Сглаживающий реактoр для уcтрoйcтва плавнoгo пуcка электрoдвигателя
Автoр: Ушакoв Игoрь Иванoвич
Изoбретение oтнocитcя к oблаcти электрoтехники, в чаcтнocти к электричеcким реактoрам и транcфoрматoрам , и мoжет быть иcпoльзовано в уcтройcтвах плавного пуcка электродвигателей мощных механизмов. Техничеcким результатом являетcя значительное cнижение трудоемкоcти, cебеcтоимости изготовления и расхода основных материалов: электротехнической стали, провода сетевых обмоток и изоляционных материалов, снижение насыщения магнитной системы при пусковых токах величиной до 1,5 раз выше номинального значения. Сглаживающий реактор для устройства плавного пуска электродвигателя содержит двухстержневую магнитную систему, выполненную из тонколистовой холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, изоляционные цилиндры, сетевые обмотки, элементы фиксации, выполненные в виде плит из немагнитного материала, установленные по торцам стержней, выполненных цельными. Расстояние между стержнями, их высота задаются требуемой индуктивностью реактора. Сечение провода сетевых обмоток выбрано из условия его допустимого нагрева за время пуска электродвигателя. Провод сетевой обмотки выполнен из материала с высокой теплоемкостью, по крайней мере, из алюминия. На одном из изоляционных цилиндров расположено две сетевые обмотки. 3 ил.
Известен сглаживающий реактор (Номенклатурный каталог на 2000 г. ОАО Холдинговая Компания «Электрозавод», г.Москва) типа РСС-2000/10, содержащий медную обмотку, размещенную на сердечнике, выполненном в виде стержня из электротехнической стали. Между сетевой обмоткой и сердечником установлены клинья, выполненные из изоляционного материала, жестко фиксирующие обмотку на стержне в поперечном сечении. По торцам сердечника установлены опоры с элементами прессовки, жестко фиксирующими обмотку в продольном направлении. Указанный реактор широко применяется в устройствах плавного пуска мощных синхронных электродвигателей напряжением 6-10 кВ, например серии УБПВД-С. Реактор имеет большой воздушный зазор и мало снижает индуктивность при токах, в 1,5-2 раза превышающих номинальное значение, что хорошо для устройств УБПВД-С.
Недостатками данного реактора являются большой расход провода сетевых обмоток, электротехнической стали, изоляционных и других материалов, обуславливающих высокую стоимость реактора.
Эти недостатки обусловлены следующими обстоятельствами:
Как известно, индуктивность реактора прямо пропорциональна сечению сердечника, также квадрату количества витков сетевой обмотки и обратно пропорциональна величине воздушного немагнитного зазора в сердечнике. А так как стержень один, то воздушный зазор получается большим. Это приводит к необходимости значительно увеличивать сечение стержня или число витков сетевой обмотки. В результате значительно возрастает длина провода, расходуемого на сетевую обмотку. Также значительно возрастает и расход изоляционных материалов в сетевой обмотке, в том числе на организацию воздушных охлаждающих каналов в сетевой обмотке.
Сетевая обмотка реактора предназначена для длительных режимов работы реактора и при работе в кратковременном режиме (до 20-60 секунд) она нагревается незначительно. Это обуславливает очень неэффективное использование меди сетевой обмотки.
Известен сглаживающий реактор серии СРОС-160/6 (Номенклатурный каталог на 2000 г., ОАО Холдинговая Компания «Электрозавод», г.Москва), содержащий магнитную систему, выполненную из 2-х стержней и 2-х ярем, изготовленных из тонколистовой холоднокатаной анизотропной электротехнической стали. Стержни выполнены с рассредоточенным немагнитным зазором в виде изоляционных прокладок между вставками стержней магнитной системы. На стержни установлены две одинаковые катушки, выполненные из медного провода. Катушки подключаются к шинам присоединения сети последовательно или параллельно. Этот реактор имеет небольшой немагнитный зазор, что позволяет получить необходимую индуктивность при значительно меньшем расходе электротехнической стали и провода сетевых обмоток.
Индуктивность реактора при последовательном соединении сетевых обмоток определяется по формуле:
где µ - магнитная проницаемость стали стержней;
µ0 - магнитная проницаемость воздуха (немагнитного зазора);
w - число витков сетевых обмоток;
Q - сечение стержня;
l - длина воздушного (немагнитного) зазора в стержнях.
К недостаткам реактора относятся:
- большой расход провода сетевых обмоток и электротехнической стали. Большой расход электротехнической стали обусловлен наличием двух ярем, вес которых составляет около 60% веса всей стали. Большой расход меди для провода сетевых обмоток вызван тем, что сечение провода сетевых обмоток выбрано из условия длительной работы реактора. При работе реактора в составе пусковых устройств провод сетевой обмотки реактора не успевает существенно нагреваться, что свидетельствует об избыточности его сечения;
- сложность технологии изготовления и сборки магнитопровода, обусловленная тем, что стержни состоят из большого числа ферромагнитных вставок и немагнитных зазоров;
- повышенный шум из-за электромагнитных сил, действующих на вставки;
- насыщение магнитной системы реактора в пусковых режимах с током выше номинального.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому реактору, принятому за прототип, является сглаживающий реактор (Патент RU
50042 U1 с приоритетом от 2005.07.19). Реактор содержит двухстержневую магнитную систему, выполненную из тонколистовой холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, элементы фиксации в виде ярем со стяжками, изоляционные цилиндры, сетевые обмотки. Стержни выполнены с рассредоточенным немагнитным зазором, а стяжки и прессовочные балки ярем изготовлены из немагнитных материалов.
За счет того, что стяжки и балки реактора выполнены из немагнитного материала (из нержавеющей стали) значительно снижены их нагрев и шумовые характеристики реактора.
Недостатками прототипа являются:
- сложность технологии изготовления и сборки стержней с распределенным немагнитным зазором, обусловленной поочередной склейкой пластин вставок стержней в спецприспособлении и полимеризацией клея в печи при высокой температуре, необходимость изготовления двух ярем и их точная стыковка и опрессовка со стержнями;
- большой расход электротехнической стали, обусловленный использованием в конструкции реактора двух ярем;
- повышенный расход провода сетевых обмоток из-за большого его сечения;
- насыщение магнитной системы и снижение индуктивности реактора при его работе в устройстве плавного пуска электродвигателя с токами до 1,5 раз выше номинального значения.
В указанном режиме (на резко падающем участке зависимости индуктивности реактора от тока) из-за пульсаций тока возникают значительные колебания динамической индуктивности реактора, приводящие к снижению устойчивости работы устройства плавного пуска и к снижению надежности запуска мощных механизмов.
Технический результат заявляемого изобретения - значительное снижение трудоемкости изготовления и расхода основных материалов, а именно: электротехнической стали, провода сетевых обмоток, изоляционных материалов, а также снижение колебаний динамической индуктивности реактора за счет уменьшения насыщения магнитной системы при пусковых токах до 1,5 раз выше номинального значения.
Достигается технический результат тем, что в сглаживающем реакторе для устройства плавного пуска электродвигателя, содержащем двухстержневую магнитную систему, выполненную из тонколистовой холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, элементы фиксации со стяжками, изоляционные цилиндры, сетевые обмотки, причем стержни магнитной системы выполнены цельными, а расстояние между ними и высота задаются требуемой индуктивностью реактора, элементы фиксации выполнены в виде плит из немагнитного материала и установлены, по крайней мере, по торцам стержней магнитной системы, образуя единую конструкцию реактора. Сечение провода сетевых обмоток выбрано из условия его допустимого нагрева за время пуска электродвигателя. Провод сетевой обмотки выполнен из материала с высокой теплоемкостью, по крайней мере, из алюминия. На одном из изоляционных цилиндров расположены две сетевые обмотки.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что, по сравнению с прототипом, достигнуты высокие технико-экономические показатели за счет упрощения конструкции реактора, снижения материалоемкости, а также затрат на изготовление.
Так как немагнитный зазор вынесен за пределы стержней наружу, а диаметр обмоток существенно уменьшился из-за снижения сечения провода, появилась возможность установить стержни близко друг от друга и получить требуемую индуктивность при значительном упрощении конструкции реактора.
Приняты следующие обозначения:
- стержни - 1;
- сетевые обмотки - 2;
- изоляционные цилиндры - 3;
- плиты - 4;
- стяжки - 5;
- распорные профили - 6;
- сглаживающий реактор - 7;
- управляемый выпрямитель - 8;
- инвертор - 9;
- обмотки электродвигателя - 10;
- выключатель - 11.
Реактор содержит двухстержневую магнитную систему, стержни 1 выполнены цельными, на которые установлены сетевые обмотки 2, намотанные на изоляционные цилиндры 3, плиты 4 (элементы фиксации со стяжками), изготовленные из немагнитного материала (например, стеклотекстолита), установленные на торцах стержней 1 магнитной системы. Стержни 1 с плитами 4 закреплены по двум продольным сторонам стальными стяжками 5, образуя единую конструкцию реактора. Изоляционные цилиндры 3 выступают из обмоток 2 на необходимое расстояние, обеспечивая их электрическую изоляцию от стальных стержней 1.
Изоляционные цилиндры 3 по внутреннему диаметру центрируются относительно продольных осей стержней 1 с помощью изоляционных распорных профилей 6.
На одном из изоляционных цилиндров 3 может быть расположено по две сетевые обмотки 2.
В предложенной конструкции реактора упрощается технология изготовления стержней реактора, снижается расход материалов и себестоимость реактора в целом.
Учитывая короткое время работы реактора в пусковом режиме, потери мощности и нагрев в стяжках 5 незначительны.
Сглаживающий реактор 7 включен в цепь постоянного тока между управляемым выпрямителем 8 и инвертором 9, выходы которого подключены к обмоткам электродвигателя 10. В процессе пуска выпрямитель 8 плавно увеличивает напряжение на своих выходах, реактор 7 сглаживает пульсации тока, величина которого равна 1,5 номинального значения, инвертор 9 плавно увеличивает частоту и величину напряжения на электродвигателе 10, разгоняя его до номинальной скорости. Затем включается выключатель 11 и подключает электродвигатель 10 напрямую к питающей сети. Устройство плавного пуска выключается.
Время плавного пуска электродвигателя обычно не превышает 20 секунд. Согласно техническим условиям на устройства плавного пуска и установившейся практике предусматривается возможность запуска трех электродвигателей от одного устройства с паузами между пусками 5 минут. Провод сетевой обмотки реактора должен выдерживать не только нагрев пусковым током за 60 секунд с паузами по 5 минут, но и дополнительный нагрев током короткого замыкания в устройстве плавного пуска в течение времени срабатывания защиты, установленной на входе устройства. Обычно время срабатывания защиты не превышает 0,5 секунды, а величина аварийного тока в 5-10 раз превышает номинальное значение. Конкретное значение аварийного тока из указанного диапазона определяется в основном остаточной индуктивностью реактора, которая определяется в свою очередь как количеством витков обмоток, так и размерами обмоток и расстоянием между ними.
Таким образом, минимальное сечение провода сетевой обмотки зависит от целого ряда факторов: от нагрева провода за время пуска и охлаждения во время пауз, от нагрева провода аварийным током устройства, от изменения удельного сопротивления провода из-за его нагрева.
Кроме того, сечение провода должно обладать необходимой механической прочностью при действии на него динамических усилий как внутри сетевой обмотки, так и между обмотками. Это обстоятельство особенно важно для реакторов с уменьшенным сечением провода (следует заметить, что в реакторах, работающих в длительном режиме, сечение провода в несколько раз выше, чем в нашем случае, поэтому проверка провода на динамическую устойчивость сетевой обмотки при аварийных токах носит вспомогательный характер).
Таким образом, выбор оптимального сечения провода с учетом вышеуказанных обстоятельств является сложной и многокритериальной задачей, которая решалась с помощью имитационного моделирования тепловых, электромагнитных и электродинамических процессов с использованием программы Elcut 5.5.
Выбор оптимальных параметров реактора для получения требуемой индуктивности также является непростой задачей, так как индуктивность реактора зависит не только от числа витков в обмотках и сечения стержней, как в вышеуказанных реакторах, но и от высоты стержней и расстояния между ними. Расстояние между стержнями и их высота зависят, в свою очередь, от способа намотки обмоток - количества витков в слое и числа слоев.
Таким образом, выбор оптимальных параметров реактора с целью получения требуемой индуктивности выполняется одновременно с выбором оптимального сечения провода с использованием программы Elcut 5.5.
В сравнении с прототипом исключение из конструкции реактора двух ярем и рассредоточенного немагнитного зазора позволило значительно снизить трудоемкость изготовления и расход электротехнической стали. Оптимизация сечения провода обмотки в соответствии с параметрами режима пуска электродвигателя позволила значительно уменьшить расход провода.
Выбор материала провода с высокой теплоемкостью (с высокими аккумулирующими свойствами тепла) позволяет дополнительно снизить сечение провода.
За счет уменьшения сечения провода удалось снизить диаметр сетевых обмоток и расстояние между стержнями, а за счет оптимального выбора витков обмоток и установки стержней на необходимом расстоянии - получить требуемую индуктивность при 1,5-кратных пусковых токах электродвигателя.
Изготовлено два опытных образца реактора, подтвердивших возможность уменьшения расхода материалов: электротехнической стали в 2-3 раза, провода и изоляционных материалов в 2-5 раз, а также трудоемкости в 2-3 раза по сравнению с указанным прототипом и аналогами.
Разработанный реактор может быть использован и в длительном режиме работы при снижении величины тока в 3-4 раза.
Заявляемый реактор успешно прошел испытания и в ближайшее время планируется его серийный выпуск.
