УСТРОЙСТВО БЕЗУДАРНОГО ПУСКА
SMOOTH START DEVICE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области устройств включения трехфазной нагрузки, и предназначено для безударного пуска и отключения высоковольтных электродвигателей или трансформаторов среднего напряжения 6/10 кВ.
Известны устройства безударного пуска трехфазных электродвигателей («Устройство для ограничения ударных моментов при пуске двигателя переменного тока» SU 221117 A1, опубликовано 01.01.1968; «Способ управления пуском асинхронного электродвигателя погружного насоса» RU 2584817 C1, опубликовано 20.05.2016), содержащие электродвигатель с выводами статорной обмотки А, В, С, однофазные тиристорные коммутаторы переменного тока, шунтирующий контактор и блок управления с входами «Пуск» и «Синхронизация».
Тиристорные коммутаторы подключены между одноименными выводами питающей сети и статорной обмотки электродвигателя А, В, С. Шунтирующий контактор подключен главными цепями параллельно тиристорным коммутаторам. Блок управления содержит маломощные трехфазные трансформаторы, нуль-органы (транзисторы, динисторы) и аппаратные средства или программный терминал для формирования алгоритма первоначального включения двух тиристорных коммутаторов при амплитудном значении линейного напряжения питающей сети и последующего включения третьего тиристорного коммутатора при амплитудном значении фазного напряжения. Данный способ включения статорной обмотки трехфазного электродвигателя к питающей сети обеспечивает полное устранение апериодической составляющей тока в статорной обмотке и, соответственно, ударных составляющих тока и вращающего момента электродвигателя.
Общими недостатками известных устройств являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:
- отсутствием элементов и связей для выполнения алгоритма включения шунтирующего контактора, а также отключения электродвигателя без коммутационных перенапряжений;
- необходимостью использования дополнительных токоограничивающих реакторов для защиты тиристорных коммутаторов при возникновении короткого замыкания в статорной обмотки или отходящем кабеле.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и взятому за прототип является устройство безударного включения трехфазного трансформатора (RU 127270, опубликовано 20.04.2013), содержащее тиристорные коммутаторы переменного тока с цепями управления, соединенные по цепям входа с фазами питающей сети и по цепям выхода с одноименными фазами обмотки трансформатора, систему импульсно-фазового управления, блок задания напряжения размагничивания, блок управления с входами «Пуск», «Синхронизация». В блок управления входят интегрирующий усилитель, нуль-органы, RS-триггеры и логические элементы, соединенные между собой и цепями управления тиристорных коммутаторов. Как правило, в состав устройства входит трехфазный контактор, присоединенный главными цепями параллельно тиристорным коммутаторам, с целью устранения перегрева последних.
Прототип обеспечивает реализацию алгоритма безударного включения трансформатора, аналогичного вышеуказанным устройствам с дополнительной функцией предварительного размагничивания магнитопровода трансформатора. В случае использования данного устройства для пуска трехфазного двигателя или размагниченного трансформатора функциональные элементы - система импульсно-фазового управления, блок задания напряжения размагничивания, интегрирующий усилитель являются избыточными. Размагничивание трехфазного трансформатора может быть выполнено общеизвестным способом с помощью маломощного источника регулируемого напряжения переменного тока.
Технический результат заявляемого устройства - расширение функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что в устройстве безударного пуска, содержащем трехфазный электродвигатель или трансформатор с выводами А, В, С и X, Y, Z в нулевой точке обмотки, тиристорные коммутаторы переменного тока с цепями управления, шунтирующий контактор с цепями управления «Вкл» и «Откл», присоединенный главными цепями параллельно тиристорным коммутаторам, блок управления с входами «Пуск» и «Синхронизация», содержащий нуль-орган, два RS-триггера, логический элемент «2 И» и два логических элемента «2 ИЛИ», введены вход «Стоп», два блок-контакта контактора и три элемента временной задержки. Входы «Пуск» и «Синхронизация» присоединены к входам элемента «2 И», первый непосредственно, а второй через нуль-орган. Выход элемента «2 И» соединен с входом «S» первого RS-триггера, а его выход - с первым входом первого элемента «2 ИЛИ». Выход элемента «2 ИЛИ» соединен с входами управления первого тиристорного коммутатора. Вход «Стоп» соединен с S-входом второго RS-триггера, а его выход - со вторыми входами элементов «2 ИЛИ» и цепью управления контактора «Откл». Блок-контакты контактора присоединены, соответственно, через первый и второй элемент временной задержки к R-входу, первого и второго RS-триггеров. Третий элемент временной задержки по цепи входа присоединен к выходу первого RS-триггера, а по цепи выхода - к первому входу второго элемента «2 ИЛИ» и к цепи управления контактора «Вкл». Выход второго элемента «2 ИЛИ» присоединен к цепям управления второго тиристорного коммутатора. Тиристорные коммутаторы главными цепями присоединены в разрыв нулевой точки обмотки, между выводами, соответственно, X, Y и Y, Z.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что за счет введения в устройство входа «Стоп», блок-контактов контактора, элементов временной задержки и выполнения новых связей реализован четкий алгоритм безударного пуска и рабочего отключения электродвигателя или трансформатора при нулевом значении тока в обмотке с помощью тиристорных коммутаторов без коммутационных перенапряжений. Кроме того, присоединение тиристорных коммутаторов в разрыв нулевой точки обмотки трехфазного двигателя или трансформатора исключает протекание токов короткого замыкания по тиристорным коммутаторам при замыкании на выводах А, В, С обмотки или отходящем кабеле и отпадает необходимость использования токоограничивающих реакторов для защиты тиристорных коммутаторов.
В целом, расширены функциональные возможности применения данного устройства для безударного пуска и отключения трехфазных электродвигателей или трансформаторов.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие процесс отключения трехфазного электродвигателя или трансформатора, где приняты следующие обозначения:
1 - трехфазный электродвигатель или трансформатор с выводами А, В, С и X, Y, Z в нулевой точке обмотки;
2, 3 - тиристорные коммутаторы переменного тока, состоящие из встречно-параллельно включенных тиристоров с защитными RC-цепями;
4 - шунтирующий контактор с цепями управления «Вкл» и «Откл» с механической защелкой;
5 - блок управления с входами «Пуск», «Синхронизация», и «Стоп»;
6 - нуль-орган;
7 - логический элемент «2 И»;
8, 9 - RS-триггеры;
10, 11 - логические элемент «2 ИЛИ»;
12, 13 - блок-контакты контактора 4;
14, 15, 16 - элементы временных задержек на включение;
QF - защитный выключатель;
П
~U - напряжение питающей сети;
СБ
~U - источник постоянного напряжения цепей сброса RS-триггеров.
Устройство безударного пуска содержит электродвигатель или трансформатор поз. 1 с выводами А, В, С и X, Y, Z в нулевой точке обмотки, тиристорные коммутаторы переменного тока с цепями управления поз. 2, 3; шунтирующий контактор поз. 4 с цепями управления «Вкл» и «Откл», присоединенный главными цепями параллельно тиристорным коммутаторам поз. 2, 3, блок управления поз. 5 с входами «Пуск» и «Синхронизация», содержащий нуль-орган поз. 6, два RS-триггера поз. 8, 9, логический элемент «2 И» поз. 7 и два логических элемента «2 ИЛИ» поз. 10, 11, вход «Стоп», два блок-контакта контактора поз. 12, 13 и три элемента временной задержки поз. 14, 15, 16. Входы «Пуск» и «Синхронизация» присоединены к входам элемента «2 И» поз. 7, первый непосредственно, а второй через нуль-орган поз. 6, выход элемента «2 И» поз. 7 соединен с входом «S» первого RS-триггера поз. 8, а его выход - с первым входом первого элемента «2 ИЛИ» поз. 10. Выход элемента «2 ИЛИ» поз. 10 присоединен к цепи управления первого тиристорного коммутатора поз. 2. Вход «Стоп» соединен с S-входом второго RS-триггера поз. 9, а его выход - со вторыми входами элементов «2 ИЛИ» поз. 10, 11 и цепью управления контактора «Откл» поз. 4. Блок-контакты контактора поз. 12, 13 присоединены, соответственно, через первый и второй элемент временной задержки поз. 14, 15 к R-входу, первого и второго RS-триггеров поз. 8, 9. Третий элемент временной задержки поз. 16 по цепи входа присоединен к выходу первого RS-триггера поз. 8, а по цепи выхода - к первому входу второго элемента «2 ИЛИ» поз. 11 и к цепи управления «Вкл» контактора поз. 4. Выход второго элемента «2 ИЛИ» поз. 11 присоединен к цепи управления второго тиристорного коммутатора поз. 3. Тиристорные коммутаторы поз. 2, 3 главными цепями присоединены в разрыв нулевой точки обмотки, между выводами, соответственно, X, Y и Y, Z.
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Для определенности изложения будем считать:
П
- на устройство подано напряжение питающей сети ~U, с помощью защитного выключателя QF;
- на блок управления (5) подано напряжение питания вторичных цепей;
- на вход «Синхронизация» подается напряжение фазы С питающей сети, при указанном в устройстве соединении тиристорных коммутаторов (2, 3), например, с помощью измерительного трансформатора;
AB
- RS-триггеры находятся в состоянии нулевого выходного сигнала. На первый вход логического элемента «2 И» (7) поступают сигналы единичного уровня с выхода нуль-органа (6) в моменты перехода напряжения фазы С через нулевое значение, соответствующего амплитудному значению линейного напряжения U.
3
вкл
Включение трехфазного электродвигателя или трансформатора выполняется путем подачи сигнала единичного уровня на второй вход логического элемента «2 И» по цепи «Пуск». В момент времени перехода напряжения фазы С через нулевое значение на выходе логического элемента «2 И» появляется сигнал единичного уровня, которым первый RS-триггер переключается в единичное состояние по выходу. Единичным сигналом с выхода RS-триггера запускается элемент временной задержки (16) длительностью, равной  периода питающей сети. Одновременно подается управляющий сигнал на включение тиристорного коммутатора (2) через логический элемент «2 ИЛИ» (10). В результате происходит подключение к питающей сети фаз А и В обмотки двигателя или трансформатора при амплитудном значении напряжения на них. Через  периода питающей сети Δt=5 мс появляется сигнал единичного уровня на входе элемента временной задержки (16). Выходным сигналом элемента временной задержки производится включение второго тиристорного коммутатора (3) через логический элемент «2 ИЛИ» (10). Одновременно подается сигнал на включение шунтирующего контактора (4). В результате за два такта выполняется подключение трехфазной обмотки к питающей сети, при котором устраняются броски тока и вращающего момента трехфазного электродвигателя, а при включении трансформатора устраняется насыщение магнитопровода трансформатора, сопровождаемого бросками тока и электродинамическими силами. Включение контактора происходит с задержкой Δt≈(80÷100) мс, обусловленной инерционностью его электромеханического устройства.
При включении контактора происходит шунтирование тиристорных коммутаторов (2, 3). Одновременно по цепи блок-контакта (12) подается сигнал единичного уровня на R-вход RS-триггера (8) через элемент временной задержки (14). По истечении временной задержки, равной времени разновременности включения контактов, происходит переключение RS-триггера (8) в нулевое состояние по выходу и снятие управляющих сигналов с тиристорных коммутаторов и сигнала на включение контактора.
Контактор остается во включенном состоянии за счет механической защелки, тиристоры закрываются, и токи обмотки электродвигателя или трансформатора полностью переходят в главные цепи контактора.
откл
Отключение трехфазного электродвигателя или трансформатора в заявляемом устройстве выполняется подачей сигнала единичного уровня «Стоп» на S-вход второго RS-триггера (9). RS-триггер переключается в единичное состояние по выходу. Этим сигналом производится подача управляющих сигналов включения тиристорных коммутаторов (2, 3) через логические элементы «2 ИЛИ» (10, 11) и одновременно подается сигнал на отключение шунтирующего контактора. Тиристорные коммутаторы открываются практически мгновенно, а контактор отключается с задержкой Δt(40÷60) мс. При отключении контактора токи из главных цепей контактора «переходят» в безиндуктивные цепи открытых тиристорных коммутаторов. Одновременно по цепи блок-контакта (13) подается сигнал единичного уровня на R-вход RS-триггера (9) через элемент временной задержки (15). По истечении временной задержки, равной времени разновременности включения контактов, происходит переключение RS-триггера (9) в нулевое состояние по выходу и снятие управляющих сигналов с тиристорных коммутаторов. В момент перехода тока через нулевое значение в одной из фаз А или С происходит закрывание тиристорного коммутатора (2) или (3). Через  периода питающей сети происходит переход тока через нулевое значение в фазах АВ или ВС и закрывание второго тиристорного коммутатора. Таким образом, в два этапа происходит выключение трехфазного электродвигателя или трансформатора при нулевом значении тока в фазах обмотки и, соответственно, без коммутационных перенапряжений.
Следует отметить, что процесс отключения в трехфазной цепи с помощью электромеханических выключателей и контакторов всегда происходит с максимальным значением тока в одной или двух фазах и сопровождается дуговым процессом рассеяния электромагнитной энергии, запасенной в индуктивностях нагрузки и питающей сети с высоким уровнем перенапряжений в коммутируемой цепи.
В заявленном устройстве реализовано:
- безударное двухтактное включение трехфазного электродвигателя или трансформатора с выполнением четкого алгоритма включения шунтирующего контактора;
- отключение электродвигателя или трансформатора за два этапа при нулевом значении тока в фазах без коммутационных перенапряжений с помощью тиристорных коммутаторов;
- устранение протекания аварийных токов через тиристорные коммутаторы при коротком замыкании на выводах А, В, С обмотки или отходящем кабеле, за счет подключения последних в разрыв нулевой точки, между выводами X, Y и Y, Z.
Таким образом, в предлагаемом изобретении по сравнению с прототипом, за счет введения дополнительного входа «Стоп», двух блок-контактов контактора, трех элементов временной задержки и выполнения новых связей, достигается технический результат - расширение функциональных возможностей.
Устройство безударного пуска типоисполнения ШПТУ-Д(Т)-ХХ-ХХХУХЛ4 прошло испытание и готовится к выпуску.