УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПУСКА И КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
DEVICE TO START AND COMPENSATE FOR REACTIVE POWER OF INDUCTION MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для пуска и компенсации реактивной мощности асинхронных двигателей.
Известно устройство для пуска и компенсации реактивной мощности асинхронного двигателя путем последовательного включения с обмотками статора конденсаторов, которые после пуска шунтируются ключами [см. Петров И.И., Мейстель A.M. Специальные режимы работы асинхронного электропривода. М.: Энергия, 1968, (рис.2-8, а)]. Недостатком этого устройства является опасность резонансных явлений, обусловленных отсутствием контроля за моментом отключения конденсаторов, а также низкий коэффициент мощности в рабочем режиме, связанный с отключением конденсаторов после пуска.
Известно также устройство для пуска и компенсации реактивной мощности асинхронного двигателя, в котором  в начале пуска обмотки статора включаются последовательно с конденсаторами, что ограничивает пусковой ток. По окончании пуска конденсаторы присоединяются к сети параллельно [Пат. РФ №2262179, кл. Н02Р 1/26, 2005]. Недостатком известного устройства является опасность резонансных явлений, обусловленных отсутствием контроля за моментом переключения конденсаторов с последовательного на параллельное обмоткам положение, а также перекомпенсация реактивной мощности в рабочем режиме.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является устройство для пуска и компенсации реактивной мощности асинхронного двигателя, содержащее три фазы сети, последовательно включенные в каждой фазе сети статорная обмотка и конденсаторы, магнитный пускатель, содержащий нормально разомкнутые и переключающие нормально замкнутые контакты, катушка магнитного пускателя вместе с последовательно включенным резистором подключен параллельно одной из статорных обмоток, а резистор зашунтирован нормально разомкнутым контактом, концы статорных обмоток соединены с первыми зажимами конденсаторов, вторые зажимы которых объединены в точку, второй контакт магнитного пускателя подключен между началом первой обмотки статора и концом второй обмотки, третий контакт подключен между началом второй и концом третьей обмотки, а четвертый контакт подключен между началом третьей и концом первой обмотки статора [Пат. РФ №2444837, кл. Н02Р 1/16, 2012].
У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие сходные существенные признаки: три фазы сети, последовательно включенные в каждой фазе сети статорная обмотка и конденсаторы, магнитный пускатель, содержащий нормально разомкнутые и переключающие нормально замкнутые контакты, катушка магнитного пускателя вместе с последовательно включенным резистором подключена параллельно одной из статорных обмоток, а резистор зашунтирован нормально разомкнутым контактом.
Недостатками прототипа являются большие потери устройства в рабочем режиме, что объясняется необходимостью иметь большую емкость конденсаторов для мягкого пуска асинхронного двигателя и, как следствие, использованием избыточной емкости конденсаторов и перекомпенсацией реактивной мощности асинхронного двигателя в рабочем режиме.
Технический результат - уменьшение потерь в рабочем режиме за счет исключения перекомпенсации асинхронного двигателя и повышение надежности устройства за счет работы конденсаторов в рабочем режиме при пониженном напряжении.
Для достижения технического результата заявляемое изобретение -устройство для пуска и компенсации реактивной мощности асинхронного двигателя - содержит три фазы сети, последовательно включенные в каждой фазе сети статорная обмотка и конденсаторы, магнитный пускатель, содержащий нормально разомкнутые и переключающие нормально замкнутые контакты, катушка магнитного пускателя вместе с последовательно включенным резистором подключена параллельно одной из статорных обмоток, а резистор зашунтирован нормально разомкнутым контактом, каждая фаза сети соединена с первыми выводами нормально разомкнутых контактов, вторые выводы которых соединены с началами статорных обмоток, концы которых объединены в точку, кроме того, каждая фаза сети соединена с первыми выводами двух конденсаторов, вторые выводы которых, посредством переключающих нормально замкнутых контактов подключены к началам статорных обмоток, выводы переключающих нормально разомкнутых контактов в каждой фазе сети соединены с выводами переключающих нормально разомкнутых контактов других фаз сети.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен вариант исполнения устройства для пуска и компенсации реактивной мощности асинхронного двигателя.
Устройство содержит три фазы сети 1, 2, 3, в каждой фазе сети последовательно включены статорные обмотки 4, 5, 6 и конденсаторы 7, 8, 9, 10, 11, 12, магнитный пускатель содержит катушку 13 и нормально разомкнутые контакты 14, 15, 16, 17 и переключающие нормально замкнутые контакты 18, 19, 20, 21, 22, 23, катушка магнитного пускателя 13 вместе с последовательно включенным резистором 24 подключена параллельно одной из статорных обмоток, в данном варианте обмотке 6, а резистор зашунтирован нормально разомкнутым контактом 14, каждая фаза сети соединена с первыми выводами нормально разомкнутых контактов, вторые выводы которых соединены с началами статорных обмоток, а именно фаза сети 1 соединена с первым выводом нормально разомкнутого контакта 15, второй вывод которого соединен с началом статорной обмотки 4, фаза сети 2 соединена с первым выводом нормально разомкнутого контакта 16, второй вывод которого соединен с началом статорной обмотки 5, фаза сети 3 соединена с первым выводом нормально разомкнутого контакта 17, второй вывод которого соединен с началом статорной обмотки 6, кроме того, каждая фаза сети соединена с первыми выводами двух конденсаторов, вторые выводы которых посредством переключающих нормально замкнутых контактов подключены к началам статорных обмоток, а именно фаза сети 1 соединена с первыми выводами конденсаторов 7 и 8, вторые выводы которых посредством переключающих нормально замкнутых контактов 18 и 19 подключены к началу статорной обмотки 4, фаза сети 2 соединена с первыми выводами конденсаторов 9 и 10, вторые выводы которых, посредством переключающих нормально замкнутых контактов 20 и 21 подключены к началу статорной обмотки 5, а фаза сети 3 соединена с первыми выводами конденсаторов 11 и 12, вторые выводы которых посредством переключающих нормально замкнутых контактов 22 и 23 подключены к началу статорной обмотки 6, выводы переключающих нормально разомкнутых контактов в каждой фазе сети соединены с выводами переключающих нормально разомкнутых контактов других фаз сети, а именно вывод переключающего нормально разомкнутого контакта 26 в фазе сети 1 соединен с выводом переключающего нормально разомкнутого контакта 27 в фазе сети 2, вывод переключающего нормально разомкнутого контакта 28 в фазе сети 2 соединен с выводом переключающего нормально разомкнутого контакта 29 в фазе сети 3, вывод переключающего нормально разомкнутого контакта 30 в фазе сети 3 соединен с выводом переключающего нормально разомкнутого контакта 25 в фазе сети 1. Концы статорных обмоток 4, 5, 6 объединены в точку.
Устройство работает следующим образом. Для пуска электродвигателя включается трехфазный выключатель (на чертеже не показан), контакты 14, 15, 16, 17 при этом разомкнуты, а переключающие нормально замкнутые контакты 18, 19, 20, 21, 22, 23 замкнуты, переключающие нормально разомкнутые контакты 25, 26, 27, 28, 29, 30 разомкнуты, конденсаторы при этом оказываются включенными параллельно, попарно 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12 и в то же время последовательно соответственно со статорными обмотками 4, 5, 6. Напряжение, приложенное к статорным обмоткам 4, 5, 6, при этом уменьшено на величину падения напряжения на сопротивлениях конденсаторов 7, 8, 9, 10, 11, 12 что, в свою очередь, ограничивает пусковой ток. По мере увеличения частоты вращения двигателя напряжение, приложенное к статорным обмоткам 4, 5, 6, увеличивается и при достижении его определенного значения происходит срабатывание катушки 13 магнитного пускателя. В результате этого посредством контакта 14 шунтируется резистор 24, что увеличивает напряжение на катушке 13 до номинального и обеспечивает надежное срабатывание магнитного пускателя. Кроме того, замыкание контакта 14 исключает потери на резисторе 24 в рабочем режиме. Одновременно замыкаются контакты магнитного пускателя 15, 16, 17, включая обмотки статора 4, 5, 6 напрямую на фазы сети 1, 2, 3, а переключающие контакты переключаются на нормально разомкнутые контакты 25, 26, 27, 28, 29, 30, при этом конденсаторы оказываются включенными попарно последовательно и параллельно фазам сети. Так, конденсатор 8 включен последовательно с конденсатором 9 и параллельно фазам сети 1 и 2, конденсатор 10 включен последовательно с конденсатором 11 и параллельно фазам сети 2 и 3, а конденсатор 12 включен последовательно с конденсатором 7 и параллельно фазам сети 3 и 1, обеспечивая компенсацию реактивной мощности двигателя в рабочем режиме.
Как показали расчеты и испытания устройства, наиболее благоприятным временем включения катушки 13 является момент, когда напряжение на статорных обмотках 4, 5, 6 достигает номинального значения, что соответствует номинальному току в этих обмотках. В этом случае переход двигателя в рабочий режим происходит наиболее плавно. Однако катушки 14 серийных магнитных пускателей имеют напряжение срабатывания на 20-30% ниже номинального. Настройкой резистора 24 можно достичь для каждого конкретного магнитного пускателя, когда его срабатывание будет происходить при достижении номинального или другого заданного значения напряжения.
Приведем обоснование необходимости наличия меньшей величины емкости конденсаторов в рабочем режиме по сравнению с пусковым режимом.
Зная напряжение - U, заданная величина начального пускового тока определится выражением
<mrow><mi>I</mi><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>U</mi><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>П</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>X</mi><mrow><mi>K</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
П
где Z - сопротивление АД при пуске,
КП
Х - сопротивления конденсаторов при пуске.
П
КП
Так как при прямом пуске пусковой ток АД составляет 4-6 тока номинального, то пусковое сопротивление АД Z составляет 0,17-0.25 от номинального сопротивления Zн. Отсюда для снижения пускового тока, например, до номинальной величины требуется сопротивление пусковых конденсаторов Х, равное (1-1.5) Zн в каждой фазе.
H1
KH
H2
Величину емкостного сопротивления, необходимого для получения заданного значения коэффициента мощности в рабочем компенсированном режиме, можно получить, зная сопротивление АД в номинальном режиме Zн и номинальный cosφ. Тогда сопротивления конденсаторов Х, необходимые для получения нового заданного коэффициента мощности в рабочем компенсированном режиме cosφ, при подключении конденсаторов в треугольник на линейные напряжения можно получить из формулы
<mrow><msub><mi>X</mi><mrow><mi>K</mi><mi>H</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>3</mn><mi>Z</mi><mi>н</mi></mrow><mrow><mi>cos</mi><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>H</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>H</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>H</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
.
H2
В частном случае cosφ=1 последняя формула имеет вид
<mrow><msub><mi>X</mi><mrow><mi>K</mi><mi>H</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>3</mn><mi>Z</mi><mi>н</mi></mrow><mrow><mi>sin</mi><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>H</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
KH
Т.е. в рабочем режиме требуется сопротивление конденсаторов Х,равное (4-6)Zн, что соответствует необходимости уменьшения емкости конденсаторов в (4-6) раз по сравнению с пусковым режимом, что и обеспечивает предложенное устройство.
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает ограничение пускового тока и компенсацию реактивной мощности асинхронного двигателя в рабочем режиме, при этом по сравнению с прототипом обеспечивает уменьшение потерь в номинальном режиме за счет исключения перекомпенсации асинхронного двигателя и повышение надежности устройства за счет работы конденсаторов в рабочем режиме при пониженном напряжении.