Пусковой момент асинхронного двигателя

Асинхронные электродвигатели – один из самых массовых видов электрических машин. Они просты по устройству, недороги, отличаются высокой надежностью и поэтому используются в вентиляторах, насосах, конвейерах, станках и другом промышленном оборудовании. Качество пуска такого мотора во многом определяет его ресурс и поведение всей установки. Ключевой параметр здесь – пусковой момент.

Что называют пусковым моментом

Пусковой момент асинхронного электродвигателя – это вращающий момент на валу, который создаётся в момент, когда на неподвижный статор подают ток.

В литературе можно встретить и другие названия: начальный момент, момент трогания, начальный пусковой момент. Во всех случаях речь идёт об одном и том же физическом показателе. Чтобы пусковой момент был нужного уровня, важно соблюдать правило правильного подключения: обмотки статора должны быть соединены в соответствии со схемой, а частота и уровень питающего тока максимально близки к номинальным значениям. Только тогда электромотор выйдет на расчётный режим работы.

Пусковой момент и его числовые показатели

Расчёт по кратности

Если обозначить номинальный момент как «Мн», а кратность как «Кпуск», то пусковой момент «Мпуск» рассчитывают просто:

В паспорте на электродвигатель обычно указывают кратность пускового момента к номинальному. Для промышленных машин этот показатель может лежать в пределах от 1,5 до 6.

При выборе электромотора важно сравнить полученный результат со статическим моментом проектной нагрузки. Пусковой момент обязан быть выше, иначе мотор не сможет уверенно стартовать под нагрузкой и не разовьёт требуемую скорость.

Расчёт через мощность и частоту вращения

В инженерных расчётах используют и зависимость, в которой пусковой момент выражают через номинальную мощность на валу и номинальную частоту вращения. Эти параметры обычно указаны на шильдике в кВт и об/мин.мощности на валу.
Сначала находят номинальный момент по мощности, затем умножают его на кратность пускового момента, заданную производителем. Такой подход удобен при сравнении разных моделей и подборе оборудования по каталогу.
В формуле P2 – номинальная мощность, а F1 – номинальные обороты. Формула выглядит следующим образом:

Для двигателей серии АИР можно получить такие значения пускового момента:

Эти простые расчёты наглядно показывают, как меняется пусковой момент при выборе другой модели и как важно учитывать этот показатель при проектировании привода.

Зачем учитывать пусковой момент

Поведение тока при прямом включении

Во многих системах запуск асинхронного электродвигателя выполняют простым подключением к сети через магнитный пускатель. На обмотки статора подаётся линейный ток, появляется вращающееся поле, и механизм начинает раскручиваться.

При таком старте неизбежен бросок пускового тока – он превосходит номинальный в 5–7 раз. Чем выше мощность и чем тяжелее нагрузка, тем дольше длится этот режим и тем выше риск перегрузки по току.

Для маломощных моторов до 3 кВт кратковременный стартовый бросок обычно безопасен: сеть выдерживает перегрузку, а нагрев обмоток не критичен.
В электроприборах, небольших станках и насосах обмотки статора подключают по схеме «звезда» (при питании от 380 В) или «треугольник» (при 220 В), и этого достаточно.

Если же речь идёт о приводе 10 кВт и более, прямой пуск может привести к серьёзной перегрузке сети и ускоренному старению изоляции. В таком случае режим старта необходимо ограничивать.

Способы ограничения пускового тока и управления пусковым моментом

Существует несколько практических способов, которые позволяют уменьшить ток и корректировать момент при пуске асинхронной машины.

Пуск на пониженном напряжении (звезда–треугольник)

Самый известный вариант – запуск на сниженной подаче и последующее переключение.

1. На старте обмотки соединяют «звездой» и подают на них линейный ток сети.
2. После разгона до определённой частоты вращения цепь переключают на «треугольник».

Таким образом снижается стартовый ток, но одновременно уменьшается и пусковой момент. Зависимость квадратичная: если понизить напряжение примерно в 1,7 раза, момент уменьшится почти втрое. Поэтому этот способ подходит только для механизмов, где нагрузка на валу во время старта невелика (например, многопильные станки с разгруженным шпинделем).

Главный минус – серьёзно урезанный импульс пуска из-за уменьшенного фазного тока.

Реостат в цепи ротора

Для тяжёлых приводов, таких как ленточные конвейеры, используют реостатный пуск.

• В цепь ротора двигателя с фазным ротором включают внешний реостат.
• За счёт дополнительного сопротивления уменьшают стартовый ток, при этом пусковой момент остаётся достаточно высоким.
• По мере разгона сопротивление ступенчато снижают до нуля.

Реостат позволяет не только контролировать старт, но и в некоторой степени регулировать рабочую скорость, что удобно для механизмов с инерционными нагрузками.

Пуск через автотрансформатор или реактор

Ещё один способ – включение мотора через автотрансформатор либо реактор. В обоих случаях в питающей цепи уменьшают уровень подаваемого тока, а значит, падает и момент трогания. Такие схемы применяют там, где нужно кратковременно ограничить пусковой ток без серьёзных требований к тяговым характеристикам.

Устройства плавного пуска и частотные преобразователи

Наиболее современный и эффективный метод – использование:

Преобразователь управляет напряжением и частотой автоматически, задавая для электродвигателя комфортный режим старта. Напряжение и частота возрастают по плавному закону, поэтому:

• ток не испытывает резких скачков;
• пусковой момент регулируется по заданной кривой;
• снижается риск механических ударов по валу и передаточной цепи привода;
• уменьшается вероятность повреждения муфт и редукторных элементов.

Плавный пуск особенно полезен в системах с частыми включениями, где любое лишнее усилие быстро вырабатывает ресурс механизма.

Связь пускового момента с нагрузкой и защитой электромотора

При выборе асинхронного электродвигателя важно соблюдать простое правило: пусковой момент должен быть достаточным для преодоления статического сопротивления на валу, но стартовый ток и перегрузка по сети не должны выходить за допустимые пределы.

Нужно учитывать:

• характер нагрузки (устойчивая, инерционная, ударная);
• частоту включений;
• наличие ограничивающих устройств – реостатов, преобразователей, реле перегрузки;
• паспортные показатели – номинальную мощность в кВт, допустимую кратность пускового тока и момента.

Правильно подобранный пусковой момент обеспечивает надёжный запуск, защищает статор и ротор от перегрева, снижает износ механических узлов и продлевает срок службы всего привода.