Что такое пусковой ток двигателя?

Введение

Автор популярного блога SamElectric.ru, практикующий электрик и электротехник Александр Ярошенко в этот раз расскажет читателям о пусковом токе, методах его определения, способах снижения и вообще обо всём, что связано с безопасным и правильным запуском электродвигателя.

Решил разобраться в теме, про которую написано предостаточно, но суть неясна. Вопрос касается пуска электродвигателей при котором возникает так называемый пусковой ток.

Итак, сразу к делу.

Корень проблемы кроется в том, что для запуска электродвигателя (при подаче питания) требуется гораздо большее усилие, чем для продолжения. Эта физика работает со всеми предметами в мире — ведь начать движение всегда труднее, чем продолжить его.

В статье речь пойдёт об асинхронном электродвигателе с короткозамкнутым ротором, который применяется в промышленном оборудовании в 95% случаев. Питание — трехфазное. Как обычно, по тексту буду отсылать к своим статьям, а в конце можно будет скачать много чего интересного по теме.

Пусковой ток и его кратность

Чтобы тронуть с места (пустить) двигатель, нужен громадный пусковой ток (Iп). Громадный — по сравнению с номинальным (рабочим) током Iн на установившейся скорости. В статьях обычно указывают, что пусковой ток превышает рабочий в 5-8 раз. Это число называется «Кратность пускового тока» и обозначается как коэффициент Кп=Iп/Iн.

Пусковой ток — это ток, который потребляет электродвигатель во время пуска. Узнать пусковой ток можно, зная номинальный ток и коэффициент Кп:

Iп=Кп*Iн

Номинальный ток всегда указан на шильдике двигателя:

Кп — рабочий параметр, который указан в характеристиках двигателя, но на корпусе двигателя он никогда не указывается.

Замечу, что не надо путать номинальный и рабочий токи. Номинальный ток — это ток, на котором двигатель может работать продолжительное время, он ограничен только нагревом обмотки статора. Рабочий ток — это реальный ток в данном агрегате, он всегда меньше либо равен номинальному. На практике рабочий ток измеряется токоизмерительными клещами, амперметром или трансформатором тока.

Кратность пускового тока. На шильдике его обычно нет, а в документации и на сайтах производителей он присутствует:

Пример из первой строчки на картинке: конкретный двигатель мощностью 1,5 кВт имеет номинальный ток 3,4 А. Значит, пусковой ток в какой-то момент (сколько длится этот «момент» — рассмотрим ниже) может достигать значения 3,4×6,5=22,1 А!

Судя по каталогам (их можно будет скачать в конце статьи, как обычно у меня), пусковой ток превышает номинальный в пределах от 3,5 до 8,5 раз.

Кратность пускового тока зависит прежде всего от мощности двигателя и от количества пар полюсов. Чем меньше мощность, тем меньше пусковой ток. А чем меньше пар полюсов (больше номинальные обороты) — тем больше пусковой ток.

То есть, самым большим током при пуске (7 — 8,5 от номинала) обладают высокооборотистые двигатели (3000 об/мин, 2 пары полюсов) сравнительно большой мощности (более 10 кВт).

Так происходит потому, что потребляемый ток и момент инерции при пуске зависит от конструкции двигателя и способа намотки. Мало полюсов — низкое сопротивление обмоток. Низкое сопротивление — большой ток. Кроме того, высокооборотистым движкам для полной раскрутки требуется больше времени, а это опять же тяжелый пуск.

Если объяснить более научным языком, то дело происходит так. Когда двигатель стоит, его степень скольжения S=1. При раскручивании (или, как любят говорить спецы, разворачивании) S стремится к нулю, но никогда его не достигает — на то двигатель и называют асинхронным, ведь вращение ротора никогда не догонит вращение поля статора из-за потерь. Одновременно сердечник ротора насыщается магнитным полем, увеличивается ЭДС самоиндукции и индукционное сопротивление. А значит, уменьшается ток.

На самом деле не так всё просто, начинаем копать глубже.

Как узнать пусковой ток

Кратность пускового тока (отношение пускового тока к номинальному) найти в документации на двигатель бывает не так-то просто. Но его можно измерить (оценить, узнать) самому. Вот навскидку несколько способов:

• Первый способ (лучший) — использовать осциллограф. Взять шунт (например, резистор 0,1...0,5 Ом, чем меньше по сравнению с обмотками, тем лучше) и посмотреть на нём осциллограмму в момент пуска. Далее из максимального амплитудного значения определяем действующее напряжение (поделить на корень из 2), далее по закону Ома считаем пусковой ток. Можно ничего не умножать и не делить — просто измерить клещами ток в рабочем режиме, и умножить его на разницу токов на экране осциллографа. Способ хорош тем, что видно переходные процессы, вызванные ЭДС самоиндукции, мгновенные значения тока, длительность разгона. Кроме того, учитываются параметры питающей сети. Ещё плюс — пусковой ток измеряется реальный, на реальном двигателе и механизме.
• Второй способ измерения пускового тока — подать на двигатель пониженное (в 5-10 раз) напряжение рабочей частоты и измерить ток. Почему пониженное? Это необходимо для того, чтобы ротор можно было легко зафиксировать, не допуская перегрева. Измеренный ток пересчитать — получим пусковой. Достаточно измерить ток на одной фазе. По другим токи будут (обязаны быть) такими же. Этот способ используют при производстве и испытаниях двигателей. Именно этим способом производители получают табличные данные. Способ опирается на номинальный ток, в реальности (на реальном механизме) пусковой ток может быть другим.
• Измерить пусковой ток токоизмерительными клещами. Плюс этого способа — простота и оперативность. Клещи используют в большинстве случаев для проверки режимов работы двигателей. Минус — такие клещи достаточно инерционны, а нам нужно увидеть, что происходит за доли секунды. Но этот минус нивелируется, когда мы измеряем ток при пуске нагрузки с высоким моментом инерции (вентиляторы, насосы с массивными крыльчатками). Пуск длится более 10 сек, и на экране клещей всё видно.
• Трансформатор тока. Такой используется, например, в узлах учета электроэнергии — благодаря трансформатору тока нет необходимости измерять реальной ток, а можно измерить ток, уменьшенный в точно известное количество раз. Так же измеряют ток в электронных пусковых устройствах (преобразователях частоты, софтстартерах). Минус способа — трансформатор тока рассчитан на частоту 50/60 Гц, а переходные процессы во время пуска имеют широкий спектр и много гармоник. Поэтому можно сказать, что такой способ тоже обладает высокой инерционностью.

Конечно, реальность отличается от эксперимента. Прежде всего тем, что ток короткого замыкания реальной сети питания не бесконечен. То есть, провода, питающие двигатель, имеют сопротивление, на котором в момент пуска падает напряжение (иногда — до 50%). Из-за этого ограничения реальный пусковой ток будет меньше, а разгон — длительнее. Поэтому нужно понимать, что значение кратности пускового тока, указанное производителем, в реальности всегда будет меньше.

Какой вред от пускового тока

Пусковой ток — это проблема:

• перегрузка питающей сети, приводящая к нагреву (вплоть до отгорания контактов) и проседанию напряжения;
• чрезмерный износ, перегрузка и перегрев двигателя, у некоторых производителей среди параметров двигателя указывается максимальное количество пусков в час или в сутки — именно из-за перегрева;
• износ и перегрузка механического привода (подшипники, редукторы, ремни), особенно обладающего большим моментом инерции;
• помехи, вызванные включением контакторов, которые передаются не только по проводам, но и через электромагнитное поле;
• проблемы с технологией — многие процессы нельзя начинать резко.

От пускового тока перегружается всё, и момент пуска становится в тягость всем участникам процесса. Именно в этот критический момент может проявиться «слабое звено». Кроме того, многие участники электропитания, работающие в этой сети, испытывают проблемы — например, лампочки снижают яркость из-за снижения напряжения, а контроллеры могут зависнуть из-за мощной помехи.

И в то же время пусковой ток — это проблема, от которой никуда не деться, если сразу подавать на двигатель номинальное питание и не использовать специальные методы.

Как уменьшить пусковой ток асинхронного двигателя

Решить проблему большого пускового тока электрически можно тремя путями:

• Вначале подавать на двигатель пониженное напряжение, а затем, по мере разгона, напряжение и скорость вращения поднять до номинального значения. Такой способ применяется в электронных устройствах запуска двигателей — софтстартерах (УПП) и преобразователях частоты (частотниках).
• Использовать ограничители пускового тока, когда при пуске двигатель питается через мощные резисторы, а потом по таймеру переключается на номинал. Сопротивление резисторов соизмеримо с сопротивлением обмотки стартера (единицы Ом, в зависимости от мощности). Это устройство легко сделать самому (контактор+реле времени).
• Сразу подавать полное напряжение, но сначала подключать обмотки так хитро, чтобы двигатель не раскручивался на полную мощность. И только когда в этом режиме двигатель раскрутится насколько это возможно, включать его на полную. Эта схема называется «звезда—треугольник». О ней читайте в следующей статье.

Можно сконструировать какую-то муфту, коробку передач, вариатор — для того чтобы раскрутить двигатель вхолостую, а потом подключить потребителя механического момента.

В современном оборудовании двигатели мощнее 2,2 кВт практически никогда напрямую не включают, поэтому для них пусковые токи рояли не играют. Для уменьшения пускового тока (и не только) в основном применяют преобразователи частоты, о которых будут отдельные статьи.

Как снизить вред от пускового тока

Если изменить схему питания двигателя невозможно (например, сосед по даче каждые пол часа запускает токарный станок, а никакие «методы воздействия» не воздействуют), то можно применить различные методы минимизации вреда от пусковых токов. Например:

1. На важные потребители или на весь дом установить инверторный ИБП (UPS), который будет держать напряжение в норме при любом раскладе. Самый дорогой, но действенный способ.
2. Поставить стабилизатор напряжения. Но учтите, что не все стабилизаторы одинаково полезны. Иногда они могут не справляться, а иногда — даже усугублять ситуацию. Подробнее — по приведенной ссылке.
3. Если питание — однофазное, то можно попробовать переключиться с «плохой» фазы на «хорошую». Иногда этот способ так же эффективен, как использование телепорта вместо автобуса «Таганрог-Москва».

Но напоминаю, что мы тут занимаемся не устранением последствий, а предотвращением проблем, поэтому погнали дальше.

Время действия и величина пускового тока

Длительностью пускового тока будем считать время, в течение которого ток понижается от максимума (Iп) до номинала (Iн). Эта длительность фактически равна времени разгона от нуля до номинальной скорости вращения.

Весь вопрос в том, какова длительность этого тока — 10 миллисекунд (пол периода), когда двигатель на холостом ходу, или 10 секунд, когда на валу массивная крыльчатка. Теоретически рассчитать это время невозможно. Однако, поделюсь некоторыми соображениями.

Как я говорил выше, ток двигателя при пуске может превышать норму в несколько раз (Кп). И некоторые начинающие электрики, которые не читают мой блог, считают, что защитный автомат нужно выбирать так же — на повышенный ток. В статьях и даже инструкциях пишут: «При выборе автомата необходимо учитывать, что пусковой ток асинхронного электродвигателя в 5 — 7 раз превышает номинальный». Как это учитывать? Неужели ток автомата выбирать в 5-7 раз выше номинального тока двигателя?

Пример:

Написано — 56 А. Что это значит? Неужели то, что ток защитного автомата должен быть более 300 А? Конечно, нет. И выбор автомата в данном случае зависит не только от номинального тока двигателя (56 А), но и от времени действия пускового тока.

Кстати, давайте проведём расследование и узнаем пусковой ток этого двигателя. Ведь на сайт этого китайского производителя нам попасть не суждено. Исходные номинальные данные: мощность — 30 кВт, момент — 190,9 N/m, ток — 56 А. Смотрим по каталогам отечественных производителей, ищем подобный двигатель, ведь законы физики одинаковы и в России, и в Китае. Находим (каталог в конце статьи): это двигатель на 1500 оборотов, 4 полюса, с кратностью пускового тока Кп=7. В итоге получаем: Iп=Iн*Кп=56*7=392 А. Это теоретический пусковой ток, но это не ток уставки автомата!

Пусковой ток является максимально возможным током. Максимальным ток будет при пуске, то есть тогда, когда двигатель стоит. То есть, пусковой ток есть всегда и всегда его начальное значение имеет запредельную величину. В случае с нашим китайским движком — 392 А, если принять ток КЗ питающей сети равным бесконечности (источник напряжения с нулевым внутренним сопротивлением).

Тепловое действие пускового тока

Если перейти к формулам, пусковой ток оказывает тепловое действие на электродвигатель, которое описывается так называемым интегралом Джоуля. Если по простому, то тепловая энергия, производимая электрическим током, пропорциональна квадрату тока, умноженному на время. Обозначается эта величина через I2t.

Хорошая новость в том, что характеристика защитного автомата имеет примерно такую же тепловую (время-токовую) характеристику, что и время-токовая характеристика разгона двигателя.

Сравните:

Что видим? Для защиты двигателя используются в основном автоматы с характеристикой D, как раз для того, чтобы меньше реагировать на кратковременные перегрузки. Подробнее здесь.

А для пускового тока двигателя график будет примерно такой:

Линейность графика — условная. Всё зависит от изменения момента нагрузки в процессе разгона. Теоретический график показан пунктиром. На этом графике Кп=Iп/Iн=6, но это теоретическое (табличное) значение. Время разгона до номинала равно tп.

Реальный график начерчен сплошной линией. На нём Iп` — это реальное значение пускового тока, которое всегда меньше теоретического. Это обусловлено тем, что питающая сеть имеет не нулевое сопротивление, и при повышении тока на проводах возникают потери напряжения.

Про потери на низком напряжении я писал тут, про потери в сетях 0,4 кВ — здесь.

Понятно, что из-за потерь время разгона будет больше, оно обозначено на графике через tп`. Теперь повернём последний график, чтобы привести оси к одной системе координат:

Не правда ли, весьма похоже на время-токовую характеристику защитного мотор-автомата?

Получается, что обе характеристики компенсируют друг друга и при выборе автомата достаточно настроить его уставку на номинальный ток двигателя. При особо тяжелых пусках, когда площадь под кривой пуска двигателя больше площади под кривой защитного автомата, стоит подумать о плавном пуске — УПП либо ПЧ.

Реальные измерения тока

Как я говорил выше, по моему мнению лучший способ «увидеть» пусковой ток — использовать активный (резистивный) шунт, и смотреть на нём напряжение осциллографом.

Я использовать вот такой шунт:

Подопытный — мотор-редуктор, который через цепную передачу крутит вертикальный шнек:

Шнек на момент пуска был полным, поэтому его рабочий ток (7,7 А, измерено клещами) был почти равен номинальному (8,9 А, видно на шильдике).

Ситуация по пусковому току видна на осциллографе:

Приблизим интересующий момент, ускорив развертку до 100 мс/дел:

Тут уже легко увидеть синус питающего тока и оценить коэффициент кратности пускового тока Кп, который примерно равен 4. Ещё приблизим момент истины (до 50 мс/дел):

Тут уже видны хорошо и переходные процессы, обусловленные индуктивностью и ЭДС самоиндукции обмоток двигателя. Этот импульс, длительность которого гораздо меньше периода сети 20 мс, даёт хорошую помеху с широким спектром в питающую сеть и радиоэфир.

Ещё один повод для использования ПЧ? Не совсем, там с помехами ситуация гораздо хуже!

Надеюсь, читатели простят мне вольное объяснение процессов — я постарался всё объяснить «на пальцах». Кому нужны академические знания, прошу на Google Drive.

Источник: Александр/СамЭлектрик.ру