Сглаживающий реактор для устройства плавного пуска электродвигателя

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к электрическим реакторам и трансформаторам и может быть использована в устройствах плавного пуска электродвигателей мощных механизмов. Технический результат заявляемого решения - значительное снижение трудоемкости и себестоимости изготовления и расхода основных материалов: электротехнической стали, провода сетевых обмоток и изоляционных материалов, а также 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, цилиндры с сетевыми обмотками, стяжки. Стержни выполнены цельными и установлены на определенном расстоянии, обеспечивающим требуемую индуктивность реактора, по их торцам установлены плиты из немагнитного материала с рамами, соединенные с помощью стяжек по их продольным сторонам, образуя единую конструкцию реактора, а между стержнями и рамами установлены электрические проводники. Сечение провода сетевых обмоток определяется допустимой температурой нагрева провода и выполнен из материала с высокой теплоемкостью. 4 з.п. и 1 н.п. ф-лы.

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к электрическим реакторам и трансформаторам и может быть использована в устройствах плавного пуска электродвигателей мощных механизмов.

Известен однофазный реактор типа СРОС-160/6 (Каталог продукции ОАО ХК «Электрозавод», г.Москва, 2000 г.), содержащий 2-х стержневую магнитную систему с двумя ярмами, сетевые обмотки намотанные на изоляционные цилиндры и расположенные на стержнях, изготовленных из холоднокатаной электротехнической стали с рассредоточенным немагнитным зазором в виде набора изоляционных прокладок между вставками стержней.

Реактор также содержит верхние и нижние балки, стяжки, выполненные из черного металла, необходимые для опрессовки ярем со стержнями, а также два комплекта деталей для опрессовки сетевых обмоток на стержнях.

Реактор имеет следующие недостатки:

- большую трудоемкость при изготовлении и сборке магнитопровода из-за того, что стержни состоят из большого числа ферромагнитных вставок и изоляционных прокладок между ними. Ярма состоят из большого числа пластин различной длины, что требует их центровки при сборке реактора;

- насыщение магнитной системы и резкое снижение его индуктивности при работе в пусковых режимах с током до 1,5 раз выше номинального. Значительные колебания динамической индуктивности реактора в этом режиме приводят к снижению устойчивости работы устройства плавного пуска и снижению надежности пуска механизмов;

- большой расход электротехнической стали в магнитопроводе, обусловленный наличием двух ярем, вес которых составляет около 60% веса всей стали магнитопровода;

- большой расход меди в сетевых обмотках, вызванный тем, что сечение обмоточного провода выбрано из условия длительной работы реактора. При работе реактора в кратковременном режиме в составе пускового устройства сечение провода может быть значительно уменьшено.

Известен однофазный реактор стержневого типа, содержащий 2-х стержневую магнитную систему с двумя ярмами (Патент RU 50042 U1 с приоритетом от 2005.07.19), который принят за прототип заявляемой полезной модели. Магнитная система реактора выполнена из тонколистовой холоднокатаной анизотропной электротехнической стали с электроизоляционным термостойким покрытием с рассредоточенным немагнитным зазором в виде набора изоляционных прокладок между вставками стержней и стыковой сборкой стержней с ярмами, с помощью вертикальных стяжек, установленных между прессовочными балками ярем, стяжки и балки изготовлены из немагнитного материала, на стержнях установлены две одинаковые обмотки, причем каждая обмотка намотана через промежуточные рейки на изоляционный цилиндр, который фиксируется на стержнях при помощи изоляционных распорных профилей.

Величина индуктивности прототипа определяется по формуле:

µ - магнитная проницаемость стали стержней магнитной системы;

µ₀ - магнитная проницаемость воздуха (немагнитного зазора);

W-число витков сетевых обмоток;

Q- площадь сечения стержня (магнитопровода);

l - длина немагнитного зазора (суммируется толщина прокладок между вставками стержней).

Недостатками прототипа являются:

- большая трудоемкость изготовления и большой расход тонколистовой электротехнической стали, обусловленные наличием в реакторе двух ярем и тем, что стержни состоят из большого числа ферромагнитных вставок, изготовленных по трудоемкой технологии;

- большой расход меди и изоляционных материалов в сетевых обмотках;

- насыщение магнитной системы реактора и снижение его индуктивности при работе в устройстве плавного пуска электродвигателя с токами до 1,5 раз выше номинального значения, что приводит к снижению устойчивости работы устройства плавного пуска.

Технический результат заявляемого решения - значительное снижение трудоемкости и себестоимости изготовления и расхода основных материалов: электротехнической стали, провода сетевых обмоток и изоляционных материалов, а также снижение насыщения магнитной системы при пусковых токах величиной до 1,5 раз выше номинального значения.

Достигается технический результат тем, что в Сглаживающий реактор для устройства плавного пуска электродвигателя, содержащий двухстержневую магнитную систему, выполненную из тонколистовой холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, сетевые обмотки, намотанные на изоляционные цилиндры, стяжки, по торцам стержней расположены плиты из немагнитного материала с рамами, соединенные с помощью стяжек, образуя единую конструкцию реактора, а между стержнями и рамами установлены электрические проводники, причем стержни магнитной системы выполнены цельными, а их высота расстояние между ними задаются требуемой индуктивностью реактора, причем сечение провода сетевых обмоток выбрано из условия допустимого нагрева за время пуска, а сам провод выполнен из материала с высокой теплоемкостью, по крайней мере, из алюминия. Электрические проводники выполнены, по крайней мере, из металлической полосы.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что по сравнению с прототипом достигнуты высокие технико-экономические показатели за счет исключения из конструкции: двух ярем из тонколистовой холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, 4-х прессовочных балок ярем, 1012 немагнитных прокладок между вставками стержней, 12 вставок стержней. Так как немагнитный зазор вынесен из стержней наружу, а диаметр сетевых 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.

Заявляемое решение поясняется чертежами, где на фиг. изображена конструкция сглаживающего реактора, где приняты следующие обозначения:

стержни - 1;

сетевые обмотки - 2;

изоляционные цилиндры - 3;

плиты - 4;

рамы - 5;

стяжки - 6;

электрические проводники - 7

Реактор содержит 2-х стержневую магнитную систему, стержни 1 которой выполнены цельными, сетевые обмотки 2, намотанные на изоляционные цилиндры 3, плиты 4 из немагнитного материала, например, из стеклотекстолита, рамы 5, которые при помощи стальных стяжек 6 скрепляют плиты 4 и стержни 1 магнитной системы в единую конструкцию. Изоляционные цилиндры 3 выступают из сетевых обмоток 2 на необходимое расстояние, обеспечивающее их электрическую изоляцию от стальных стержней 1, которые установлены друг от друга на заданном расстоянии и соединены по торцу электрическими проводники 7 в виде металлических лент с рамами 5. Изоляционные цилиндры 3 по внутреннему диаметру центрируются относительно продольных осей стержней 1 изоляционными распорными профилями. Рамы 5 выполнены, по крайней мере, из металлического уголка и вместе с плитами 4 и стяжками 6 скрепляют стержни 1 магнитной системы, обеспечивая прочность конструкции реактора. Электрические проводники 7 служат для соединения металлических элементов реактора с целью отекания емкостных токов на землю.

Реактор своими обмотками включен между выходами выпрямителя и входами инвертора, выходы которого подключены к обмоткам электродвигателя. В процессе пуска выпрямитель плавно увеличивает напряжение на своих выходах, а инвертор плавно увеличивает величину напряжения и частоту на электродвигателе, разгоняя его до номинальной скорости. Затем включается выключатель и выключаются выпрямитель и инвертор. Реактор снижает (сглаживает) пульсации пускового тока электродвигателя, а также ограничивает ток при коротком замыкании в устройстве плавного пуска или в электродвигателе.

Заявляемое техническое решение при использовании в устройстве плавного пуска позволит снизить себестоимость реактора. Так как время пуска электродвигателя на номинальную скорость обычно не превышает 60 секунд, потери мощности и нагрев в металлических частях реактора невелики, поэтому возможно изготовление стяжек, рам и других крепежных деталей из дешевого черного металла. Применение рам, выполненных из небольшого уголка, позволило повысить прочность конструкции, значительно уменьшить толщину плит и их стоимость, а использование провода с высокой теплоемкостью сделало возможным дополнительно уменьшить сечение провода.

Согласно общепринятым требованиям на практике устройство плавного пуска должно осуществлять поочередный плавный запуск трех электродвигателей (или три попытки запуска на один электродвигатель) общей продолжительностью 60 секунд с паузами между пусками 5 минут.

При выборе минимального сечения провода сетевых обмоток не достаточно учитывать только нагрев провода пусковым током (1,5 кратным), необходимо также учитывать: увеличение удельного электрического сопротивления в процессе нагрева провода, нагрев провода аварийным током (например, при пробое вентилей инвертора) за время действия защиты установленной на входе выпрямителя (обычно не более 0,5 секунды). Величина аварийного тока может быть в 4-8 раз выше пускового тока и зависит от остаточной индуктивности реактора (индуктивность при насыщении магнитной системы). Выбор сечения провода должен производится также с учетом динамических усилий действующих между витками обмотки и между обмотками при протекании аварийного тока.

Таким образом расчет оптимального сечения провода является сложной задачей, поэтому расчеты велись методом имитационного моделирования с использованием программы Elcut5.5.

Индуктивность реактора имеет сложную зависимость: зависит не только от магнитной проницаемости стали стержней магнитной системы, числа витков сетевых обмоток, площади сечения стержня, но и еще от высоты стержней и расстояния между ними, а также от высоты и толщины обмоток. Поэтому выбор оптимальных параметров реактора с целью получения требуемой индуктивности в рабочем режиме, также максимальной остаточной индуктивности в аварийном режиме производился одновременно с расчетом сечения провода обмоток с использованием программы Elcut5.5.

Изготовлено два опытных образца реактора, которые успешно прошли испытания. Планируется начать серийный выпуск в ближайшее время. В ходе разработки и изготовления удалось уменьшить, по сравнению с прототипом и аналогом, расход электротехнической стали в 23 раза, расход провода сетевых обмоток и изоляционных материалов в 25 раз, трудоемкость примерно в 2 раза.

Следует заметить, что хотя реакторы рассчитаны на работу в кратковременном режиме возможно их использование в длительном режиме со снижением тока в 3-4 раза.

1. Сглаживающий реактор для устройства плавного пуска электродвигателя, содержащий двухстержневую магнитную систему, выполненную из тонколистовой холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, сетевые обмотки, намотанные на изоляционные цилиндры, стяжки, отличающийся тем, что по торцам стержней расположены плиты из немагнитного материала с рамами, соединенные с помощью стяжек, образуя единую конструкцию реактора, между стержнями и рамами установлены электрические проводники, причем стержни магнитной системы выполнены цельными, а их высота и расстояние между ними задаются требуемой индуктивностью реактора.

2. Сглаживающий реактор по п.1, отличающийся тем, что сечение провода сетевых обмоток выбрано из условия допустимого нагрева за время пуска.

3. Сглаживающий реактор по п.1, отличающийся тем, что провод сетевых обмоток выполнен из материала с высокой теплоемкостью, по крайней мере, из алюминия.

4. Сглаживающий реактор по п.1, отличающийся тем, что электрические проводники выполнены, по крайней мере, из металлической полосы.