УСТРОЙСТВО ПЛАВНОГО ПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И РЕАКТОР ДЛЯ УКАЗАННОГО УСТРОЙСТВА
DEVICE OF SMOOTH AC MOTOR START AND REACTOR FOR THIS DEVICE

Изобретение относится к области электротехники, а конкретно к устройствам плавного пуска электродвигателей переменного тока.
Сегодня вместо так называемого прямого пуска электродвигателей переменного тока, при котором имеют место 5-8-кратные пусковые токи, негативно влияющие на питающие сети, электродвигатели и механизмы, широкое использование получили устройства плавного пуска, которые включаются между питающей сетью и электродвигателем на время пуска и ограничивают значения пускового тока на уровне 2-3 значений номинального тока электродвигателей.
В наибольших масштабах используются устройства плавного пуска на основе статических преобразователей и регуляторов электроэнергии - преобразователи частоты, регуляторы напряжения и т.д. Они используются для электродвигателей мощностью от единиц киловатт до 10-20 МВт и более и для напряжения от 220 В до 10-17 кВ.
Крупнейшим производителем и поставщиком таких устройств плавного пуска на мировом рынке является фирма Solcon Industries Ltd, которая имеет наиболее широкую их номенклатуру.
Но указанные устройства плавного пуска с использованием статических преобразователей и регуляторов имеют существенные недостатки: сложность статических преобразователей и регуляторов, обусловленную этим сниженную надежность, необходимость в обслуживании в процессе эксплуатации, значительные габариты и высокую стоимость.
Большей части этих недостатков лишены известные из уровня техники (см., например, [1, 2]) реакторные устройства плавного пуска, которые содержат реакторы, включенные в фазные провода, контактный аппарат, контакты которого включены параллельно реакторам, и устройство управления контактным аппаратом, замыкающее контакты, когда ток достигает номинального значения.
Эти устройства обеспечивают качественный процесс плавного пуска с необходимым ограничением тока для электродвигателей механизмов, запускающихся вхолостую при небольших нагрузках, и электродвигателей турбомеханизмов (насосов, вентиляторов, компрессоров), составляющих большую часть электродвигателей, которым необходимы устройства плавного пуска.
Они качественно проще, надежнее и практически не требуют обслуживания в процессе эксплуатации. Однако имеющиеся на рынке реакторы универсального использования имеют значительные габариты - большие, чем у устройств плавного пуска со статическими преобразователями и регуляторами, и обусловленную значительными габаритами и материалоемкостью достаточно большую стоимость, сравнимую со стоимостью устройств со статическими преобразователями и регуляторами.
В связи с этим реакторные устройства плавного пуска используются достаточно редко.
Объектами этого изобретения являются устройство плавного пуска электродвигателей переменного тока и реактор для такого устройства.
В основу этого изобретения, как в отношении устройств плавного пуска реакторного типа, так и в отношении самих реакторов, поставлена задача уменьшения габаритов и материалоемкости и, за счет этого, стоимости устройств плавного пуска реакторного типа.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве плавного пуска электродвигателя переменного тока, включающем реакторы с воздушным естественным охлаждением, выполненные с возможностью установки в фазных проводах, нормально разомкнутые контакты, включенные параллельно реакторам, и устройство управления контактами, выполненное с возможностью замыкания контактов после достижения током двигателя номинального значения, согласно изобретению отношение у индуктивности реакторов к их активному сопротивлению при комнатной температуре меньше значения, которое рассчитывается по формуле
1
2
где x - мощность электродвигателя, причем значения коэффициентов C, C, A и B выбираются в зависимости от наличия в реакторах ферромагнитных сердечниках (см. табл.1).
Таблица 1
Реактор без ферромагнитного сердечника
Реактор с ферромагнитным сердечником
C<sub>1</sub>
184,8
60,6
C<sub>2</sub>
-158,3
-52,9
A
123,8·10<sup>-6</sup>
-1,277·10<sup>-6</sup>
B
-1322·10<sup>-6</sup>
-1723·10<sup>-6</sup>
Аналогичным образом решается поставленная задача для реакторов плавного пуска.
Обычно реакторы плавного пуска рассчитывают на длительную работу при номинальном токе двигателя. Методика расчетов приведена, например, в [3].
Однако на практике реакторы работают порядка нескольких секунд - до установления номинального тока, после чего они шунтируются контактами. В течение этого времени можно допустить кратковременный перегрев реакторов, больший, чем тот, на который рассчитываются реакторы длительной работы, то есть, их сопротивление может быть большим, чем у реакторов, рассчитанных по стандартной методике. Это означает, что провода, из которых выполнен реактор, могут иметь меньшее сечение, диаметр катушки, на которой намотан провод, тоже может быть меньшим, то есть, провода могут быть более короткими.
Поскольку индуктивность и сопротивление реакторов плавного пуска рассчитываются с учетом индуктивности и сопротивления обмоток электродвигателя, которые зависят от его мощности и рабочего напряжения, нужно было найти некоторый обобщающий параметр, конкретные значения которого характеризовали бы границу раздела между реакторами длительной и кратковременной работы.
При анализе большого количества стандартных реакторов, выпускаемых промышленностью, и реакторов, рассчитанных по стандартным методикам, было выяснено, что такой величиной является отношение индуктивности реактора к его активному сопротивлению, и были найдены «разделяющие» значения этого отношения для ряда значений мощности электродвигателя от практически нуля до 5000 кВт для реакторов с ферромагнитными сердечниками и без них (таблицы 2 и 3 соответственно). При этом индуктивность измерялась в мГн, а активное сопротивление в Ом, x - мощность электродвигателя в кВт.
Таблица 2
Для реакторов без ферромагнитных сердечников
x
0
55
250
800
1600
2800
4000
5000
y
20
40,6
84,2
142,4
205
260
300
350
Таблица 3
Для реакторов с ферромагнитными сердечниками
x
0
55
250
800
1600
4000
5000
y
8
12,35
22,5
47,5
57,45
59
61
Эти значения были интерполированы двумя функциями, представленными общей формулой (1), в которой коэффициенты зависят от наличия в реакторе ферромагнитного сердечника (Таблица 1). Значения этих функций собственно и являются границами раздела между реакторами длительной и кратковременной работы, то есть, если указанное отношение конкретного реактора больше или равняется значению, рассчитанному по формуле (1) для конкретной мощности электродвигателя, то это реактор длительной работы, если ниже - то это реактор кратковременной работы.
Уменьшение отношения индуктивности к сопротивлению эквивалентно уменьшению индуктивности и/или увеличению сопротивления, то есть, уменьшению длины и/или сечения проводов, которые используются, и, возможно, уменьшению диаметра намотки катушки реактора, что, в свою очередь, эквивалентно экономии меди и, возможно, материала катушки, то есть, меньшей материалоемкости реактора и, как следствие, меньшей его стоимости.
Понятно, что сопротивление реактора не должно быть слишком большим и в каждом конкретном случае должно рассчитываться с учетом допустимого перегрева реактора в течение его кратковременной работы.
На фиг.1 представлена схема устройства реакторного типа для плавного пуска электродвигателя, включенного в разрыв фазных проводов.
На фиг.2 и 3 представлены соответствующие графики указанной выше функции по формуле (1) и точки, которые соответствуют данным таблиц 2 и 3 (отмечены крестиками).
На фиг.4 приведена осциллограмма пускового тока (кривые 1 и 2) электродвигателя и давления на выходе насосного агрегата при плавном пуске реакторного типа с выходом на мощность, близкую к номинальной.
Устройство плавного пуска реакторного типа 1 (фиг.1) состоит из трех реакторов 2, включенных в фазные провода питания электродвигателя, трех контактов 3, включенных параллельно каждому из реакторов 2, и устройства 4 управления контактами, которое замыкает контакты 3 после того, как ток приобретает номинальное значение.
Как пример реализации заявляемого изобретения, для плавного пуска электродвигателя мощностью 800 кВт, 8000 B, I ном = 92A (I амплитудное = 130 A) был сконструирован реактор, индуктивность которого составляла 24,6 мГн, сопротивление - 0,755 Ом, то есть, отношение индуктивности к сопротивлению составляло 32,6, что меньше значения 146 функции на фиг.2 для x=800 кВт.
По сравнению со стандартными реакторами длительной работы габариты рассчитанного реактора кратковременной работы были меньше в 3-4 раза, а масса меди - в 11 раз.
Такие реакторы были использованы для плавного пуска электродвигателя мощностью 800 кВт по схеме, представленной на фиг.1, причем электродвигатель использовался для приведения в действие насосного агрегата.
Как видно из осциллограммы процесса пуска электродвигателя (фиг.4), максимальная амплитуда пускового тока не превышала 260 A, то есть, была только вдвое больше амплитуды номинального тока. Процесс пуска длился не более 9,5 с, при этом максимальный перегрев реактора составлял не более 43°C (запас по перегреву относительно допустимого уровня температуры перегрева 150°C для изоляции связан с возможностью до 3-х пусков подряд).
Таким образом, при выполнении указанных отношений индуктивности к активному сопротивлению реакторы ограничивают кратность пусковых токов на уровне 2-3, выдерживают без недопустимых перегревов пусковые токи и при этом имеют габариты, массу и стоимость в 5-10 раз меньше, чем реакторы универсального применения. Это позволяет многократно уменьшить габариты, массу и, главное, стоимость построенных на них устройств плавного пуска по сравнению с аналогами на основе статических преобразователей и регуляторов при одновременном качественном упрощении и увеличении надежности.
Источники информации
1. Радин В.И. Электрические машины: Асинхронные машины: Уч. для электромех. спец. вузов под ред. Копылова И.П. - М.: Высшая школа. 1988. - 328 с. с ил.
2. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных двигателей. - М. - Л., Госэнергоиздат, 1950.
3. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. - 488 с. с илл.