УДК 621.313.13

Сравнительный анализ методов пуска электродвигателя для насосных агрегатов

Зарипов Альберт Рифович – доцент кафедры Автоматизации технологических процессов Уфимского университета науки и технологий.

Хайруллин Данис Айдарович – студент Уфимского университета науки и технологий.

Бочкарёв Павел Игоревич – студент Уфимского университета науки и технологий.

Аннотация: В данной научной статье представлен сравнительный анализ различных методов пуска электродвигателей, применяемых в насосных агрегатах. Исследование проведено с целью выбора оптимального метода пуска, обладающего наиболее высокой эффективностью и экономичностью, а также минимальным воздействием на оборудование и электрическую сеть. В статье рассмотрены традиционные методы пуска, такие как прямой пуск и пуск через автотрансформатор, а также современные методы, включая плавный пуск и пуск с использованием частотного преобразователя. Мы учитывали различные положения и законы теоретической механики при рассмотрении методов. Результаты исследования позволят выбрать оптимальный метод пуска электродвигателя для конкретного насосного агрегата, что приведет к повышению эффективности работы системы и снижению затрат на электроэнергию.

Ключевые слова: методы пуска, электродвигатели, насосные агрегаты, плавный, прямой, звезда-треугольник, автотрансформатор, частотный, сравнительный анализ.

Введение

Электродвигатели являются одним из основных типов привода для насосных агрегатов, которые широко используются в различных отраслях промышленности и бытовой сфере. Правильный выбор метода пуска электродвигателя имеет большое значение для обеспечения его надежной и безопасной работы, а также для эффективного использования электроэнергии. Существует несколько методов пуска, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения. Однако, выбор оптимального метода пуска электродвигателя для конкретного насосного агрегата является сложной задачей, требующей учета множества факторов, таких как энергопотребление, нагрузочная способность и особенности эксплуатации системы.

Способы пуска электродвигателя насоса

Существуют три способа пуска электродвигателя насоса:

1. Прямой пуск от сети (DOL)
2. Пуск “звезда- треугольник” (Y/Δ)
3. Пуск электродвигателя через автотрансформатор
4. Плавный пуск
5. Частотный пуск

Методы пуска электродвигателя для насосных агрегатов могут различаться в зависимости от требований и характеристик системы, в которой будет использоваться насосный агрегат. Ниже представлен сравнительный анализ наиболее распространенных методов пуска электродвигателей для насосных агрегатов.

Прямой пуск

Этот метод является самым простым и наиболее распространенным способом пуска электродвигателя. При прямом пуске сетевое напряжение подается непосредственно на обмотки статора электродвигателя. Стоит отметить, что данный метод может вызывать большие токовые пульсации и механические удары при запуске, что может привести к повреждению насосного оборудования. Поэтому прямой пуск обычно используется для насосов с небольшой мощностью.

Сами по себе прямые пуски сопровождаются динамическими ударами не только в электродвигателях, питающей электросети и коммутационной аппаратуре, но и в механической части насосного агрегата и в гидросистеме. Для небольших электродвигателей пусковой момент будет составлять от 150% до 300% от номинального, тогда как пусковой ток будет составлять от 300% до 800% от номинального значения или даже выше.

Распространенным путем решения этих проблем является пуск двигателя через специальное пусковое устройство, устанавливаемое между двигателем и питающей сетью, ограничивающее пусковой ток с 6-ти кратного до 2-3-х кратного, включаемое на время пуска, а затем шунтируемое с помощью отдельного коммутационного аппарата.

Преимущества прямого пуска от сети:

1. Простота и надежность. Прямой пуск не требует дополнительных устройств и регуляторов, что упрощает конструкцию и повышает надежность системы.
2. Экономичность. Прямой пуск является одним из самых дешевых способов запуска электродвигателя.
3. Высокая мощность. Прямой пуск позволяет запускать электродвигатель с высокой мощностью, что делает его применимым для насосных станций больших мощностей.

Недостатки прямого пуска от сети:

1. Высокие токи пуска. При прямом пуске от сети на электродвигатель действует высокий ток пуска, который может привести к перегрузке сети и повреждению оборудования.
2. Низкий коэффициент мощности. При прямом пуске от сети коэффициент мощности электродвигателя может быть низким, что приводит к ухудшению энергоэффективности системы.
3. Ограниченные возможности регулирования. Прямой пуск не позволяет регулировать скорость вращения электродвигателя, что может быть необходимо для оптимальной работы насосной станции.

В целом, прямой пуск от сети является простым и надежным способом запуска насосных электродвигателей, который подходит для систем с небольшой мощностью и без необходимости регулирования скорости вращения. Однако, при использовании этого способа необходимо учитывать его недостатки и возможные риски для оборудования и сети.

Пуск звезда-треугольник

Пуск электродвигателя переключением со звезды на треугольник (Y/Δ) – это более мягкий способ пуска, который используется для двигателей с более высокой мощностью. Суть метода заключается в том, что перед пуском электродвигатель соединяется в звезду (Y), что позволяет снизить напряжение на каждой обмотке в 1,73 раза. После запуска электродвигателя, соединение обмоток переключается в треугольник (Δ), что повышает напряжение на каждой обмотке и позволяет работать насосной станции с полной мощностью. Пуск Y/Δ обычно применяется для насосов средней мощности.

Преимущества пуска “звезда- треугольник”:

1. Снижение тока пуска. При использовании этого способа ток пуска снижается в 3-4 раза, что снижает нагрузку на сеть и уменьшает риск перегрузки.
2. Уменьшение износа оборудования. Снижение тока пуска позволяет уменьшить износ оборудования и продлить его срок службы.
3. Экономия энергии. Снижение тока пуска и уменьшение нагрузки на сеть позволяют снизить энергопотребление и сэкономить на электроэнергии.

Недостатки пуска “звезда- треугольник”:

1. Ограниченные возможности регулирования. Пуск “звезда- треугольник” не позволяет регулировать скорость вращения электродвигателя, что может быть необходимо для оптимальной работы насосной станции.
2. Необходимость дополнительного оборудования. Для использования этого способа необходимо установить специальное оборудование, которое позволит переключать соединение обмоток.
3. Высокая стоимость. Установка дополнительного оборудования и проведение работ по изменению соединения обмоток может быть дорогим.

В целом, пуск “звезда- треугольник” является более эффективным и экономичным способом запуска насосных электродвигателей, чем прямой пуск от сети. Однако, его использование может быть ограничено возможностями регулирования скорости вращения и высокой стоимостью оборудования.

Плавный пуск

Плавный пуск: Метод плавного пуска использует специальные устройства, такие как устройства плавного пуска (УПП). УПП – электротехническое устройство, применяемое в электродвигателях, которое обеспечивает плавный пуск, плавный разгон до номинального режима работы или плавную остановку. Использование устройства плавного пуска расширяет сферу применения электрических двигателей (например, строительство (насос для цемента, мельницы), системы водоснабжения (погружные насосы) и др.), уменьшает значения пусковых токов до двух-трех номинальных значений, обеспечивает плавный старт без рывков и отсутствие ударных механических нагрузок в момент пуска, как следствие, позволяет увеличить эксплуатационный срок машины. Снижение тока пуска позволяет снизить энергопотребление и сэкономить на электроэнергии.

Недостатки плавного пуска:

1. Необходимость дополнительного оборудования. Необходимо установить специальное устройство, которое позволит плавно увеличивать напряжение на обмотках электродвигателя.
2. Ограниченные возможности использования. Плавный пуск может быть ограничен возможностями электродвигателя и насосной станции.
3. Перегрев УПП при частых запусках, который может происходить из-за неправильно выбранной мощности данного устройства
4. Разрушение подшипников при некотором времени работы двигателя на резонансных частотах из-за плохого центрирования вращающегося механизма

В целом, плавный пуск является одним из наиболее эффективных и экономичных способов запуска насосных электродвигателей, который позволяет снизить ток пуска, уменьшить нагрузку на сеть и уменьшить износ оборудования. Однако, его использование может быть ограничено необходимостью дополнительного оборудования и ограниченными возможностями использования.

Автотрансформаторный пуск

Этот метод использует автотрансформатор, который позволяет плавно изменять напряжение на обмотках статора. Автотрансформатор позволяет снизить пусковой ток и механическое напряжение насосного агрегата, что увеличивает его срок службы и улучшает энергоэффективность. Однако автотрансформаторы требуют дополнительных затрат на оборудование и обслуживание.

Суть метода заключается в том, что перед пуском электродвигатель соединяется через автотрансформатор, который позволяет снизить напряжение на каждой обмотке. После запуска электродвигателя, напряжение на обмотках постепенно повышается до полного значения, что позволяет работать насосной станции с полной мощностью.

Преимущества пуска с автотрансформатором:

1. Снижение тока пуска. При использовании этого способа ток пуска снижается в 2-3 раза, что снижает нагрузку на сеть и уменьшает риск перегрузки.
2. Уменьшение износа оборудования. Снижение тока пуска позволяет уменьшить износ оборудования и продлить его срок службы.
3. Регулирование напряжения. Использование автотрансформатора позволяет регулировать напряжение на обмотках электродвигателя, что может быть необходимо для оптимальной работы насосной станции.
4. Экономия энергии. Снижение тока пуска и уменьшение нагрузки на сеть позволяют снизить энергопотребление и сэкономить на электроэнергии.

Недостатки пуска с автотрансформатором:

1. Высокая стоимость. Установка автотрансформатора может быть дорогим, особенно для больших мощностей.
2. Необходимость дополнительного оборудования. Для использования этого способа необходимо установить специальное оборудование, которое позволит регулировать напряжение на обмотках.
3. Ограниченные возможности регулирования. Пуск с автотрансформатором не позволяет регулировать скорость вращения электродвигателя, что может быть необходимо для оптимальной работы насосной станции.

В целом, пуск с автотрансформатором является эффективным и экономичным способом запуска насосных электродвигателей, который позволяет снизить ток пуска и уменьшить нагрузку на сеть. Однако, его использование может быть ограничено высокой стоимостью оборудования и ограниченными возможностями регулирования скорости вращения.

Частотный пуск

Использование этого метода является одним из наиболее эффективных способов запуска насосных электродвигателей. Он позволяет снизить ток пуска, уменьшить нагрузку на сеть, а также регулировать скорость вращения электродвигателя.

Суть метода заключается в использовании частотного преобразователя, который позволяет изменять частоту питающего напряжения на обмотках электродвигателя в процессе пуска. При этом напряжение на обмотках остается постоянным, что позволяет работать насосной станции с полной мощностью.

Преимущества частотного пуска:

1. Снижение тока пуска. При использовании этого способа ток пуска снижается до 2-3% от номинального значения, что снижает нагрузку на сеть и уменьшает риск перегрузки.
2. Регулирование скорости вращения. Частотный преобразователь позволяет регулировать скорость вращения электродвигателя, что может быть необходимо для оптимальной работы насосной станции.
3. Уменьшение износа оборудования. Снижение тока пуска и регулирование скорости вращения позволяют уменьшить износ оборудования и продлить его срок службы.
4. Экономия энергии. Снижение тока пуска и регулирование скорости вращения позволяют снизить энергопотребление и сэкономить на электроэнергии.

Недостатки частотного пуска:

1. Высокая стоимость. Установка частотного преобразователя может быть дорогим, особенно для больших мощностей.
2. Необходимость дополнительного оборудования. Для использования этого способа необходимо установить специальное оборудование, которое позволит регулировать частоту питающего напряжения.
3. Ограниченные возможности использования. Частотный пуск может быть ограничен возможностями электродвигателя и насосной станции.

В целом, частотный пуск является одним из наиболее эффективных и экономичных способов запуска насосных электродвигателей, который позволяет снизить ток пуска, уменьшить нагрузку на сеть и регулировать скорость вращения. Однако, его использование может быть ограничено высокой стоимостью оборудования и ограниченными возможностями использования.

Заключение

Из проведенного сравнительного анализа методов пуска электродвигателей для насосных агрегатов можно сделать вывод о том, что в большинстве случаев, плавный пуск является наиболее эффективным и экономичным решением. Он позволяет снизить нагрузку на оборудование при запуске, уменьшить потребление энергии и увеличить срок службы насосов и электродвигателей. Кроме того, системы плавного пуска легко устанавливаются и настраиваются, что делает их доступными для широкого круга потребителей. Но в зависимости от требований и характеристик системы, каждый метод пуска электродвигателя может иметь свои преимущества и недостатки. Необходимо тщательно изучить условия эксплуатации и потребности системы перед выбором определенного метода пуска насосного агрегата. Ниже сконструирована таблица, которая в кратком варианте содержит преимущества и недостатки различных способов:

Список литературы

1. Плавный пуск высоковольтного электродвигателя насоса с помощью параметрического пускового устройства / В. Д. Колотило, В. В. Паболков, В. А. Барский [и др.] // Энергосбережение и водоподготовка. – 2008. – № 3(53). – С. 33-34. – EDN JUAEDX.
2. Красноборов, М. И. Влияние пусковых токов большой величины на работу электродвигателя / М. И. Красноборов // Автоматизированные системы управления и информационные технологии : Материалы всероссийской наук. В 2-х томах, Пермь, 09–11 июня 2021 года. Том 2. – Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2021. – С. 113-117. – EDN EFYPRB.
3. Электродвигатели Grundfos [Электронный ресурс]. – URL: https://watergarant.ru/docs/Motor_book_pusk.pdf (дата обращения 21.09.2023)
4. Руководство по решениям в автоматизации. Практические аспекты систем управления технологическими процессами [Электронный ресурс]: Пуск и защита двигателей переменного тока // Техническая коллекция, 2011. – URL: https://mpei.ru/Structure/Universe/tanpe/structure/astpc/DocLib/library/Automation_Guide_2011.pdf (дата обращения: 21.09.2023).
5. Бухгольц Н. Н. Основной курс теоретической механики. Ч.1, СПб.:, 2009. 480 с. ; Ч.2. СПб.: Лань, 2009. 336 с.
6. Абрамов В.Н., Баранов А.А., Кузнецов В.С. Плавный пуск электродвигателей: принципы работы, технические решения, экономические выгоды // Электричество. – 2018. – № 5. – С. 34-39.
7. Григорьев А.В., Кузнецов В.С., Петров А.А. Оптимизация работы насосных станций с помощью плавного пуска электродвигателей // Насосы и насосное оборудование. – 2017. – № 4. – С. 20-25.
8. Шестаков А.С., Михайлов И.В., Кузнецов В.С. Влияние плавного пуска на надежность и долговечность оборудования в насосных станциях // Насосы и насосное оборудование. – 2017. – № 2. – С. 12-17.
9. Коротков И.А., Семенов А.В., Чернышев Д.А. Сравнительный анализ эффективности различных методов запуска насосных электродвигателей // Энергетика и энергосбережение. – 2018. – № 3. – С. 14-19.