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Introduzione: L'importanza del problema attuale di avvio eccessivo
Come apparecchiature elettriche di base in settori come la produzione industriale e l'uso dell'elettricità residenziale, le prestazioni di avvio dei motori a CA influenzano direttamente la durata dell'apparecchiatura, la stabilità della rete elettrica e l'efficienza dell'utilizzo energetico. Nelle applicazioni pratiche, la corrente dei motori AC durante l'avvio è spesso molto superiore alla corrente nominale. Questo fenomeno può non solo causare surriscaldamento degli avvolgimenti del motore e invecchiamento dei materiali isolanti, ma anche portare a fluttuazioni della tensione della rete, che influiscono sul normale funzionamento di altre attrezzature nella stessa rete elettrica. Pertanto, chiarire le cause della corrente di avvio eccessiva nei motori a CA e adottare misure di soppressione mirate sono di grande importanza nella pratica ingegneristica.
I. Analisi delle cause della corrente di avvio eccessiva nei motori a CA
In primo luogo, partendo dal principio di induzione elettromagnetica e dalle caratteristiche strutturali dei motori, analizziamo le cause principali della corrente di avvio eccessiva. Per i motori AC asincroni, la velocità del rotore è 0 al momento dell'avvio. Dopo che l'alimentazione trifase AC è stata fornita agli avvolgimenti dello statore, la velocità di taglio relativa tra il campo magnetico rotante generato e i conduttori del rotore raggiunge il valore massimo. Secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, una forte forza elettromotrice indotta viene indotta nei conduttori del rotore, che a sua volta genera un'enorme corrente del rotore. Attraverso l'accoppiamento elettromagnetico, la corrente del rotore reagisce sugli avvolgimenti dello statore, portando ad un brusco aumento della corrente dello statore. Di solito, la corrente di avvio può raggiungere 5-8 volte la corrente nominale. Inoltre, il fattore di potenza dei motori AC durante l'avvio è estremamente basso, con una grande quantità di corrente utilizzata per stabilire il campo magnetico e la proporzione di corrente utilizzata per il lavoro efficace è piccola, il che esacerba ulteriormente il fenomeno di corrente eccessiva. Per i motori AC sincroni, sebbene non vi sia alcun problema di scivolamento come quello dei motori asincroni, è necessario superare l'inerzia del rotore per raggiungere la sincronizzazione durante l'avvio. Se avviato direttamente, la corrente aumenterà anche a causa di insufficiente coppia di avvio.
II. I pericoli della corrente di avvio eccessiva
I rischi causati da correnti di avvio eccessive non possono essere ignorati. Da un lato, una corrente eccessiva genererà una grande quantità di calore Joule negli avvolgimenti del motore. Se l'avvio è frequente o il tempo di avvio è troppo lungo, la temperatura degli avvolgimenti supererà la gamma consentita, accelerando l'invecchiamento dei materiali isolanti, accorciando la vita del motore e persino causando burnout dell'avvolgimento in casi gravi. D'altra parte, la grande corrente durante l'avvio del motore produrrà un grande calo di tensione sull'impedenza delle linee della rete elettrica, portando a un calo istantaneo della tensione della rete. Per apparecchiature sensibili alla tensione (come strumenti di precisione, torni CNC, apparecchiature di illuminazione, ecc.), questo può causare malfunzionamenti, degrado delle prestazioni o persino spegnimento. Allo stesso tempo, ridurrà anche la qualità dell'alimentazione della rete elettrica e influirà sul funzionamento stabile della rete elettrica.
III. Mezzi tecnici per sopprimere la corrente di avvio eccessiva
Per risolvere i problemi di cui sopra, diversi mezzi tecnici comuni sono utilizzati nell'ingegneria per sopprimere l'eccessiva corrente di avvio dei motori a CA:
(I) Metodo di avvio step-down
L'idea principale di questo metodo è quella di ridurre la forza elettromotrice indotta durante l'avvio abbassando la tensione di alimentazione degli avvolgimenti dello statore, riducendo così la corrente di avvio. I metodi di avvio step-down comuni includono l'avvio step-down star-delta (Y-Δ), l'avvio step-down dell'autotrasformatore, l'avvio step-down di resistenza/reattanza in serie, ecc. L'avvio a passaggio a delta stellare è adatto per motori asincroni che adottano connessione delta durante il normale funzionamento. Durante l'avvio, gli avvolgimenti dello statore sono collegati a forma di stella, riducendo la tensione di ogni avvolgimento di fase a 1/√3 della tensione nominale, e la corrente di avvio viene quindi ridotta a 1/3 di quella dell'avvio diretto. Ha una struttura semplice e a basso costo, ed è ampiamente utilizzato in motori asincroni di piccole e medie dimensioni. L'avvio step-down dell'autotrasformatore regola la tensione di uscita attraverso i rubinetti dell'autotrasformatore, consentendo di selezionare diversi rapporti di step-down in base ai requisiti di avvio, con una gamma di applicazioni più ampia, ma l'attrezzatura è di dimensioni grandi e relativamente elevata nel costo. L'avvio a fase inferiore di resistenza/reattanza in serie riduce la corrente dello statore collegando una resistenza o un reattore nel circuito dello statore per consumare parte della tensione. Tuttavia, l'avvio a resistenza produrrà una grande perdita di energia ed è utilizzato principalmente in occasioni con bassi requisiti di avvio.
(II) Metodo di avvio soft starter
Un soft starter è un nuovo tipo di apparecchiature di avvio basate sulla tecnologia elettronica di potenza. Regola senza problemi la tensione di alimentazione degli avvolgimenti dello statore attraverso dispositivi elettronici di potenza interni come tiristori, consentendo alla velocità del motore di aumentare gradualmente da 0 alla velocità nominale per raggiungere un avvio fluido. L'avviatore morbido può controllare con precisione la corrente di avvio entro 1,5-2,5 volte la corrente nominale, evitando improvvisi aumenti e cadute di tensione. Allo stesso tempo, ha i vantaggi di coppia di avvio regolabile e funzioni di protezione complete (come protezione contro la sovracorrente, protezione contro il surriscaldamento, protezione contro la perdita di fase, ecc.). È adatto per occasioni con elevati requisiti per la fluidità di avvio, come pompe d'acqua, ventilatori, nastri trasportatori e altre attrezzature. Rispetto ai tradizionali metodi di avvio step-down, gli avviatori morbidi hanno una maggiore intelligenza e possono realizzare il controllo automatico, ma il costo è relativamente alto.
(III) Metodo di avvio a frequenza variabile
L'avvio a frequenza variabile utilizza un inverter per convertire la potenza CA di frequenza industriale in potenza CA con frequenza e tensione regolabili per fornire energia al motore. Durante l'avvio, l'inverter emette frequenza e tensione estremamente basse, consentendo al rotore del motore di accelerare lentamente. Con l'aumento della velocità, la frequenza di uscita e la tensione aumentano gradualmente fino a raggiungere il valore nominale. Durante il processo di avvio a frequenza variabile, la corrente di avvio del motore è sempre controllata in un raggio ridotto, che difficilmente influisce sulla rete elettrica e sul motore. Allo stesso tempo, può raggiungere un funzionamento a risparmio energetico, rendendolo il metodo di avvio più avanzato e ideale attualmente. Tuttavia, l'inverter ha un alto costo e richiede la messa in servizio e la manutenzione professionali. È adatto per grandi motori AC, attrezzature di precisione e occasioni con elevati requisiti per il risparmio energetico e le prestazioni di avvio, come grandi compressori, ascensori, macchine utensili CNC, ecc.
IV. Riassunto e prospettive
In sintesi, l'essenza della corrente di avvio eccessiva nei motori a CA è l'effetto di sovrapposizione delle condizioni di induzione elettromagnetica e delle caratteristiche di funzionamento del motore al momento dell'avvio. Nelle applicazioni pratiche, è necessario selezionare ragionevolmente mezzi tecnici come l'avvio graduale, l'avvio soft starter o l'avvio a frequenza variabile in base a fattori come la potenza del motore, l'ambiente operativo, la frequenza di avvio e le condizioni della rete elettrica per raggiungere gli obiettivi di soppressione della corrente di avvio, protezione delle attrezzature del motore e stabilizzazione del funzionamento della rete elettrica. Con il continuo sviluppo della tecnologia elettronica di potenza e della tecnologia di controllo automatico, la tecnologia di controllo di avvio dei motori a CA si evolverà verso una direzione più efficiente, a risparmio energetico e intelligente, fornendo un supporto energetico più affidabile per la produzione industriale e i mezzi di sussistenza sociali.
