Пусковой момент¶

Пусковой момент — это минимальное значение вращающего момента, которое способен развить двигатель на валу при трогании с места, то есть при нулевой частоте вращения ротора. Данный параметр является ключевой характеристикой любого двигателя, определяющей его способность преодолевать инерцию покоя и нагрузки в начальный момент запуска. В технической литературе и нормативных документах пусковой момент обозначается как \(M_{\text{пуск}}\) или \(M_{\text{start}}\) и измеряется в ньютон-метрах (Н·м) или килограмм-сила-метрах (кгс·м).

¶Физическая сущность и значение

Пусковой момент характеризует способность двигателя разгонять механизм из состояния покоя. При подаче напряжения на обмотки статора в роторе индуцируется электродвижущая сила, создающая электромагнитное поле. Взаимодействие полей статора и ротора порождает вращающий момент, который должен превысить момент сопротивления механизма, включающий трение покоя, инерцию масс и полезную нагрузку.

Если пусковой момент меньше момента сопротивления, двигатель не сможет начать вращение — он останется в заторможенном состоянии, что может привести к перегреву обмоток, выходу из строя пусковой аппаратуры или аварийной остановке системы. Поэтому для каждого типа двигателя и конкретного применения пусковой момент нормируется и проверяется при проектировании.

¶Пусковой момент в различных типах двигателей

¶Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором

Наиболее распространённый тип электродвигателей в промышленности и быту. Пусковой момент асинхронного двигателя зависит от конструкции ротора (форма пазов, материал обмотки), параметров статора и схемы пуска. Для двигателей общего назначения пусковой момент составляет 1,2–2,2 от номинального момента. У двигателей с повышенным пусковым моментом (например, серии 4А, АИР) этот показатель может достигать 2,5–3,0 номинального.

Факторы, влияющие на пусковой момент асинхронного двигателя:

• Активное сопротивление ротора — увеличение сопротивления повышает пусковой момент, но снижает КПД и номинальную скорость.
• Напряжение питания — пусковой момент пропорционален квадрату напряжения; при снижении напряжения на 10% момент падает на 19%.
• Схема соединения обмоток — при пуске «звезда-треугольник» пусковой момент снижается в три раза по сравнению с прямым пуском.
• Частота питающего напряжения — при пуске от частотного преобразователя момент можно регулировать в широких пределах.

¶Асинхронные двигатели с фазным ротором

В двигателях с фазным ротором пусковой момент регулируется введением добавочных резисторов в цепь ротора. При оптимальном сопротивлении пусковой момент может достигать 2,5–3,0 номинального, при этом пусковой ток снижается. Такие двигатели применяются в крановых установках, лебёдках, приводах шаровых мельниц, где требуется плавный пуск с большим моментом.

¶Синхронные двигатели

Синхронные двигатели не имеют собственного пускового момента — они не способны разогнаться из состояния покоя до синхронной скорости. Для запуска используются асинхронные пусковые обмотки (демпферные клетки) или внешние разгонные устройства. После разгона до подсинхронной скорости двигатель втягивается в синхронизм.

¶Двигатели постоянного тока

В двигателях постоянного тока пусковой момент максимален при нулевой частоте вращения, так как противо-ЭДС равна нулю, а ток якоря ограничен только сопротивлением обмоток. Для ограничения пускового тока и регулирования момента применяются пусковые реостаты или тиристорные преобразователи. Пусковой момент может достигать 5–10 номинального, что позволяет использовать такие двигатели в тяжёлых пусковых режимах (электровозы, прокатные станы).

¶Пусковой момент и момент сопротивления

Для успешного пуска механизма необходимо выполнение условия:

\[ M_{\text{пуск}} > M_{\text{сопр}} \]

где \(M_{\text{сопр}}\) — момент сопротивления на валу при трогании. Момент сопротивления может быть:

• Активным (подъём груза, сжатие пружины) — не зависит от скорости.
• Реактивным (трение, резание) — зависит от скорости, но при трогании максимален из-за трения покоя.
• Вентиляторным (вентиляторы, насосы) — растёт с квадратом скорости, но при трогании минимален.

В тяжёлых пусковых режимах (например, ленточные конвейеры, дробилки) требуется запас пускового момента не менее 1,5–2,0 от номинального.

¶Измерение и нормирование

Пусковой момент измеряется экспериментально на стендах с помощью датчиков крутящего момента или тормозных устройств. В паспортных данных двигателя указывается:

• Номинальный момент \(M_{\text{ном}}\);
• Кратность пускового момента \(k_{\text{пуск}} = M_{\text{пуск}} / M_{\text{ном}}\);
• Пусковой ток \(I_{\text{пуск}}\).

Для асинхронных двигателей серии 4А (Россия) кратность пускового момента составляет 1,2–2,0; для двигателей серии АИР — 1,6–2,5; для крановых двигателей МТК — 2,0–3,0.

¶Пусковой момент в системах автоматического управления

В современных электроприводах с частотным регулированием пусковой момент может быть задан программно. Частотные преобразователи позволяют реализовать так называемый «пуск с высоким моментом» (High Starting Torque), при котором на низких частотах (1–5 Гц) двигатель развивает момент до 150–200% номинального. Это особенно важно для насосов, конвейеров и лифтов, где требуется плавный разгон без рывков.

¶Пусковой момент в двигателях внутреннего сгорания

В автотракторной технике термин «пусковой момент» применяется к стартеру — электрическому двигателю, вращающему коленчатый вал ДВС при запуске. Пусковой момент стартера должен быть достаточным для преодоления момента сопротивления двигателя, который включает сжатие воздуха в цилиндрах, трение поршневой группы и вязкость масла. Для бензиновых двигателей пусковой момент стартера составляет 50–150 Н·м, для дизельных — 150–500 Н·м (в зависимости от рабочего объёма и степени сжатия).

¶Примеры расчёта

Пример 1. Асинхронный двигатель мощностью 15 кВт с номинальной частотой вращения 1460 об/мин. Номинальный момент: \[ M_{\text{ном}} = \frac{9550 \cdot P}{n} = \frac{9550 \cdot 15}{1460} \approx 98,1 \, \text{Н·м} \] При кратности пускового момента 2,0 пусковой момент составит 196,2 Н·м.

Пример 2. Для привода ленточного конвейера с моментом сопротивления при трогании 120 Н·м требуется двигатель с пусковым моментом не менее 180 Н·м (запас 1,5). Выбирается двигатель с номинальным моментом 90 Н·м и кратностью пускового момента 2,0 (пусковой момент 180 Н·м).

¶Интересные факты

• В СССР и России для тяжёлых условий пуска разработаны двигатели серии 4А с повышенным пусковым моментом (исполнение «П»), которые применялись в угольной и горнорудной промышленности.
• В асинхронных двигателях с двухклеточным ротором (ротор «беличья клетка» с глубокими пазами) пусковой момент достигает 2,5–3,0 номинального за счёт эффекта вытеснения тока.
• В авиационных стартёрах-генераторах пусковой момент может превышать номинальный в 10–15 раз, что обеспечивает запуск турбореактивных двигателей в условиях низких температур.

¶Литература

• Копылов И. П. «Электрические машины». — М.: Высшая школа, 2004.
• Вольдек А. И. «Электрические машины». — Л.: Энергия, 1978.
• ГОСТ 183-74 «Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия».
• Справочник по электрическим машинам / Под ред. И. П. Копылова. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
• Чиликин М. Г., Сандлер А. С. «Общий курс электропривода». — М.: Энергоиздат, 1981.