УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЛАВНОГО ПУСКА И ОСТАНОВКИ ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ (СОФТСТАРТЕР)
DEVICE FOR SOFT START CONTROL AND SHUTDOWN OF THREE-PHASE ELECTRIC MOTORS (SOFT STARTER)

Изобретение относится к устройству для контроля плавного пуска и остановки трехфазных электродвигателей (т.наз. софтстартеру), предвключенному для запуска тяжелых механических, электрических или гидравлических приводов, причем отдельные узлы силового блока с тиристорами, силовыми электронными устройствами и контакторами объединены в распределительном шкафу.
Такие устройства работают в диапазоне мощностей приблизительно 0,5 кВт, в частности от 200 кВт до примерно 25000 кВт, при номинальных напряжениях примерно до 17,5 кВ и токах примерно до 1250 А.
Конструкция таких устройств в виде распределительных шкафов известна из проспекта фирмы Сименс «Софтстартер» («Soft Starter»), см. в частности стр.3. Однако такой конструкции присущи недостатки, касающиеся размещения ряда из одного или нескольких шкафов, а также компоновки внутри отдельных шкафов. Так, в известном распределительном шкафу силовые электронные устройства L1, L2 и L3 жестко крепятся на задней стенке. Силовой узел на каждую фазу состоит из блока тиристоров с промежуточными радиаторами, блока схемной защиты и электронного управления для тиристоров. В отношении крепления таких силовых электронных устройств к задней стенке соединения для главного тока (мощность) выполняются только сверху или снизу или сверху и снизу. На практике минимальное расстояние (~ 120 мм) зависит от величины напряжения. Такие шкафы могут устанавливаться лишь по отдельности. Ряд таких шкафов занял бы слишком много места, использовать это пространство по другому назначению невозможно. Такие шкафы могут устанавливаться лишь по отдельности. Ряд смонтированных друг возле друга шкафов занял бы слишком много места. Поэтому требуется слишком большая площадь, занимаемая дополнительными деталями и блоками, необходимыми для электрической цепи устройства плавного пуска.
Принцип действия такого устройства известен также из документа WO 2006/034977 А1. Мы ссылаемся на этот документ.
В основе изобретения лежит задача размещения важных деталей и блоков, например, сетевого контактора, силовых электронных устройств L1, L2 и L3, а также шунтирующего контактора, как в отдельных, так и в выстроенных в ряд распределительных шкафах или распределительных ячейках различных ступеней мощности с улучшенным распределением площади и учетом особых условий технического обслуживания.
В изобретении поставленная задача решена за счет того, что в распределительном шкафу имеется, по меньшей мере, одна распределительная ячейка, содержащая, по меньшей мере, трехфазный силовой блок, относящиеся к нему силовые электронные устройства и необходимые контакторы, выполненная в раме с окружающими ячейку стенками и с прикреплением выступающих в установочном направлении опорных изоляторов, которые выполнены в виде одного блока с возможностью легкого извлечения вперед и вставления обратно, без прикрепления к задней или боковой стенке распределительного шкафа, а также за счет того, что разъединитель, напротив, прикреплен к стенке шкафа и может соединяться с контактом сборной шины при вдвигании или отсоединяться от него при выдвигании посредством вставного контактного соединения (вариант реализации "А"/фиг.1А). Преимущества такого решения заключаются в возможности надежно и без затруднений осуществлять техническое обслуживание за пределами распределительного шкафа, а также в более благоприятном распределении пространства, поскольку ширина шкафа в целом уменьшается, и поэтому за счет меньшей ширины отдельного шкафа получается экономия пространства, которая растет с увеличением количества поставленных рядом друг с другом шкафов. В соответствии с этим силовой блок (на каждую фазу) с соответствующими конструктивными элементами объединен или смонтирован без закрепления на задней стенке или на боковых стенках шкафа. В сравнении с уже известным вариантом это объединение деталей в один силовой блок возможно только в том случае, если силовые электронные устройства не устанавливаются на задней несущей стенке шкафа, как это обычно делается в уровне техники. В силовом блоке, который лежит в основе изобретения, три силовых электронных устройства (по одному на фазу) крепятся в изоляторах с установкой в рамы на поперечинах и с поворотом на 180° по сравнению с известным способом монтажа, а несущая задняя стенка, армированная стекловолокном, направлена в сторону передней части шкафа. При таком монтажном положении силовых электронных устройств в силовом блоке одно или несколько соединений, проводящих главный ток, могут проходить через несущие, армированные стекловолокном задние стенки для силовых электронных устройств или сверху и снизу мимо задней стенки к расположенным перед ней шунтирующим контакторам или к главному контактору. Чтобы посредством токоведущих проводников или медных токоведущих шин от шунтирующего контактора можно было обеспечить соединение с электродвигателем, в качестве проводящих соединительных элементов в силовых электронных устройствах предпочтительно применять алюминиевые радиаторы. Благодаря изобретению размер известных шкафов может быть уменьшен на 50%.
В одном из вариантов реализации в раме распределительной ячейки дополнительно предусмотрен главный контактор и разъемное резьбовое контактное соединение (вариант реализации "В"/фиг.1А). Благодаря этому получается расширенный унифицированный узел, причем без изменения наружных размеров, т.е. необходимо лишь минимальное пространство.
Еще более обширное оснащение, также без внешних изменений, обеспечивается в соответствии с дополнительными признаками за счет того, что в раме распределительной ячейки в кабеле питания трехфазного двигателя дополнительно размещают отдельные или сдвоенные предохранители, разрядники защиты от перенапряжения, датчики напряжения и/или датчики тока, а также за счет того, что каждое закрепленное на стенке шкафа контакт сборной шины может соединяться или разъединяться посредством второго вставного контактного соединения (вариант реализации "С"/фиг.1В).
Распределительная ячейка устанавливается и снимается особенно легко и быстро, если в соответствии с дополнительными признаками на тележке, вдвигаемой в шкаф и выдвигаемой из него, размещены, по меньшей мере, силовые электронные устройства, а силовой блок в этом случае закреплен неподвижно.
Однако, если на тележке кроме силовых электронных устройств размещен силовой блок на оперативном расстоянии, то при обслуживании свободный доступ со всех сторон обеспечивается к комплектной распределительной ячейке.
Также является предпочтительным, чтобы на тележке, по меньшей мере, задняя стенка для силовых электронных устройств была выполнена из армированного стекловолокном пластика.
Дополнительные меры защиты при размещении силовых электронных устройств и силового блока состоят в том, что в раме тележки для силового блока и силовой электроники для каждой фазы выполнен закрытый, изолированный кожух, а токоведущая шина для присоединения внешних проводов питания электродвигателя проходит вне этого кожуха и посредством опорных изоляторов прикреплена к задней стенке шкафа.
Кроме того, усовершенствование заключается в том, что между съемной диэлектрической пластиной и разомкнутыми контактами разъединителя и послевключенным сетевым контактором для каждой фазы подключен сдвоенный предохранитель.
Кроме того, предусмотрено, что перед выходом трехфазной линии из изолированного кожуха подключен заземляющий болт.
В соответствии с другими признаками предлагается, что силовой блок в нижней части соединен с шунтирующим контактором, а в верхней части - с контактором.
В расширенном варианте реализации на силовом блоке предусмотрено разъемное резьбовое контактное соединение для конденсатора.
В еще одном варианте предусмотрено, что шунтирующий контактор в каждом случае посредством медных токоведущих шин для главного тока в силовом блоке присоединен к алюминиевым радиаторам силовых электронных устройств, которые посредством контактного соединения могут соединяться с токоведущей шиной для присоединения электродвигателя. При этом нетрудно принять во внимание различные исполнения распределительных ячеек.
Кроме того, заявленное изобретение относится к аспектам обеспечения безопасности при обслуживании устройства и совершенствует их благодаря тому, что разъединитель и заземляющий выключатель могут приводиться в действие посредством вала снаружи шкафа.
Кроме того, чрезвычайно важные признаки обеспечиваются за счет того, что дверца отсека среднего напряжения может открываться при разомкнутом разъединителе, замкнутом заземляющем выключателе и вставленной диэлектрической пластине. За счет этого обеспечена абсолютная защита пользователя от прикосновения к токоведущим частям, отвечающая соответствующим электротехническим нормам.
На чертежах представлены примеры реализации изобретения, ниже они описываются более подробно.
На чертежах показано следующее.
На фиг.1А представлена принципиальная электрическая схема с важнейшими узлами заявленного устройства для вариантов реализации "А" и "В".
На фиг.1В представлена модификация варианта, изображенного на фиг.1А - вариант "С".
На фиг.2 изображен в аксонометрии извлекаемый и устанавливаемый унифицированный узел, а также разъединитель и соединения с электродвигателем, которые при извлечении остаются на шкафу.
На фиг.3 показан вид сбоку, соответствующий фиг.2 (двухмерное изображение).
На фиг.4 показан вид спереди, соответствующий фиг.2 и 3.
На фиг.5 изображен в аксонометрии распределительный шкаф или распределительная ячейка без дверец на передней панели, с органами управления и отсеками низкого и среднего напряжения.
Согласно фиг.1А к распределительном шкафу 2 посредством проведенного соответствующим образом трехфазного кабеля 1а подключен плавно пускаемый трехфазный электродвигатель 1. В шкафу 2 выполнена распределительная ячейка 3 со всеми важными узлами, а именно с силовым блоком 4 (будет рассмотрен ниже), который состоит из нескольких силовых электронных устройств 5, электронного управления 29, блока 30 схемной защиты (фиг.3) для тиристоров 16 и шунтирующего контактора 6. После извлечения этой ячейки обеспечивается свободный доступ к раме 7. Рама 7 имеет заднюю или боковую стенку 8 (фиг.2) с функционально-техническим назначением. Цепь тока может быть заземлена посредством заземляющего выключателя 12. Между разомкнутыми контактами разъединителя 9 снаружи через щель 36 (фиг 3) вставляется диэлектрическая пластина 9а. Электрические элементы могут снаружи вручную выключаться и включаться посредством разъединителя 9, который состоит из диэлектрической пластины 9а (обозначена штрихпунктирной линией), имеющей ширину, соответствующую щели 36. В области разъединителя 9 находится контакт 10 сборной шины и следующий за ним емкостной указатель напряжения 11, имеющий заземление 12. Кроме того, предусмотрены предохранители 13. Затем следуют разрядник 14 защиты от перегрузок. К нему присоединены датчики 15 напряжения. Перед силовым блоком 4, который состоит из тиристоров 16 с установленными в промежутках алюминиевыми пластинами 17 радиатора (ср. фиг.2-4) подключен главный контактор 18. Главный контактор находится в зоне 21 обслуживания конденсатора, перед конденсатором 22 он защищен сдвоенными предохранителями 13. На чертеже распределительной ячейки 3 вариабельного устройства плавного пуска после силового блока 4 (если смотреть в направлении стрелки) изображен датчик 23 тока. Датчик 23 тока может быть расположен также между предохранителями 13 и главным контактором 18. Перед выходом трехфазный кабель 1а защищен посредством заземляющего болта 24. Вариант реализации "А" с тройным исполнением расположенных рядом аналогичных устройств в каждом случае имеет закрытый с четырех сторон и открытый сверху и снизу для охлаждения кожух из армированного стекловолокном пластика, который содержит следующие элементы: силовые электронные устройства 5, тиристоры 16, электронное управление 29 для тиристоров 16, блок 30 схемной защиты для тиристоров 16, шунтирующий контактор 6, контактное соединение 10а и разъемное резьбовое контактное соединение 31.
Кроме того, фиг.1А включает в себя также вариант реализации "В", который получается при добавлении главного контактора 18 и разъемного резьбового контактного соединения 31.
На фиг.1В представлен вариант реализации "С", который альтернативен варианту 1А. Этот вариант отличается добавлением элементов, находящихся в ячейке 3, которые, таким образом, при необходимости могут устанавливаться и извлекаться вместе с ячейкой. В основном эти элементы представляют собой сдвоенные предохранители 13, разъемное резьбовое контактное соединение 31 или два дополнительных контактных соединения 10а, а также разрядник 14 защиты от перенапряжений и датчики 15 напряжения. Вышерасположенные детали (например, 11, 12 и т.д.) и так уже закреплены, они относятся к узлу неразборного разъединителя 9. Вариант реализации "С", опять же с тройным исполнением расположенных рядом аналогичных устройств, в каждом случае имеет закрытый с четырех сторон и открытый сверху и снизу для охлаждения кожух из армированного стекловолокном пластика, который содержит следующие элементы: силовые электронные устройства 5, тиристоры 16, электронное управление 29, блок 30 схемной защиты для тиристоров 16, шунтирующий контактор 6, контактное соединение 10а, главный контактор 18 и разъемное резьбовое контактное соединение 31.
Согласно фиг.2 ячейка 3, опирающаяся на раму 7, выполнена в виде тележки 25, она может выдвигаться и вдвигаться на колесных парах 25а, 25b в шкаф 2 в указанных направлениях 26. Разъединитель 9 для трехфазного кабеля 1а установлен на шкафу 2 неподвижно. Посредством опорных изоляторов 28 на шкафу 2, а именно на его задней или боковой стенке 8, также неподвижно и жестко закреплена токоведущая шина 27 для подключения двигателя. Такие опорные изоляторы 28 для крепления токопроводов предусмотрены по всему агрегату с ячейками 3.
На фиг.3 в аксонометрии представлен вид сбоку узлов, соответствующих фиг.2, причем здесь снова можно увидеть закрепленный на шкафу 2, т.е. на его задней или боковой стенке 8, разъединитель 9 (с непоказанным валом управления 34 в качестве органа ручного переключения, который проведен сквозь шкаф 2 и выведен наружу) и токоведущую шину 27 для подключения пускаемого трехфазного электродвигателя 1. Разъединитель 9 изображен в разомкнутом положении.
Рама 7, являющаяся несущей конструкцией для самой ячейки 3, исполненная в виде тележки 25 с колесными парами 25а, 25b, посредством контактных соединений 10а может отсоединяться как от токоведущей шины 27, так и от разъединителя 9. Для обслуживания она выдвигается перед шкафом 2, а по окончании обслуживания снова задвигается назад и присоединяется при помощи контактных соединений 10а. Вместо тележки 25 также может быть применено расположенное сбоку параллелограммное рычажное устройство, предназначенное откидывать ячейку 3 из шкафа 2 и убирать ее в шкаф.
Между каждой парой поставленных в ряд тиристоров 16 находятся алюминиевые пластины 17 радиатора. Перед установленными в ряд вдоль вертикальной оси тиристорами 16 предусмотрено электронное управление 29 для тиристоров 16 и блок 30 схемной защиты для тиристоров 16. Эти устройства находятся внутри силового блока 4. Разрядник 14 защиты от перенапряжений относится к ячейке 3. На разъединителе 9 для каждой фазы показан контакт 10 сборной шины. Вариант реализации "С" опять показан с тройным исполнением расположенных рядом аналогичных устройств в виде закрытого с четырех сторон, открытого сверху и снизу кожуха из армированного стекловолокном пластика, который содержит следующие элементы: силовые электронные устройства 5, тиристоры, электронное управление 29 для тиристоров, блок 30 схемной защиты для тиристоров, шунтирующий контактор 6, контактное соединение 10а, главный контактор 18, сдвоенный предохранитель 13, разрядник 14 защиты от перенапряжений, датчик 15 напряжения, (емкостной) индикатор напряжения 11, опорные изоляторы 28 и еще одно контактное соединение 10а.
Контакторы 6, 18 могут быть заменены также силовыми выключателями с сохранением пространственного размещения в силовом блоке 4.
На фиг.4 шкаф 2 изображен со стороны, обращенной в сторону 26 выдвижения. Таким образом, элементы, показанные на фиг.1А - 3, уже показаны и описаны. Однако из фиг.4 становится очевидным, что ячейка 3 в виде тележки 25 имеет незначительную ширину 32, так как благодаря соответствующему размещению всех узлов занимаемое пространство удалось существенно уменьшить. Внутри шкафа 2 на задней стенке 8 находится только закрепленный разъединитель 9 с контактами 10 сборных шин для трех фаз. В пределах ширины 32 ячейки наибольший размер по ширине имеет рама 3а. В пределах рамы в ячейке 3 размещены сдвоенные предохранители 13.
Под предохранителями находится силовой блок 4 (на этом чертеже не показан), а перед предохранителями помещен контактор 6 или шунтирующий контактор 6, 18 в качестве главного контактора (ср. также фиг.1А, 1В и 2). Здесь ячейка 3 выполнена в виде тележки 25, она имеет колесные пары 25а и 25b. Благодаря изобретению известные шкафы 2 могут быть изготовлены с экономией пространства до 50%.
На фиг.5 шкаф 2 изображен снаружи, причем контакты 10 сборных шин системы электропитания выступают вправо. Кроме того, здесь выведен наружу и может управляться снаружи вал 34 для приведения в действие разъединителя 9 (на фиг.3 находится внутри). Таким же образом выведен наружу и вал 35 для заземляющего выключателя 12, который также может приводиться в действие снаружи. Защита от непреднамеренного замыкания разъединителя 9 при помощи диэлектрической пластины 9а (фиг.3) осуществляется за счет того, что пластина 9а проходит через щель 36 и вдвигается между разомкнутыми контактами разъединителя 9. На фиг.3 штрихпунктирной линией обозначен контактный нож 9b в положении замыкания. Область разъединителя 9 образует отсек NS низкого напряжения. Для размещения управления отсек NS герметично отделен стенками из листового металла, т.е. секционирован, от области отсека MS среднего напряжения. Отсек среднего напряжения предназначен для размещения элементов, относящихся к цепи главного тока (ср. фиг.1А, 1В, 3 и 4).
Как показано на фиг.3 и 5, в верхней части отсека MS среднего напряжения за отсеком NS низкого напряжения проходят неподвижно установленные трехфазные сборные шины, соединяющие между собой три ячейки 3. Сборные шины проведены до трехфазного разъединителя 9, неподвижно установленного на задней стенке 3а распределительной ячейки. Под разъединителем 9 на задней стенке 8 шкафа 2 неподвижно смонтирован заземляющий выключатель 12. Заземляющий выключатель 12 имеет механическую блокировку относительно разъединителя 9. Следовательно, заземляющий выключатель 12 может быть включен при помощи рукоятки управления (показана на фиг.3) на валу 34 с передней стороны шкафа 2 только в том случае, если разъединитель 9 выключен (т.е. разомкнут; разъединитель показан в выключенном состоянии). С другой стороны, разъединитель 9 может быть включен только тогда, когда заземляющий выключатель 12 выключен, т.е. разомкнут. Механически блокироваться может также открытие дверцы перед отсеком MS среднего напряжения. В выключенном состоянии разъединителя 9 оператор через щель 36 с передней стороны шкафа 2 вставляет диэлектрическую пластину 9а вглубь ячейки 3 до разомкнутых контактов разъединителя 9. Открыть дверцу отсека MS среднего напряжения оператор может только после размыкания разъединителя 9, замыкания заземляющего выключателя 12 и вставки пластины 9а. Эти механические блокировки исключают неправильные действия оператора. Это состояние обеспечивается благодаря заметному и надежному изоляционному промежутку ведущей к напряжению сборной шины и заземленному положению деталей в отсеке MS среднего напряжения ячейки 3, расположенном под разъединителем 9.
Перечень ссылочных обозначений
1 трехфазный электродвигатель
1a трехфазный кабель питания двигателя
2 распределительный шкаф (стенка шкафа)
3 распределительная ячейка
3а стенка распределительной ячейки
3b задняя стенка для силовых электронных устройств
4 силовой блок
5 силовые электронные устройства
6 шунтирующий контактор
7 рама
8 задняя или боковая стенка распределительного шкафа
9 разъединитель
9а диэлектрическая пластина
9b контактный нож
10 присоединение к сборным шинам
10а контактное соединение
11 (емкостной) индикатор напряжения
12 заземляющий выключатель
13 предохранитель (одиночный или сдвоенный)
14 разрядник защиты от перенапряжений
15 датчик напряжения
16 тиристоры (тиристоры большой мощности)
17 алюминиевый радиатор
18 главный контактор
19
20
21 распределительная ячейка для компенсации реактивного тока
22 конденсатор
23 датчик тока
24 заземляющий болт
25 тележка (с рамой)
25а колесная пара
25b колесная пара
26 направления стрелок
27 токоведущая шина для присоединения двигателя
28 опорный изолятор
29 электронное управление для тиристоров
30 блок схемной защиты тиристоров
31 разъемное резьбовое контактное соединение
32 ширина тележки
33 поперечины
34 вал для разъединителя
35 вал для заземляющего выключателя
36 щель для диэлектрической пластины
NS отсек низкого напряжения
MS отсек среднего напряжения