УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ ПУСКОВОГО ТОКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Область применения.
Полезная модель относится к электротехнике, а именно к элементам асинхронного электропривода.
Асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором получили широкое распространение благодаря своим ценным качествам: дешевизне, простоте конструкции, надежности, высокому КПД. Серьезным недостатком АД является относительно значительная величина пусковых токов. При пуске АД с короткозамкнутым ротором величина тока статора больше его номинального значения в 5-7 раз. Такие большие токи в статоре недопустимы по условиям дополнительных динамических усилий и перегрева обмоток. Причем в асинхронных двигателях могут возникать переходные режимы с большими бросками тока не только при подключении двигателя к сети, но и при реверсе и торможении.
Поэтому необходимо ограничивать пусковой ток в обмотках статора АД с короткозамкнутым ротором, причем не только в момент пуска в ход двигателя, но также и в течение всей работы, с возможными режимами реверса и торможения.
Для ограничения тока применяются пусковые реакторы, резисторы и автотрансформаторы, а также современные электронные устройства - софт-стартеры (устройства плавного пуска двигателей).
Уровень техники.
Известно устройство плавного пуска серии EM-GJ3 (http://www.siliumtech.com/documents/emheater_docs/em-gj3_manual_rus_site.pdf) [1], представляющее собой силовое электрическое устройство на основе микропроцессорных технологий. Устройство обеспечивает защиту от смещения напряжения, сбоев электроснабжения, перенапряжения, перегрева двигателя, превышения времени запуска, потери входных и выходных фаз, перекоса нагрузки по фазам, перегрузки, короткого замыкания, превышения по току. Однако, ограничение тока и момента с помощью известного устройства достигается за счет усложнения схемы управления и удорожания установки.
Известны устройства ограничения пускового тока АД с короткозамкнутым ротором, которые состоят либо из трех резисторов, либо из трех реакторов, предвключенных в каждую фазу статора АД (см. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Изд. 6-е, исправленное - М: Энергия, 1977, 432 с., рис. 3.39) [2].
1
2
3
1
2
3
1
1
1
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство ограничения пускового тока (УОПТ) АД с короткозамкнутым ротором, подключаемого к трем фазам A, B, C электрической сети соответствующего номинального напряжения посредством трехфазного магнитного пускателя КМ и состоящее из трех линейных реакторов L, L, L, предвключенных в каждую фазу A, B, C статора АД (фиг. 1) [2]. Недостатком данного устройства является необходимость закорачивания данных реакторов выключателями S, S, S после пуска АД. Это требует наличия дополнительных коммутационных аппаратов, рассчитанных на значительные токи и системы автоматического управления ими. К тому же известное устройство УОПД не предотвращает возникновения в процессе работы АД переходных режимов с большими бросками тока двигателя при реверсе и торможении.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение конструкции, за счет исключения дополнительных коммутационных аппаратов, рассчитанных на значительные токи и системы автоматического управления ими, и возможность предотвращения возникновения в процессе работы АД переходных режимов с большими бросками тока двигателя при реверсе и торможении.
Раскрытие полезной модели.
Технический результат достигается тем, что устройство ограничения пускового тока трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, содержащее трехфазный контактор для управления пуском и отключением АД в трехфазной электрической сети с фазами «A», «B», «C», три пусковых реактора с индуктивностью величиной L, каждый из которых подключен между выводами соответствующей фазы контактора и статора АД, отличающееся тем, что последовательно с каждым реактором в каждой фазе включен конденсатор, величина емкости каждого из конденсаторов выбрана такой, чтобы каждая пара элементов: первый реактор - первый конденсатор в фазе «A», второй реактор - второй конденсатор в фазе «B», третий реактор - третий конденсатор в фазе «C», создавала резонанс напряжения на частоте f промышленной электрической сети за счет выбора одинаковых реактивных сопротивлений величиной ωL для соответствующего пускового реактора и 1/ωC - для соответствующего конденсатора, т.е. ωL=1/ωC, где угловая частота ω=2πf.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1 - электрическая схема прототипа [2].
Фиг. 2 - схема заявляемого устройства.
Осуществление полезной модели.
Заявляемое устройство ограничения пускового тока асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором (фиг. 2) содержит контактор 1; первый реактор 2, второй реактор 3, третий реактор 4, в каждой фазе, соответственно «A», «B», «C», статора АД 5. Пусковые реакторы 2, 3, 4 с индуктивностью величиной L.
При этом последовательно с каждым реактором 2, 3, 4, в каждой фазе «A», «B», «C» статора 5 включен, соответственно, первый конденсатор 6, второй конденсатор 7, третий конденсатор 8. Величина емкости C каждого из конденсаторов 6, 7, 8 выбирается такой, чтобы каждая пара элементов реактор-конденсатор 2-6; 3-7; 4-8 (фиг. 2) создавала резонанс напряжения на промышленной частоте 50 Гц. Это достигается выбором одинаковых реактивных сопротивлений ωL пускового реактора и 1/ωC соответствующего конденсатора, т.е. выполняется условие ωL=1/ωC, где угловая частота ω=2πf (ω=2πf), частота f=50 Гц.
об
Пример. Пусть активная мощность АД равна 13 кВт (по этой величине выбирают АД). При cosφ=0,8 (справочные данные) номинальный ток одной фазы АД равен 25 А (поскольку полная мощность АД равна 25∗220∗3=16,5 кВА.). Тогда пусковой фазный ток имеет величину 25 А ∗7=175 А. Следовательно, реактивное индуктивное (1/ωC) сопротивление X (активным сопротивлением пренебрегаем, ввиду его малости, - в противном случае были бы значительные тепловые потери) одной фазы равно 220 В /175 А=1,26 Ом.
3
Чтобы уменьшить в два раза пусковой ток данного АД, необходимо поставить последовательно с фазной обмоткой АД катушку индуктивности с реактивным сопротивлением 1,26 Ом. Реактивное сопротивление (1/ωC) конденсатора, согласно полезной модели должно быть таким же, т.е. 1,26 Ом. При угловой частоте ω=314 р/с емкость конденсатора должна быть равна 2530 мкФ. Объем такого конденсатора, выпускаемого по современным технологиям на напряжение 230-250 В (что соответствует фазному напряжению сети) вполне реален в эксплуатации, не более 0,2 м. Работа полезной модели.
об
об
ф
n
ф
n
В момент включения запускающего трехфазного контактора 1, когда, согласно закона коммутации для конденсаторов, напряжение U на всех трех конденсаторах 6, 7, 8 равно нулю, реакторы 2, 3, 4 выполняют роль снижения пускового тока, как минимум, в 2 раза, если их реактивное сопротивление равно или больше реактивного сопротивления X фазы статорной обмотки АД в режиме с нулевой скоростью, величина которого определяется по формуле: X=U/l, где U - величина фазного напряжения сети; l - величина пускового тока АД при прямом пуске.
По мере развития в процессе пуска АД 5 противо-ЭДС статорной обмотки напряжение каждой фазы АД будет повышаться до номинального напряжения сети, т.к. напряжения на конденсаторах 6, 7, 8 будут полностью компенсировать напряжения на реакторах 2, 3, 4, поскольку в векторной форме эти напряжения противоположны по знаку, и поэтому каждая пара элементов: реактор 2 -конденсатор 6; реактор 3 - конденсатор 7; реактор 4 - конденсатор 8 будет в установившемся процессе иметь нулевое эквивалентное сопротивление. В любом рабочем переходном процессе АД при реверсе или торможении реакторы 2, 3, 4, будут выполнять присущую им демпфирующую функцию для бросков тока, а конденсаторы 6, 7, 8 по окончании переходного процесса будут выполнять присущую им компенсирующую функцию напряжения на реакторах. Таким образом, без каких-либо коммутационных аппаратов автоматически устраняется негативное действие пусковых реакторов на рабочее напряжение АД в установившемся режиме.
Заявляемое устройство может найти применение в промышленном электроприводе, который требует не только мягкого пуска, но и смягчения рабочих резкопеременных реверсивных режимов, например, в электроприводе колебательного движения (для механизмов дробления, качения и т.п.).
Источники информации.
1. Устройство плавного пуска серии EM-GJ3. Интернет-ресурс. http://www.siliumtech.com/documents/emheater_docs/em-gj3_manual_rus_site.pdf
2. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Изд. 6-е, исправленное - М: Энергия, 1977, 432 с., рис. 3.39. - наиболее близкий аналог.