В области электротехники , то стартер Korndorfer является методом , используемым для уменьшения напряжения плавного пуска от асинхронных двигателей . В схеме используется трехфазный автотрансформатор и три трехфазных переключателя. Этот метод запуска двигателя был обновлен и улучшен Hilton Raymond Bacon. [1]
Операция
Стартер Корндорфер можно использовать вручную. Новые устройства обеспечивают полностью автоматическую работу, которая, кроме того, будет иметь: трехполюсный линейный контактор (переключатель), пусковой контактор, рабочий контактор, три однополюсных реле перегрузки , автотрансформатор с заданными переключающими звеньями, подходящий таймер и пуск. и кнопки остановки . [2]
Если все переключатели разомкнуты, двигатель полностью отключается от трехфазной сети.
Для запуска мотора. сначала замыкаются переключатели 1 и 2 . Это подает на двигатель более низкое напряжение от автотрансформатора. Более низкое напряжение ограничивает входной ток изначально неподвижного двигателя, который ускоряется. Также снижен крутящий момент мотора.
Двигатель продолжает увеличивать свою скорость до тех пор, пока крутящий момент двигателя и крутящий момент нагрузки не уравновесят друг друга и не будет достигнута постоянная скорость. На этом этапе переключатель 2 размыкается, и на мгновение на двигатель подается еще более низкое напряжение, поскольку обмотки автотрансформатора действуют как индукторы, соединенные последовательно с двигателем. Этого времени мало - его достаточно, чтобы отключить переключатель 1 и включить переключатель 3 , который подает полное напряжение на двигатель. Начинается дальнейшее увеличение скорости, и двигатель достигает своей полной номинальной скорости.
На этом «плавный пуск» закончен, и двигатель может работать с полной нагрузкой. Автотрансформатор больше не требуется, и он отключается при размыкании переключателя 1 . Электродвигатель питается напрямую от трехфазной сети. Чтобы остановить двигатель, выключатель 3 разомкнут.
Преимущества
Пускатель Korndorfer значительно ограничивает пусковой ток . Он используется для больших двигателей, в которых запуск путем прямого подключения к сети невозможен. Для больших двигателей также нельзя использовать пускатель со звезды на треугольник , особенно если они запускаются со значительной нагрузкой.
Схема имеет преимущество перед запуском с обычным автотрансформатором, который в какой-то момент должен быть полностью отключен во время запуска, вызывая импульсы высокого напряжения , которые могут повредить электрическую изоляцию статора.
Наиболее эффективное соотношение автотрансформатора составляет 65-80%. [3]
Недостатки
Схема довольно сложная и включает относительно дорогой автотрансформатор. Из-за физических размеров всего устройства может оказаться невозможным добавить стартер Korndorfer к существующей машине, если места недостаточно.
История
Пускатель автотрансформатора пониженного напряжения или пускатель Корндорфера [4] был изобретен в 1908 году Максом Корндёрфером из Берлина . Он подал заявку в Патентное бюро США в мае 1908 года и получил патент на 1 096 922 долларов США в мае 1914 года. Макс Корндорфер передал свой патент компании General Electric.
Асинхронный двигатель потребляет очень высокий пусковой ток во время его разгона до полной номинальной скорости, как правило , от 6 до 10 раз полного тока нагрузки. Сниженный пусковой ток желателен, если электрическая сеть не обладает достаточной пропускной способностью или где приводимая нагрузка не может выдерживать высокий пусковой крутящий момент. Одним из основных методов уменьшения пускового тока является использование автотрансформатора пониженного напряжения с ответвлениями на 50%, 65% и 80% от приложенного линейного напряжения; как только двигатель запускается, автотрансформатор выключается из цепи.
Описание патента Корндёрфера 1 096 922
Макс Корндорфер заявил о четырех методах использования автотрансформатора для запуска двигателя при пониженном напряжении. Три из этих методов не используются в промышленности, и это четвертый метод запуска, который используется более ста лет.
Четвертый метод заключается в замкнутом переключателе звезды, и по мере ускорения двигателя выполняется переключение с пониженного напряжения на автотрансформаторе на прямое включение.
Начальная последовательность: -
- Переключатель Star замкнут
- Переключатель пуска замкнут, чтобы запитать автотрансформатор.
- Двигатель подключается к выбранному отводу пониженного напряжения на автотрансформаторе и начинает вращаться и ускоряться.
- По истечении заданного периода времени переключатель Star откроется.
- После задержки в миллисекундах переключатель работы замкнется, подключив к двигателю полное линейное напряжение.
- После этого выключатель пуска разомкнется, и двигатель будет работать на рабочей скорости.
С 1920 года автотрансформаторный пускатель является самым популярным устройством для снижения броска пускового тока асинхронных двигателей; он обеспечивает максимальный пусковой момент при минимальном линейном токе.
Таблица 1 - Пусковой момент / ток с 3 отводами пониженного напряжения
Напряжение | 50% кран | 65% кран | 80% кран |
Крутящий момент | 25% | 42% | 64% |
Текущий | 50% | 65% | 80% |
Производители предлагают свои автотрансформаторы пониженного напряжения в двух конфигурациях, с конструкцией с двумя катушками или с конструкцией с тремя катушками, рис. 2 и 3.
Каждое устройство имеет отводы с пониженным напряжением на 50%, 65% и 80% в соответствии с рекомендациями Национальной ассоциации производителей электрооборудования .
Фазовые катушки обычно наматываются в виде единой катушки, при этом секция обмотки от 0 до 50% скрыта под обмотками от 50 до 100% в единой тепловой массе, как показано на рисунках 2 и 3
На рисунке 4 показан улучшенный автотрансформатор стартера двигателя мощностью 1000 кВт, 11000 В и
- Осевые вентиляторы охлаждения,
- Змеевики с литой изоляцией,
- Множество обмоток, обеспечивающих соединение в качестве центрального коммутационного аппарата,
- 9 соединений отводов пускового напряжения, позволяющие изменять пусковой момент на ± 5% относительно рекомендованных NEMA значений отводов при 50%, 65% и 80%. Это позволяет точно согласовать выбор пускового момента двигателя с требованиями к приводимой нагрузке. Выбор осуществляется посредством соединительных звеньев между секциями обмотки.
Таблица 2 - Пусковой крутящий момент / ток с 9 подключениями пониженного напряжения
Напряжение | 45% | 50% | 55% | 60% | 65% | 70% | 75% | 80% | 85% |
Крутящий момент | 20% | 25% | 30% | 36% | 42% | 49% | 56% | 64% | 72% |
Текущий | 45% | 50% | 55% | 60% | 65% | 70% | 75% | 80% | 85% |
Тепловыделение первой пусковой ступени максимизируется за счет того, что обмотка физически отделена от обмоток второй пусковой ступени до полного линейного напряжения.
Использование и стили
Устройство для пуска двигателя с автотрансформатором относительно просто по сравнению с твердотельными частотно-регулируемыми приводами. Поскольку он не содержит каких-либо устройств силовой электроники, выходной сигнал представляет собой синусоидальную волну без дополнительных гармонических искажений или сигналов переключения. Никаких специальных ограничений по экранированию или длине кабеля не создается. Требования к охлаждению аналогичны требованиям трансформатора или распределительного устройства. Пускатель пониженного напряжения обеспечивает максимальный крутящий момент при минимальном сетевом токе.
Пускатели среднего напряжения
Низковольтный (<600 В) пускатель двигателя Korndörfer - проверенная на протяжении многих лет рабочая лошадка. Однако пускатели двигателей большого / среднего напряжения сообщают о случайных отказах автотрансформатора. [5] В статье IEEE, подготовленной доктором СЕА Эмамом и профессором доктора Амером из Инженерно-консультационного центра Университета Айн-Шамс, сообщается о некоторых исследованиях, проведенных нефтяной компанией в отношении двигателя мощностью 5400 кВт, без четкой причины отказа. В своей статье они сообщили, что компания Siemens была вызвана в качестве консультанта, и их решение заключалось в установке RC-ограничителей / ограничителей перенапряжения, аналогичных тем, которые используются при отказе других пускателей двигателя на насосной станции Венесуэлы. [6] В статье в техническом журнале Wärtsilä от 01.2009 сообщается, что четыре двигателя автотрансформатора подруливающих устройств мощностью 2900 кВт в Q4000 многоцелевого бурового судна терпели неоднократные отказы автотрансформатора до 2008 года. Производители трансформаторов, производитель распределительного устройства и европейская проектная организация не могли предоставить явная причина неудач. В 2008 году все шесть пускателей автотрансформатора мощностью 3000 кВт были заменены на электронные приводы с регулируемой частотой вращения [7].
Схема управления с «открытым переходом» отключает двигатель от источника питания, что приводит к замедлению двигателя и рассинхронизации с фазой питания. После повторного подключения механические и электрические переходные процессы могут повредить двигатель или его трансмиссию. [8]
Даже при «закрытом переходе» при разъединении контактов переключателя «звезда» возникает переходный процесс. Переходный процесс имеет очень короткую длительность, менее 5 микросекунд, и возникает, когда ток двигателя от вторичной обмотки автотрансформатора вынуждается к линейному напряжению. Это очень быстрое событие, которое является источником разрушительных переходных процессов напряжения, которые вызвали серьезные поломки крупных пускателей среднего и высокого напряжения> 1000 кВт.
Майкл Фарадей DCL, FRS, в 1831 году опубликовал статью об открытии электромагнитной индукции, которая представляет собой временную скорость изменения магнитного потока с катушкой, индуцирующей напряжение в этой катушке, амплитуда индуцированного напряжения пропорциональна скорости флюсовые связи с катушкой. При нормальной работе повышающий автотрансформатор имел бы магнитопроводы на частоте питания; в случае очень быстрого dv / dt в момент размыкания контактов напряжение, индуцированное в резервных обмотках первой пусковой ступени, будет чрезвычайно большим. Этот основной принцип объясняет источник разрушительного переходного напряжения в пускорегулирующем аппарате двигателя Korndörfer.
Еще одна проблема переходных процессов заключается в том, что при конструкции с одной катушкой и переключателем звезды автотрансформатор действует как повышающий трансформатор в течение периода <5 микросекунд при разделении контактов переключателя точки звезды. Когда двигатель подключен к отводу напряжения 80%, переходный процесс будет увеличиваться в соотношении 5: 1.
Пускатель двигателя с автотрансформатором Korndörfer с низким напряжением <600 В также подвержен аналогичному переходному процессу напряжения с быстрорастущим фронтом волны, однако более низкое рабочее напряжение и современные изоляционные материалы могут быть фактором, способствующим его долговечности.
Чтобы снизить риск любого скачка напряжения, желательно заменить схему пускателя двигателя Korndörfer автотрансформатором, который имеет схему центрального переключателя, которая отключает резервные обмотки первой пусковой ступени от цепи на переходе, тем самым предотвращая любой повышающий трансформатор. подключение и повышение напряжения.
Основная причина деструктивных переходных процессов в пускателях Korndörfer - это случайное переключение переключения тока двигателя. Неконтролируемая синхронизация переключения позволяет переключать пиковый ток двигателя в любой точке волны. На рисунке 5 показано переключение под углом 90 градусов. Это наихудший сценарий, пиковый ток при переключении создает очень сильные и быстрые переходные процессы. Цепь центрального переключателя предотвращает повышение напряжения, как обсуждалось выше. Поэтому желательно контролировать точку на волне, в которой нужно переключаться, идеальная точка - это когда ток двигателя достигает самого низкого значения во всех активных обмотках автотрансформатора.
Трехкатушечный автотрансформатор требует трехполюсного переключателя для управления трехфазными напряжениями, анализ рисунка 9 показывает три синусоидальные волны, смещенные с интервалами в 120 градусов. Похоже, что в цикле нет реальной точки, в которой все три фазы можно было бы переключать одновременно при любой равной низкой силе тока двигателя, не прибегая к сложным методам переключения в шахматном порядке.
(Слева) Рисунок 9. Синусоидальные кривые трехфазной мощности (Справа) Рисунок 10. Схема с тремя катушками
(Слева) Рисунок 11. 2-катушки 2-фазные синусоидальные кривые (справа) Рис. 12. Схема 2-катушек
Автотрансформатор с двумя катушками имеет только две обмотки, которые необходимо переключать при переходе. На рисунке 11 показаны кривые тока двигателя для автотрансформатора с двумя катушками. Линия 2 не переключается. Эта топология подходит для управляемого переключения.
Анализ синусоидальных кривых показывает, что при 30 градусах и 210 градусах токи обоих двигателей имеют одинаковое значение и находятся в одном и том же фазовом квадранте. Следовательно, поток магнитного сердечника в первом плече трансформатора такой же, как поток магнитного сердечника в третьем плече, центральное плечо не имеет обмоток, и его магнитный поток не представляет интереса. При 30 градусах амплитуда токов двигателя, подаваемых автотрансформатором, составляет только половину пикового тока двигателя, который возникает при 90 градусах (синус 30 ° = 0,5), см. Рисунок 8.
Таким образом, центральный переключатель предотвращает любое подключение повышающего автотрансформатора и представляет собой практическое средство управления переходным процессом переключения на более низкое значение, чем переключатель, подключенный звездой.
Важными моментами для управляемого центрального переключения являются:
- Центральный выключатель замыкается до подачи питания на двигатель,
- Нет обрыва тока двигателя, только передача тока,
- Синхронизированное контролируемое размыкание центрального переключателя.
- Синхронизируется с помощью перехода через ноль кривой тока двигателя.
Центральный переключатель может быть электромеханическим переключателем или электронным устройством, использующим IGBT, EMT или другие подобные твердотельные устройства.
Электронному центральному переключателю нужно только разомкнуть свою цепь, заставляя ток двигателя передаваться на 80% обмотки без размыкания и замкнутого переходного действия. Он может обеспечивать плавное, точное и мгновенное переключение, необходимое для срабатывания точки переключения под углом 30 градусов.
Требуется метод обнаружения перехода тока через нуль для обеспечения измерения времени для управляемого переключения. Преобразователь тока в напряжение используется для точного запуска такого сигнала синхронизации для управляемого размыкания переключателя.
Необходимо тщательно выбирать электромеханический центральный переключатель, так как ему присуще время срабатывания как на открытие, так и на закрытие. Он должен иметь механизм накопления энергии и пусковой соленоид, управляемый постоянным током, для управляемого командного сигнала открытия. Обнаружение перехода тока двигателя через нуль может быть получено от схемы измерения напряжения трансформатора тока / резистора, а не перехода напряжения. Использование электромеханических контакторов не рекомендуется для центрального переключателя, поскольку скорость размыкания их переключателей зависит от напряжения, приложенного к удерживающей катушке. Во время запуска двигателя падение напряжения в сети будет колебаться, и магнитный поток в удерживающем устройстве также будет изменяться, вызывая отклонения во времени открытия.
Контролируемое переключение для уменьшения скачков тока двигателя
Изменение пускового тока двигателя от ступени пониженного напряжения может быть минимизировано переключением при переходе на вторую ступень пуска первичного реактора. В своем патенте Макс Корндорфер показывает метод внешней катушки реактора, «чтобы сделать градацию напряжения между ступенями» перед переключением на прямое включение.
Метод с внешней реакторной катушкой для второй ступени пуска имеет свои достоинства, поскольку напряжение на двигателе является функцией тока двигателя, снимаемого с линии. Можно видеть, что во время второй стадии с последовательным реактором, что во время ускорения напряжение двигателя будет расти, а линейный ток падает. Это соотношение приводит к увеличению энергии ускорения до более высокой скорости двигателя и меньшим помехам при переключении на полное линейное напряжение.
Инженеры General Electric [9] [10] пытались улучшить методы Корндорфера, но ни один из предложенных методов не увенчался успехом.
Рекомендации
- ^ http://logixsys-int.com/index.php?id=1 Архивировано 26 апреля 2012 г. на странице Wayback Machine Bacon с подробной информацией
- ^ Механизм управления асинхронным двигателем Alstom
- ^ Алан Л. Шелдрейк, Справочник по электротехнике: для практиков в нефтегазовой и нефтехимической промышленности, John Wiley & Sons , ISBN 0-471-49631-6 , стр. 128
- ^ Оригинальный патент, поданный в 1908 году Максом Корндёрфером http://www.google.com/patents?id=0UdtAAAAEBAJ&zoom=4&dq=max%20korndorfer&pg=PA2#v=onepage&q=max%20korndorfer&f=false
- ^ Документ IEEE FARR, LAWRENCE B. и др. «Отказы стартера пониженного автотрансформатора среднего напряжения - объяснение необъяснимого». Документ PID-04-26, представленный на конференции IEEE по целлюлозно-бумажной промышленности 2004 г., Ванкувер, Британская Колумбия. , Канада, 27 июня - 1 июля, идентифицирует схему автотрансформатора Корндёрфера предшествующего уровня техники как источник скачков напряжения с быстрым временем нарастания во время случайного перехода от первой ступени пуска.
- ^ Emam, SEA; Amer, AH; Габер, М. (2008). «Меры защиты от переходных перенапряжений при пуске двигателей автотрансформаторами». 2008 12-я Международная конференция по энергетическим системам Ближнего Востока . С. 503–510. DOI : 10.1109 / MEPCON.2008.4562397 . ISBN 978-1-4244-1933-3.
- ^ http://marine.wartsila.com/ss/S satellite? blobcol = urldata&blobheadername1 = Content- Type& blobheadername2 = Content- Disposition& blobheadervalue1 = application% 2Fpdf& blobheadervalue2 = attachment%3bsgrade = browser- docs& bloblobheadervalue2 = attachment%3bsgrade = browser = blobloblobloblob = 1278586544438 & ssbinary = true
- ^ Документ IEEE Gill, John, D. «Передача моторных нагрузок между источниками вне фазы» IPSD 78-60, представленный на Ежегодном собрании Общества промышленных приложений 1978 года, Торонто, Онтарио, Канада, 1–5 октября, предоставляет доказательства на опасность использования «переключения разомкнутой цепи» в пускателе двигателя с автотрансформатором пониженного напряжения. https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=4503676
- ^ LC Hardesty Patent № 1840 093 http://www.google.com/patents?id=McloAAAAEBAJ&printsec=frontcover&dq=1840093&hl=en&ei=K5GaTtHfEoGkiAeGlvSrAg&sa=X&oi=book_result&w=Aresult&um=result
- ^ WE Paul Patent № 1561017 http://www.google.com/patents?id=43lLAAAAEBAJ&printsec=frontcover&dq=1,561,017&hl=en&ei=-JGaTuWoA6S1iQfVqvmrAg&sa=X&oi=book_result&uult=Art=Art&sult=Art&hl=en