Автотрансформатор Korndörfer - Korndörfer autotransformer starter - Wikipedia

Стартер Korndorfer с двигателем (M), автотрансформатором (AT) и тремя переключателями (1, 2, 3)

В электротехника, то Корндорфер стартер это метод, используемый для пониженного напряжения мягкий пуск из асинхронные двигатели. В схеме используется трехфазный автотрансформатор и три трехфазных переключателя. Этот метод запуска двигателя был обновлен и усовершенствован Hilton Raymond Bacon.^[1]

Операция

Стартер Корндорфер можно использовать вручную. Более новые устройства обеспечивают полностью автоматический режим работы, в котором дополнительно будут: трехполюсная линия. контактор (переключатель), пусковой контактор, рабочий контактор, трехполюсная перегрузка реле, автотрансформатор с набором переключающих звеньев, подходящий таймер, и Начните и остановка нажмите на кнопки.^[2]

Если все переключатели разомкнуты, двигатель полностью отключается от трехфазной сети.

Для запуска мотора. сначала переключатели 1 и 2 закрыты. 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 переключите 2 открывается, и на мгновение двигатель получает еще более низкое напряжение, потому что обмотки автотрансформатора действуют как индукторы, соединенные последовательно с двигателем. Этого времени мало - достаточно, чтобы отключить выключатель. 1 и включите переключатель 3, который подключает к двигателю полное напряжение. Начинается дальнейшее увеличение скорости, и двигатель достигает своей полной номинальной скорости.

На этом «плавный пуск» завершен, и двигатель может работать с полной нагрузкой. Автотрансформатор больше не требуется и обесточивается размыканием переключателя. 1 . Электродвигатель питается напрямую от трехфазной сети. Чтобы остановить двигатель, включите 3 открыт.

Преимущества

Стартер Корндорфер значительно ограничивает Пусковой ток. Он используется для больших двигателей, у которых запуск путем прямого подключения к сети невозможен. Для больших двигателей также пускатель звезда-треугольник нельзя использовать, 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. высокое напряжение импульсы, 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

Пониженное напряжение автотрансформаторный пускатель или же Корндорфер стартер^[4] был изобретен в 1908 году Максом Корндёрфером из Берлин. Он подал заявку в Патентное ведомство США в мае 1908 года и получил патент на 1 096 922 долларов США в мае 1914 года. Макс Корндёрфер передал свой патент компании General Electric.

An Индукционный двигатель потребляет очень высокий пусковой ток во время разгона до полной номинальной скорости, обычно в 6-10 раз превышающий ток полной нагрузки. Сниженный пусковой ток желателен, если электрическая сеть не обладает достаточной пропускной способностью или где приводимая нагрузка не может выдерживать высокий пусковой момент. Одним из основных методов снижения пускового тока является использование автотрансформатора пониженного напряжения с ответвлениями на 50%, 65% и 80% от приложенного сетевого напряжения; как только двигатель запускается, автотрансформатор отключается от 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 способ 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: -

Выключатель Star замкнут
Переключатель пуска замкнут для подачи питания на автотрансформатор.
Двигатель подключается к выбранному отводу пониженного напряжения на автотрансформаторе и начинает вращаться и ускоряться.
По истечении заданного периода времени переключатель звезды 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 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 пониженного напряжения на 50%, 65% и 80% в зависимости от Национальная ассоциация производителей электрооборудования рекомендации.

Фазовые обмотки обычно намотаны 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.

Рисунок 4. 3 Узел катушки

На Рисунке 4 показан улучшенный автотрансформатор пускателя двигателя мощностью 1000 кВт и 11000 В с

Осевые вентиляторы охлаждения,
Змеевики с литой изоляцией,
Множество обмоток, обеспечивающих соединение в качестве центрального коммутационного аппарата,
9 соединений отводов пускового напряжения, допускающие отклонения пускового момента на ± 5% относительно рекомендованных NEMA значений отводов при 50%, 65% и 80%. Это позволяет точно согласовать выбор пускового момента двигателя с требованиями приводимой нагрузки. Выбор осуществляется посредством соединительных звеньев между секциями обмотки.

Таблица 2 - Пусковой момент / ток при 9 соединениях 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 запуска 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 линейном 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] Статья доктора С.Е.А. в IEEE. Эмам и Pro.Dr.A.H. Амер из инженерно-консультационного центра Университета Айн-Шамс сообщает о некоторых исследованиях, проведенных для нефтяной компании в отношении двигателя мощностью 5400 кВт, без четкой причины отказа. В своей статье они сообщили, что Siemens был вызван в качестве консультанта, и их решение состояло в том, чтобы установить R-C-ограничители / ограничители перенапряжения, аналогичные тем, которые используются при отказе других стартеров двигателя на насосной станции Венесуэлы.^[6] Статья в Wärtsilä В техническом журнале «01.2009» сообщается, что пускатели четырех двигателей и автотрансформаторов мощностью 2900 кВт на многоцелевом буровом судне, работающем на нефтяных месторождениях, до 2008 г. неоднократно выходили из строя. Производители трансформаторов, производитель распределительного устройства и европейская проектная организация не смогли указать четкую причину отказов. В 2008 году все шесть пускателей автотрансформатора мощностью 3000 кВт были заменены на регулируемые электронные приводы.^[7]

Схема управления «разомкнутым переходом» отключает двигатель от источника питания, что приводит к замедлению двигателя и его рассинхронизации с фазой питания. После повторного подключения механические и электрические переходные процессы могут повредить двигатель или его трансмиссию.^[8]

Даже при «замкнутом переходе» при разъединении контактов переключателя «звезда» возникает переходный процесс. Переходный процесс имеет очень короткую продолжительность, менее 5 микросекунд, и возникает, когда ток двигателя от вторичной обмотки автотрансформатора вынуждается к линейному напряжению. Это очень быстрое событие, являющееся источником разрушительных переходных процессов напряжения, которые вызвали серьезные поломки крупных пускателей среднего и высокого напряжения> 1000 кВт.

Рисунок 5

Майкл Фарадей DCL, FRS, в 1831 году опубликовал статью о своем открытии электромагнитной индукции, которая представляет собой скорость изменения магнитного потока с катушкой, индуцирующей напряжение в этой катушке, амплитуда индуцированного напряжения пропорциональна скорости потоковых связей. с катушкой. При нормальной работе повышающий автотрансформатор имел бы магнитопроводы на частоте питания; в случае очень быстрого dv / dt в момент разъединения 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 с переходными процессами заключается в том, что в 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. Неконтролируемое время 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 должно 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 одинаковой 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 2 обмотками имеет только две обмотки, которые необходимо переключить при переходе. На рисунке 11 показаны кривые тока двигателя для автотрансформатора с 2 обмотками. 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 квадранте фазы. 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 переключатель замыкается до подачи питания на двигатель,
Нет обрыва тока двигателя, только передача тока,
Синхронизированное контролируемое размыкание центрального переключателя.
Синхронизируется посредством 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 замыкания. Он может обеспечить плавное, точное и мгновенное переключение, необходимое для срабатывания точки переключения под углом 30 градусов.

Требуется метод обнаружения перехода тока через нуль, чтобы обеспечить измерение времени для управляемого переключения. Трансформатор тока в напряжение используется для точного запуска такого сигнала синхронизации для управляемого размыкания переключателя.

Необходимо тщательно выбирать электромеханический центральный переключатель, так как он имеет 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 ноль может быть получено с помощью 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.

Управляемое 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 внешнего змеевика 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 сетевое напряжение.

General Electric инженеры ^[9]^[10] пытались улучшить методы Корндёрфера, но ни один из предложенных методов не увенчался успехом.