Шкаф распределительный с тороидными ферромагнитными многослойными катушками экономии электроэнергии в трехфазной системе распределения электроэнергии промышленных предприятий

Шкаф распределительный с тороидными ферромагнитными многослойными катушками экономии электроэнергии в трехфазной системе распределения электроэнергии промышленных предприятий при вводе трех групп тороидных ферромагнитных многослойных катушек (ТФМК) через выключатель трехполюсной с автоматическим возвратом в трехфазную цепь якорных обмоток статора электродвигателя Полезная модель направлена на уменьшение потребляемых токов из сети трехфазной системы распределения электроэнергии, что приводит к уменьшению потерь на нагрев в цепи статора электродвигателя, экономии электроэнергии в трехфазной системе распределения электроэнергии. Указанный технический результат достигается за счет получения суммарной, результирующей намагничивающей (магнитодвижущей МДС) силы путем ввода трех групп тороидных ферромагнитных многослойных катушек (ТФМК), соединенных между собой в каждой группе последовательно, подключенных через выключатель трехполюсной с автоматическим возвратом, к фазам «А», «В», «С» якорных обмоток статора электродвигателя

Шкаф распределительный с тороидными ферромагнитными многослойными катушками экономии электроэнергии в трехфазной системе распределения электроэнергии промышленных предприятий шкаф относится к области электротехники, а именно к трехфазной системе распределения электроэнергии питающих асинхронные электродвигатели (в дальнейшем электродвигатели) и может быть использовано промышленными предприятиями с целью снижения величины потребляемого из трехфазной сети тока. Уменьшение величины потребляемого из трехфазной сети тока достигается за счет последовательного ввода в трехфазную цепь якорных обмоток статора электродвигателей тороидных ферромагнитных многослойных катушек, ТФМК, собранных тремя группами в отдельном шкафу распределительном, ШР.. каждая группа тороидных ферромагнитных многослойных катушек ТФМК, через выключатель трехполюсной с автоматическим возвратом (Автомат типа ВА57Ф35), смонтированного в этом же шкафу распределительном, первая, вторая третья группы подключаются к фазам «А», «В» «С» якорных обмоток статора электродвигателя.

Аналоги данного электротехнического устройства: Шкаф распределительный с тороидными ферромагнитными многослойными катушками экономии электроэнергии в трехфазной системе распределения электроэнергии промышленных предприятий заявителю не известны

Тороидная ферромагнитная многослойная катушка, ТФМК, (фиг.-1) сконструирована в виде тороидного магнитопровода прямоугольного сечения из ферромагнитного материала 1., (тороидная геометрическая форма) с внутренним радиусом R ₁ и внешним радиусом R₂, с расстоянием между внутренним R₁ и внешним R₂ радиусами h. Тороидный магнитопровод прямоугольного сечения выполнен из ферромагнитного материала, тонкого листа железа, шириной от 40 до 100 мм, выбираемая в зависимости от мощности электродвигателя. Внутренний радиус R₁ и внешний радиус R₂ выбираются в зависимости от сечения медного обмоточного провода, сечение провода выбирается в зависимости от мощности электродвигателя. Медная многослойная изолированной обмотка 2 выполнена обмоточным проводом с термостойкой изоляцией типа ПСДКТ-С.

Ферромагнетиками, из которого сконструирован магнитопровод тороидной геометрической формы, прямоугольного сечения, называются твердые вещества обладающие самопроизвольной намагниченностью. Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов: железа, кобальта, никеля. Ферромагнетики являются сильными магнитными средами, относительная магнитная проницаемость м ферромагнетиков очень велика:

м=(10 ³-10⁶). (см. Б.Яворской, А.Детлаф, Физика 2004 г, стр.328, 329)

Намагничивающая сила (магнитодвижущая сила МДС) тороидной ферромагнитной многослойной катушки Fтфмк=Iтфмк Wтфмк=HLcp (Б.Яворской, А.Детлаф, Физика 2004 г, стр.333), (Г. Герасимов, электротехнический справочник 1985 г, стр.137)

Iтфмк - Ток в обмотке ТФМК

Wтфмк - число витков ТФМК

Н - напряженность магнитного поля

Lcp - средняя длина линий магнитного поля

Увеличение относительной магнитной проницаемости м обуславливает увеличение магнитной индукции В, увеличение магнитной индукции В, обуславливает увеличение напряженности магнитного поля Н, увеличение напряженности магнитного поля Н, обуславливает увеличение намагничивающей силы (магнитодвижущей силы МДС) тороидной ферромагнитной многослойной катушки.

Обязательное условие: Магнитопровод должен быть выполнен в виде тороидной геометрической формы из ферромагнитного материала.

Технический решение - Шкаф распределительный в котором собраны три группы тороидных ферромагнитных многослойных катушек, ТФМК. При подключении первых концов каждой группы ТФМК к сети переменного тока, первая группа к фазе «А», вторая группа к фаз «В», третья группа к фазе «С», конструкция ТФМК обуславливает появление намагничивающей (магнитодвижущей МДС) силы ТФМК на каждой фазе. Вторые концы ТФМК последовательно подключаются через выключатель трехполюсной с автоматическим возвратом, смонтированного в том же шкафу распределительном, к фазам «А», «В»,, «С», якорной обмотки электродвигателя (фиг.2) первая группа к фазе «А», вторая группа к фазе «В», третья группа к фазе «С» якорных обмоток статора электродвигателя. Тороидные ферромагнитные многослойные катушки, ТФМК, обуславливают появление намагничивающей (магнитодвижущей МДС) силы тороидных ферромагнитных многослойных катушек, ТФМК,.в каждой группе: первая группа - фаза «А», вторая группа - фаза «В», третья группа - фаза «С». Намагничивающая сила (магнитодвижущая сила МДС) каждой группы тороидных ферромагаитных многослойных катушек, ТФМК, складываясь с намагничивающей силой (магнитодвижущей силой МДС) якорных обмоток поля статора электродвигателя, приводит к получению суммарной, результирующей намагничивающей силы (МДС)

Технический результат- уменьшение величины потребляемых из трехфазной сети токов

Указанный технический результат при осуществлении полезной моденли можно понять из краткого анализа работы асинхронного электродвигателя (см. Ю.М.Мурзин, Ю.И.Волков - «Электротехника», 2007 г., с.272, 273, 274, 275, рис.17,3.): На неподвижной части асинхронного эл. двигателя размещается трехфазная якорная обмотка. Подключение трехфазных якорных обмоток статора к трехфазной сети синусоидального напряжения U₁ приводит к появлению тока статора I₁ , обусловливающего появление намагничивающей (магнитодвижущей МДС) силы статора F₁, равная произведению: F₁ =I₁K₁W₁m₁ и соответствующего магнитного потока статора.

K₁ - обмоточный коэффициент статора.

W₁ - число витков статора.

m₁ - число фаз статора.

Подвижная часть электродвигателя: ротор имеет замкнутую обмотку. Вращающееся магнитное поле статора пересекает витки ротора и наводит в них электродвижущую силу ротора ЭДС Е ₂, что приводит к появлению тока ротора I₂, обусловливающего появлению намагничивающей силы ротора F ₂. F₂=I₂К₂W₂ m₂ и соответствующего магнитного потока ротора, где

К₂ - обмоточный коэффициент ротора.

W₂ - число витков ротора

m₂ - число фаз ротора.

Постоянная намагничивающих сил: Fm=F₁+(-F₂)=I₁K₁ W₁m₁-I₂K₂W₂ m₂=I₀K₁W₁m₁ постоянна при различных токах в цепи ротора. Это постоянство обеспечивается соответствующим изменением потребляемого из сети тока I₁.

I₀ - ток холостого хода эл. двигателя.

Поток ротора направлен встречно потоку статора, то есть стремится его размагнитить. Увеличение нагрузки на валу ротора приводит к увеличению частоты токов ротора f₂, что в свою очередь увеличивает ЭДС Е₂ ротора. Увеличение ЭДС Е₂ ротора приводит к увеличению тока ротора I₂. Увеличение тока ротора I₂ приводит к увеличению намагничивающей силы поля ротора F ₂., что увеличивает размагничивающее действие поля статора Постоянная Fm намагничивающих сил (F₁+(-F₂ ) при увеличении размагничивающего действия поля ротора F ₂, обеспечивается увеличением потребляемого из сети тока I₁.

Сущность полезной модели поясняет фиг.2, представляющую собой однолинейную эквивалентную схему с вынесенным намагничивающим контуром электродвигателя: через тороидные ферромагнитные многослойные катушки, ТФМК, собранных тремя группами, в отдельном шкафу распределительном шкафу ШР. При подключении первых концов ТФМК к сети переменного тока: первая группа к фазе «А», вторая группа к фазе «В», третья группа к фазе «С», конструкция ТФМК обуславливает появление намагничивающей (магнитодвижущей МДС) силы ТФМК. Вторые концы ТФМК через выключатель трехполюсной с автоматическим возвратом типа ВА57 последовательно подключаются к якорным обмоткам статора электродвигателя: первая группа ТФМК к фазе «А», вторая группа ТФМК к фезе «В», третья группа ТФМК к фазе «С» якорных обмоток статора электродвигателя:

Rтфмк - активное сопротивление ТФМК

Xтфмк - реактивное сопротивление ТФМК

ВА57 - выключатель трехполюсной с автоматическим возвратом

R₀ - активное сопротивление статора холостого хода эл. двигателя

Х₀ - реактивное сопротивление статора холостого хода эл. двигателя

R₁ - активное сопротивление статора при номинальной нагрузке эл. двигателя

X₁ - реактивное сопротивление статора при номинальной нагрузке эл. двигателя

- приведенное активное сопротивление ротора

- приведенное реактивное сопротивление ротора

- активное сопротивление нагрузки

U ₁ - напряжение на вводе

s - скольжение

Для уменьшения потерь на нагрев тороидных ферромагнитных многослойных катушек, ТФМК, собранных тремя группами, соединенных между собой последовательно в каждой группе, собранных в отдельно стоящем шкафу распределительном, подключенных черех выключатель трехполюсной типа ВА57 в трехфазную цепь якорных обмоток статора асинхронного электродвигателя, в каждую группу вводят несколько троидных ферромагнитных многослойных катушек, ТФМК - N

Активное сопротивление Rтфмк=R_1тфмк+R_2тфмк +R_Nтфмк

Реактивное сопротивление Хтфмк=X_1тфмк+Х_2тфмк+X_Nтфмк

При вводе трех групп тороидных ферромагнитных многослойных катушек, ТФМК, через выключатель трехполюсной с автоматическим возвратом, собранных в отдельно стоящем шкафу распределительном в трехфазную цепь якорных обмоток статора электродвигателя (фиг.3), постоянная намагничивающих сил Fm равна:

Fm=I₁WтфмкКтфмкm ₁+I₁W₁K₁m₁-I ₂W₂K₂m₂=I₀W ₁K₁m₁

I₁ - номинальный ток на вводе

Wтфмк - число витков ТФМК

Ктфмк - обмоточный коэффициент ТФМК

K₁ - обмоточный коэффициент статора

m₁ - число фаз статора

W₁ - число витков статора

I₂ - ток ротора

W₂ - Число витков ротора

К₂ - обмоточный коэффициент ротора

m₂ - число витков ротора

I₀ - ток холостого хода

E₁ - ЭДС статора

Е₂ - ЭДС ротора

Фm - суммарный магнитный поток: Фm=Ф₁-Ф₂=const (постоянный)

Ф₁ - магнитный поток статора; Ф₂ - магнитный поток ротора

U₁ - напряжение на вводе

Работа электродвигателя, якорные обмотки статора которого подключены к трем группам тороидных ферромагнитных многослойных катушек, ТФМК, через выключатель трехполюсной, собранных в отдельно стоящем шкафу распределительном ШР, фаза «А» к первой группе ТФМК, фаза «В» ко второй группе ТФМК, фаза «С» к третьей группе ТФМК, осуществляется следующим образом:

При включении в сеть шкафа распределительного с тороидными ферромагнитными многослойными катушками, ШР с ТФМК, через разъединитель с предохранителями, входящий в комплект шкафа распределительного, появляется намагничивающая сила (магнитодвижущая сила МДС) Fтфмк=I₁Wтфмк К m1 в каждой группе тородных ферромагнитных многослойных катушек, первая группа - фаза «А», вторая группа - фаза «В», третья группа фаза «С», которая складываясь с намагничивающей силой (магнитодвижущей силой МДС) поля статора F₁=I₁W₁ K₁m₁ дает суммарную, результирующую намагничивающую (МДС) силу: Fтфмк+F₁=I₁WтфмкКтфмк m ₁+I₁W₁K₁m₁ что обуславливает уменьшение потребляемого из сети тока I ₁

Уменьшение потребляемого из сети тока I₁ приводит к:

1.Уменьшению потерь на нагрев в цепи статора асинхронного электродвигателя:

, где:

Р - потери на нагрев

I₁ - потребляемый из сети ток (ток статора)

R - активное сопротивление якорных обмоток статора

2.Экономии электроэнергии в трехфазной системе распределения энергии промышленных предприятий.

При вводе трех групп тороидных ферромагнитных многослойных катушек, соединенных последовательно между собой в каждой группе, подключенных через выключатель трехполюсной с автоматическим возвратом, собранных в отдельно стоящем шкафу распределительном ШР в трехфазную цепь якорных обмоток статора электродвигателя, параметры цепи ротора:

Электродвижущая сила (ЭДС) вращающегося ротора Е ₂=4,44K₂f₂W₂Фm, где

К₂ - обмоточный коэффициент ротора

F₂ - частота ротора

W ₂ - число витков ротора

Фm - максимальный поток, охватывающий как обмотки ротора, так и обмотки статора

Ток ротора I₂=Е₂\R₂ +Х₂, где

R₂ - активное сопротивление цепи ротора

Х₂ - реактивное сопротивление цепи ротора

не меняются, а следовательно не меняется мощность S асинхроноого электродвигателя

(см. Ю.М.Мурзин, Ю.И.Волков, Электротехника 2007 г., стр.275)

где:

E₁ - Электродвижущая сила (ЭДС) статора электродвигателя

I₁ - Ток статора электродвигателя

m₁ - число фаз статора

m₂ - число фаз ротора

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость»

Шкаф распределительный с тороидными ферромагнитными многослойными катушками экономии электроэнергии в трехфазной системе распределения электроэнергии промышленных предприятий достигается за счет последовательного ввода тороидных ферромагнитных многослойных катушек (ТФМК) в якорные обмотки асинхронных электродвигателей, что приводит к появлению намагничивающей магнитодвижущей силы (МДС) ТФМК, складываясь с намагничивающей магнитодвижущей силой (МДС) поля статора электродвигателя, приводит к получению суммарной, результирующей намагничивающей силы (МДС), что обуславливает уменьшение величины потребляемых из трехфазной сети токов, экономии электроэнергии в трехфазной системе распределения электроэнергии промышленных предприятий.