двигателей мощностью до 100 кВт оно обычно составляет 6–7, для более мощных — 5–6.

Расчет кратности пускового тока производится по формуле:

\[ K_{пуск} = \frac{I_{пуск}}{I_{ном}} \]

где:

• \(I_{пуск}\) — пусковой ток двигателя (ампер);
• \(I_{ном}\) — номинальный ток двигателя (ампер).

Значения пускового тока и номинального тока указываются в паспортных данных двигателя или в его каталоге. При отсутствии паспортных данных пусковой ток может быть рассчитан по известным параметрам обмоток или определен экспериментально с помощью токоизмерительных клещей.

Применение в различных отраслях

Учет и управление кратностью пускового тока критически важны в различных отраслях промышленности и энергетики:

• Промышленность. На заводах и фабриках, где установлены десятки и сотни электродвигателей, одновременный пуск нескольких мощных агрегатов может привести к просадке напряжения во всей сети. Поэтому применяются автоматизированные системы управления пуском, исключающие одновременный запуск.
• Нефтегазовая отрасль. Насосы и компрессоры, особенно центробежные, требуют тяжелого пуска. Для них часто используются УПП или частотные приводы.
• Жилищно-коммунальное хозяйство. В системах водоснабжения и канализации (насосные станции) для снижения пусковых токов и гидравлических ударов применяются частотные преобразователи.
• Сельское хозяйство. В сельских электрических сетях, имеющих ограниченную мощность, пуск мощных двигателей (например, зерносушилок или кормодробилок) может вызывать значительные колебания напряжения, что требует использования устройств плавного пуска.

Источники

1. ГОСТ 28330-89 (ИСО 375-77) «Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные мощностью от 0,12 до 400 кВт. Номинальные данные, установочные и присоединительные размеры».
2. Копылов И.П. «Электрические машины». — М.: Высшая школа, 2006.
3. Кацман М.М. «Электрические машины». — М.: Академия, 2013.
4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 7-е издание. — М.: Энергоатомиздат, 2003.
5. Справочник по проектированию электрических сетей / Под ред. Д.Л. Файбисовича. — М.: ЭНАС, 2012.