СГЛАЖИВАЮЩИЙ РЕАКТОР ДЛЯ УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
SMOOTHING REACTOR FOR SOFT STARTING DEVICE OF ELECTRIC MOTOR

Заявляемое решение относится к элементам электрооборудования, в частности к электрическим реакторам и трансформаторам и может быть использовано в устройствах плавного пуска электродвигателей мощных механизмов.
Существует серьезная проблема с запуском электродвигателей мощных механизмов (единичной мощностью от 1 до 12 МВт), таких как шаровые мельницы, дробилки, турбокомпрессоры, вентиляторы и дымососы с большими инерционными массами и др. При прямом пуске от сети в электродвигателях и в питающей сети возникают электромагнитные удары в 6…8 раз превышающие номинальные значения. В механизмах и трубопроводах также действуют 5…7 кратные динамические и гидравлические удары, приводящие к поломке механизмов. Поэтому эксплуатационники стараются не отключать такие механизмы, даже при работе на холостом ходу.
Устройства плавного пуска позволяют останавливать и запускать механизмы без негативных последствий для самих механизмов и питающей сети, что создает большую экономию электроэнергии и продлевает срок службы механизмов. Устройства плавного пуска серии УБПВД-С осуществляют плавный запуск механизмов с большой начальной нагрузкой (перечислены выше) с ограничением величины пускового тока на уровне 1,3-1,5 величины номинального тока электродвигателя Iном. Снижение пускового тока с величины 6-8 Iном при прямом пуске до 1,3-1,5 Iном при плавном пуске снижает разрушающее действие динамических сил в механизмах и электродвигателях в 25-30 раз.
Сглаживающий реактор является важной составной частью устройства плавного пуска и включается между выходами управляемого выпрямителя и входами инвертора, подключенного своими выходами к обмоткам электродвигателя.
Известен сглаживающий реактор стержневого типа РОЛС-10-800 УХЛ4 (http://svel.ru/ru/catalog/reactors), содержащий одно стержневую магнитную систему с цельным стержнем, выполненным из тонколистовой холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, с одной обмоткой, выполненной с литой изоляцией. Стягивающие и прессующие элементы выполнены из немагнитной стали. Реактор имеет низкие потери в стали и сохраняет индуктивное сопротивление при перегрузке 2-х кратным током. Литая изоляция обмотки позволяет выполнять такие реакторы на напряжения 0,4-20 кВ.
При использовании таких реакторов в составе устройства плавного пуска высоковольтных электродвигателей отмечаются следующие недостатки:
- большая трудоемкость изготовления и большой расход тонколистовой электротехнической стали, обусловленные наличием в реакторе очень большого немагнитного зазора и, как следствие, большого сечения стержня и числа витков в обмотке;
- большой расход меди и изоляционных материалов в обмотках: обмоточный провод имеет большое сечение, выбранное для режима длительной работы реактора. Т.к. обмотка имеет сплошную литую изоляцию и отсутствуют вентиляционные каналы в обмотке, способствующие охлаждению обмоточного провода, то сечение обмоточного провода должно быть увеличено по сравнению с обмоткой с вентиляционными каналами. Эти обстоятельства приводят к большим габаритам, массе и стоимости реактора.
При работе реактора в кратковременном режиме в составе пускового устройства сечение провода и масса реактора могут быть в несколько раз уменьшены;
Известен сглаживающий реактор стержневого типа СРОС-160/6 (http://www.elektrozavod.ru/production/9_3), содержащий 2-х стержневую магнитную систему, с двумя обмотками, с двумя ярмами и немагнитным зазором в середине стержней, который принят за аналог предлагаемого решения.
Реактор предназначен для применения в преобразователях с напряжением до 6 кВ. Номинальный ток обмоток 75А.
Магнитная система реактора выполнена из тонколистовой холоднокатаной электротехнической стали с электроизоляционным термостойким покрытием с рассредоточенным немагнитным зазором в виде набора изоляционных прокладок между вставками стержней и стыковой сборкой стержней с ярмами, с помощью вертикальных стяжек, установленных между прессовочными балками ярем. Стяжки и балки изготовлены из немагнитного материала, на стержнях установлены одинаковые катушки. Причем, обмотки катушек намотаны на изоляционный цилиндр через промежуточные рейки, создающие вентиляционные каналы. Цилиндры фиксируются на стержнях при помощи изоляционных распорных профилей.
В конструкции этого реактора за счет применения тонколистовой стали и немагнитных материалов для стяжек и прессующих балок уменьшены потери в реакторе и его нагрев, а за счет специальной технологии склейки вставок стержней снижены вибрации и шум в реакторе. Снижение немагнитного зазора позволило значительно уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость реактора.
Наличие у реактора двух одинаковых обмоток позволяет выполнить включение одной обмотки в плюсовую шину, второй обмотки в минусовую шину выпрямителя, заменив тем самым два реактора серии РОЛС. Такое включение индуктивностей на выходе выпрямителя устраняет появление токов нулевой последовательности. Также возможно как последовательное, так и параллельное включение обмоток и получение разных токов (75/150А) и индуктивностей реактора (80/20 мГн), что существенно сокращает номенклатуру необходимых реакторов. Недостатками аналога являются:
- большая трудоемкость изготовления и большой расход тонколистовой электротехнической стали, обусловленные наличием в реакторе двух ярем и тем, что стержни состоят из большого числа ферромагнитных вставок, изготовленных по трудоемкой технологии;
- большой расход меди и изоляционных материалов в обмотках, т.к. обмоточный провод имеет большое сечение, выбранное для режима длительной работы реактора. Это обуславливает большие габариты обмоток и большой расход стеклотекстолита на промежуточные рейки, создающие вентиляционные каналы в обмотках. При работе реактора в составе пускового устройства в кратковременном режиме сечение провода и размеры обмоток могут быть в несколько раз уменьшены;
- насыщение магнитной системы реактора и резкое снижение его индуктивности при работе в устройстве плавного пуска электродвигателя с токами выше номинального значения, что приводит к снижению устойчивости работы устройства плавного пуска. Это обусловлено слишком маленьким немагнитным зазором реактора.
Известен однофазный реактор стержневого типа, выполненный по патенту RU №2402829 С1 опубл. 27.10.2010, содержащий 2-х стержневую магнитную систему, который принят за прототип предлагаемого решения.
Реактор содержит двухстержневую магнитную систему, выполненную из тонколистовой холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, сетевые обмотки, намотанные на изоляционные цилиндры, которые зафиксированы на стержнях распорными профилями. По торцам стержней установлены две плиты, выполненные из немагнитного материала, две металлические рамы, которые при помощи стяжек соединяют стержни и плиты в единую конструкцию реактора. При этом расстояние между стержнями выбрано из условия получения требуемой индуктивности реактора при пусковом токе электродвигателя, а между стержнями и рамами установлены электрические проводники, выполненные из металлической полосы. Провод сетевых обмоток выполнен из материала с высокой теплоемкостью, а его сечение выбрано из условия допустимого нагрева за время пуска электродвигателей.
Реакторы, выполненные по патенту RU №2402829, выпускаются нашим предприятием серийно с 2010 года. Они выпускаются для устройств УБПВД-С с напряжением 6 кВ, сохраняют индуктивность до величины тока 1,5 Гном, имеют минимальные габариты, вес и стоимость за счет значительного снижения трудоемкости изготовления и расхода активных материалов. Маленькие габариты и вес реакторов позволяют встраивать несколько реакторов в один малогабаритный шкаф реакторов, обеспечивающий экранирование электромагнитных излучений и электробезопасность обслуживающего персонала. Устройства УБПВД-С позволяют плавно запускать поочередно несколько электродвигателей, в том числе разной мощности, что уменьшает капитальные затраты потребителей.
Недостатками прототипа являются
- ограниченная область использования - только в устройствах с напряжением до 6 кВ. Для устройств УБПВД-С на напряжение 10 кВ изоляционные расстояния между обмотками реактора, между обмотками и заземленными металлическими частями реактора не достаточны. Требуется их соответствующее увеличение;
- избыточная масса. Как показал опыт изготовления и эксплуатации реакторов они имеют избыточную прочность и массу черных металлов. Так как реакторы устанавливаются в цепь между управляемыми выпрямителем и инвертором, то время аварийных режимов (коротких замыканий КЗ) внутри УБПВД-С не превышает одного периода сети. Это значительно уменьшило степень динамических воздействий на конструкцию реактора и позволяет уменьшить степень прочности стягивающих и прессующих элементов;
- недостаточная поверхностная прочность изоляции существующих сегодня обмоток, а также их межвитковая и межслоевая прочность изоляции при их использовании на напряжение 10 кВ. Расстояние по поверхности цилиндров от катушки до стержней недостаточно для использования на 10 кВ. В аварийных режимах работы, при отключении КЗ, перенапряжение на обмотке, создаваемое индуктивностью реактора, может превысить допустимое напряжение внутренней изоляции обмотки. Может возникнуть межвитковый или межслоевой пробой изоляции в обмотке. Необходимо усиление изоляции или ограничение перенапряжения.
Технический результат заявляемого решения - снижение трудоемкости изготовления и расхода основных материалов: электротехнической стали, черных и изоляционных материалов, а также расширение рабочего диапазона напряжений реактора при эксплуатации в устройствах УБПВД-С с напряжением 10 кВ.
Достигается технический результат тем, что в сглаживающий реактор для устройства плавного пуска электродвигателя, содержащий 2-х стержневую магнитную систему, сетевые обмотки, намотанные на изоляционные цилиндры, элементы фиксации стержней по торцам в виде плит со стяжками, верхней и нижней рам, соединяющие стержни и плиты в единую конструкцию реактора, введены металлические шпильки, установленные в центре стержней вдоль продольной оси, диски из изоляционного материала с отверстием по центру, надетые на шпильки и вставленные в изоляционные цилиндры с двух сторон (торцов) стержней, при этом стержни магнитной системы укорочены на толщину дисков, введены также центральные угольники в рамах, закрепляющие металлические шпильки, при этом шпильки выполнены из квадратного прутка немагнитного металла, образуя одновременно и основной элемент стяжки конструкции реактора и электрические проводники для соединения стержней с рамами, также введены два устройства защиты обмоток от перенапряжений - электронное и механическое, электронное выполнено в виде ограничителей перенапряжений (ОПН), установленных параллельно каждой обмотке реактора или параллельно группе обмоток реактора, а механическое - в виде пластины диэлектрического экрана, установленной между обмотками реактора.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что по сравнению с прототипом достигнуты высокие технико-экономические показатели за счет уменьшения веса стержней, сечения профиля рам, сечения стяжек, толщины плит, увеличения изоляционных расстояний от обмоток до заземленных частей реактора за счет установки изоляционных дисков по торцам стержней, установки пластины диэлектрического экрана между обмотками. Увеличение изоляционных расстояний от обмоток до заземленных частей и установка пластины диэлектрического экрана между обмотками позволили увеличить класс напряжения реактора. Для защиты обмоток от перенапряжений в аварийных режимах параллельно обмотке установлен ограничитель перенапряжений.
Заявляемое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена конструкция сглаживающего реактора, а на фиг. 2 - схема подключения обмоток реактора к устройству плавного пуска электродвигателя, на фиг. 3 - конструкция одностержневой катушки в разрезе.
Реактор содержит 2-х стержневую магнитную систему 1, выполненную из тонколистовой холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, сетевые обмотки 2, намотанные на изоляционные цилиндры 3, зафиксированные на стержнях 1 распорными профилями, диски 4 из изоляционного материала с отверстием по центру, элементы фиксации стержней по торцам - две плиты 5 из немагнитного материала, например, из стеклотекстолита, две рамы 6 с центральными угольниками, которые при помощи стяжек 7 и металлических шпилек 8, расположенных в центре стержней вдоль продольной оси, скрепляют плиты 5 и стержни 1 в единую конструкцию. Диски 4 надеты на шпильки 8 и вставлены в изоляционные цилиндры 3 с двух сторон (торцов) стальных стержней 1, стержни магнитной системы укорочены на толщину дисков по сравнению с известным реактором.
Изоляционные цилиндры 3 выступают из обмоток 2 на необходимое расстояние, которое совместно с расстоянием по дискам 4 из изоляционного материала обеспечивает электрическую изоляцию обмоток 2 от стальных стержней 1. По центру между обмотками 2 установлена пластина диэлектрического экрана 9, закрепленная к центральным стяжкам 7. Рамы 6 выполнены из небольшого металлического уголка и позволяют получить прочную конструкцию реактора с тонкими плитами 5 и снизить их стоимость. Шпильки 8 в центре стержней 1 выполнены из квадратного прутка немагнитного металла, образуя одновременно и основной элемент стяжки конструкции реактора и электрические проводники - служат также для электрического соединения стержней 1 с металлическими элементами реактора с целью стекания емкостных токов на землю.
Увеличение изоляционных расстояний от обмоток до заземленных частей реактора за счет установки изоляционных дисков 4 по торцам стержней, а также установка пластины диэлектрического экрана 9 между обмотками 2, при их раздельном включении в плюсовую и минусовую шины выпрямителя, позволили увеличить класс напряжения реактора и допустимое напряжение между обмотками.
Параллельно обмоткам реактора установлены ограничители перенапряжений 10 для защиты обмоток 2 от перенапряжений в аварийных режимах. Ограничитель перенапряжений 10 закреплен на выводных шинах обмоток реактора (не показаны на рисунке).
На фиг. 2 приведена схема подключения обмоток реактора в звене постоянного тока устройства плавного пуска электродвигателя.
Реактор 11 своими обмотками включен между выходами выпрямителя 12 и входами инвертора 13, выходы которого подключены к обмоткам электродвигателя 14. В процессе пуска выпрямитель 12 плавно увеличивает напряжение на своих выходах, а инвертор 13 плавно увеличивает величину напряжения и частоту на электродвигателе 14, разгоняя его до номинальной скорости. Затем включается выключатель 15 и выключаются выпрямитель 12 и инвертор 13. Обмотки реактора 11 снижают (сглаживают) пульсации пускового тока электродвигателя 14.
Возможны следующие варианты включения обмоток реактора в устройстве плавного пуска электродвигателя: последовательное соединение обмоток, параллельное соединение обмоток, включение по одной обмотке в плюсовую и минусовую шины устройства (как на рисунке 2) - в зависимости от величины требуемой индуктивности и тока реактора в устройстве.
В сложных системах поочередного плавного пуска от одного устройства плавного пуска нескольких электродвигателей разной мощности требуется изменение индуктивности сглаживающего реактора для эффективного сглаживания пульсаций тока. Это выполняется путем последовательного или параллельного (или иного) соединения обмоток реакторов с помощью внешних коммутационных аппаратов.
Время пуска электродвигателя на номинальную скорость обычно не превышает 20…60 секунд. За это время потери мощности и нагрев в металлических частях реактора невелики, поэтому возможно изготовление стяжек, рам и других крепежных деталей из дешевого черного металла.
В ходе разработки и изготовления реакторов на 10 кВ удалось уменьшить, по сравнению с прототипом, электротехнической стали и черных металлов - в 1,25 раза, изоляционных материалов - в 1,8 раза, а по сравнению с аналогами расход электротехнической стали, провода и изоляционных материалов снизился в 3…5 раз. За счет увеличения изоляционных расстояний от обмоток до заземленных частей реактора за счет установки изоляционных дисков по торцам стержней, увеличен класс напряжения реактора. За счет установки пластины диэлектрического экрана между обмотками увеличено напряжение между обмотками реактора, что позволило раздельно включать обмотки одного реактора в плюсовую и минусовую шины выпрямителя.
За счет установки ОПН параллельно обмоткам реактора увеличена степень их защиты от перенапряжений в аварийных режимах.
Заявляемый реактор успешно прошел испытания и в ближайшее время планируется его серийный выпуск
Литература
1. Каталог «СВЭЛ Росэнерготранс», (http://svel.ru/ru/catalog/reactors)
2. Каталог продукции ОАО ХК «Электрозавод», г. Москва http://www.elektrozavod.ru/production/9_3
3. Патент на изобретение RU №2402829