Сильноточные синхронизированные аппараты для тяжелых режимов работы

Характерным для электрификации промышленных предприятий является непрерывный рост мощности промышленных установок, приводящий к повышению номинальных токов и токов аварийных режимов. Напряженный режим работы технологического оборудования влечет за собой высокую частоту коммутаций аппаратов управления. В последние годы потребовались аппараты на очень большие номинальные токи, измеряемые тысячами ампер, способные длительно и с большой частотой коммутировать цепи с токами, достигающими десятки тысяч ампер. Например, мощные стыкосварочные машины выполняют в сутки более 4000 сварок, при этом коммутационный аппарат управления выполняет такое же количество отключений тока короткого замыкания величиной до 3 кА, частота отключений составляет около 360 в час, Дри испытаниях проходческого комплекса «Союз 19» [1] выявлен режим в ремонтные смены при замене деталей и узлов режущего органа, когда аппарат с частотой 3000 циклов ВО в час коммутировал цепь с током 1500 А при напряжении 1300 В. В настоящее время разработаны сварочные машины мощностью 5000 кВА, для которых требуется коммутационный аппарат, способный в продолжение длительного срока эксплуатации отключать ток 20 кА при напряжении 540 В с частотой коммутаций до четырех в час. В указанных режимах аппараты с традиционными способами дугогашения в довольно короткий срок вырабатывают свой ресурс, что приводит к повышенному расходу цветных и драгоценных металлов, частым профилактическим осмотрам коммутационной аппаратуры, значительному увеличению остановок оборудования для ремонта и замены контактно-дугогасительных систем. Основным недостатком электрических аппаратов с традиционными способами дугогашения является образование и длительное существование дуги при отключении цепи с током, что обуславливает износ контактно-дугогасительных устройств, выделение окислов азота, которые при соединении с водой образуют азотную и азотистую кислоты, являющиеся сильными окислителями. Действие азотной и азотистой кислот, оседание на изоляторах копоти и окиси меди вызывают ускоренную коррозию деталей и разрушают изоляцию. Это заставляет искать пути дальнейшего совершенствования электрических аппаратов. За последние годы советскими и зарубежными специалистами разработаны эффективные дугогасительные системы, значительно уменьшающие отрицательное воздействие дуги на детали аппарата, Найдены композиции металлов и технология изготовления, существенно повышающие способность контактов противостоять термическому воздействию дуги. Однако, этим лишь частично решены вопросы повышения надежности и износостойкости электрических аппаратов, так как основной источник разрушающего действия электрическая дугане устранен. Высокой коммутационной износостойкостью обладают бесконтактные аппараты, построенные на основе управляемых полупроводниковых приборов или магнитных усилителей. Такие аппараты обладают очень высоким быстродействием, а частота срабатываний достигает ICr-IO в час. Однако в сильноточных цепях бесконтактные аппараты не получили широкого распространения из-за высокой стоимости и больших габаритов. Контактные аппараты по ряду показателей, таких как глубина коммутации, тепловые потери и нагрев при токах нагрузки, способность выдерживать токовые перегрузки, устойчивость к перенапряжениям, значительно превосходят бесконтактные. Поэтому при разработке новых систем и принципов коммутации тока желательно использовать преимущества контактных аппаратов для передачи тока нагрузки и преимущества бесконтактных аппаратов для резкого снижения энергии дуги отключения. Одними из таких аппаратов являются синхронные аппараты, которые для отключения цепи используют естественный переход тока через нуль. Для этого в синхронных аппаратах применяют специальные устройства, обычно достаточно сложные и дорогие, следящие за фазой тока нагрузки и подающие управляющий сигнал на привод отключения с небольшим упреждением нуля тока. При достаточно малом времени упреждения удается в десятки и даже сотни раз снизить энергию дуги отключения. И все же синхронные аппараты не получили широкого распространения. Основным сдерживающим фактором является требование высокой стабильности характеристик и быстродействия отключающего устройства. Незначительные отклонения характеристик могут привести к отказу в отключении тока и повреждению аппарата. Поэтому нужна высокая точность изготовления деталей, высокая культура обслуживания, частые профилактические ремонты. Все большее распространение в последнее время получают так называемые гибридные или комбинированные аппараты. У этих аппаратов для передачи тока нагрузки применяется обычная контактная система, а функция дугогашения возложена на силовые полупроводниковые приборы. В комбинированных аппаратах значительно уменьшено время дуги отключения и, как следствие, существенно повы1лвна коммутационная износостойкость. Обладая преимуществами контактных и бесконтактных аппаратов, комбинированные аппараты имеют наибольшую эффективность при управлении сильноточными электрическими установками, работающими в режиме частых отключений. По принципу действия комбинированные аппараты могут быть с несинхронным размыканием контактов, с шунтированием контактов управляемыми полупроводниковыми приборами, с синхронизированным размыканием контактов в бестоковую паузу. Комбинированные аппараты с несинхронным размыканием контактов допускают существование дуги отключения длительностью до одного полупериода тока, поэтому коммутация больших токов приводит к довольно быстрому износу контактов. Шунтирование контактов управляемыми полупроводниковыми приборами принципиально дает возможность ограничить время дуги отключения джтельностью перетекания тока в шунтирующую цепь. Соответствующим выбором параметров главной и шунтирующей цепей время перетекания тока можно свести к минимуму и получить практически беадуговую коммутацию. Однако аппараты с управляемыми полупроводниковыми приборами имеют сложные схемы управления и высокую себестоимость. Кроме тогоне обеспечивается гальваническая развязка цепи, что для ряда режимов эксплуатации недопустимо. Аппараты с синхронизированным размыканием контактов в бестоковую паузу снижают энергию дуги отключения до уровня, обеспечиваемого аппаратами с управляемыми полупроводниковыми приборами. Бестоковая пауза создается полупроводниковыми диодами, которые значительно дешевле силовых транзисторов, тиристоров, симисторов. Синхронизация размыкания контактов в бестоковую паузу может выполняться простыми и надежными в работе электромагнитами прямого включения. Первые синхронизированные аппараты с силовыми диодами и электромагнитами пряного включения на номинальный ток 320 А и номинальное напряжение II40 В были разработаны во ВНИИВЭ. Промышленные и лабораторные испытания опытных образцов подтвердили их высокие эксплуатационные качества. В настоящее время нашей промышленностью освоен серийный выпуск силовых диодов на номинальный ток 1200 А, что с учетом перегрузочной способности диодов позволяет уже сейчас создавать синхронизированные аппараты с коммутационной способностью до 12 кА и выше. В результате дальнейшего совершенствования технологии изготовления силовых диодов следует ожидать значительное снижение их себестоимости и повышение качественных показателей основных параметров, что открывает хорошую перспективу разработки и применения синхронизированных аппаратов в сильноточных цепях переменного тока. Задача диссертационной работы состоит в том, чтобы на основе теоретических и экспериментальных исследований определить сочетания основных параметров синхронизированных аппаратов, наилучшим образом удовлетворяющие поставленной цели максимальное снижение энергии дуги отключения. На основе полученных научных результатов должна быть создана возможность такого выбора конструктивных факторов синхронизированных аппаратов, при которых обеспечивается простота конструктивного исполнения и надежная длительная работа в тяжелых режимах частых коммутаций больших токов. Научные результаты должны быть реализованы в создании опытного образца синхронизированного контактора для мощных стыкосварочных машин. На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов перетекания тока в синхронизирующую цепь синхронизированного аппарата в переходном и установившемся режимах. 2. Результаты исследования электромеханических процессов в синхронизирующей цепи сильноточных синхронизированных аппаратов. Разработка и экспериментальное исследование схемных и конструктивных решений сильноточных синхронизирующих устройств. 4. Создание и промышленные испытания опытного образца сильноточного синхронизированного контактора. Решение перечисленных вопросов основывается на научных трудах видных отечественных ученых докторов технических наук, профессоров Брона С Б Буля Б. К., Буткевича Г. В., Ивашина В. В., Намитокова К. К., Омельченко В. Т., Таева И С докторов технических наук Белкина Г С Кузнецова Р. С. с учетом достижений, получивших отражение в работах кандидатов технических наук Спиридонова В. И., Убийко A.M., Цыбровского Г. Г., Головенкина В. А., Акимова Е. Г. Исследования базируются на опыте создания синхронизированных аппаратов институтами ВНЙЙВЭ, ВНИИэлектроаппарат, КГМИ, МЭИ и другими и развивают работы указанных научных коллективов в этом направлении. Основные исследования по диссертации проведены во ВНИИВЭ и связаны с выполнением темы IEI3.968I, утвержденной Минэлектротехпроыом СССР и открытой по заказу ИЭС им. Е. О. Патона Академии наук СССР. Работа во ВНИИВЭ выполнена под руководством и с участием кандидата технических наук Убийко A.M., которому автор выражает глубокую признательность за оказанную помощь.Рис. I.I. Несинхронный комбинированный аппарат по [2] Рис. 1.2. Графики возможных процессов отключения тока несинхронным аппаратом.

ВЫВОДЫ.

I* Разработана установка для экспериментальных исследований коммутационной способности однополюсных синхронизированных аппаратов. Программным управлением обеспечивается отключение испытуемого аппарата в заданную фаэу тока и поддержание требуемого уровня апериодической составляющей тока испытательного контура.

2. Вариант аппарата с синхронизированными контактами без провала практически без дуги отключает токи до 5000 А. В отдельные фазы коммутаций на синхронизированных контактах возможно возникновение кратковременной дуги, однако контактная система успешно справляется с разрушением места прихватывания.

3. Другой вариант аппарата с соленоидным компенсатором в синхронизирующем узле успешно отключает токи до 10 000 А. Соленоидный компенсатор обеспечивает необходимое нажатие и исключает электродинамический отброс контактов. Совместной работой компенсатора и электромагнита создается проворачивание контактов при замыкании, чем надежно разрушаются места прихватывания синхронизированных контактов.

4. Третий вариант аппарата с перекрестным включением синхронизирующих электромагнитов успешно отключает цепи с током от 3 до 15 кА. Независимо от фазы коммутируемого тока синхронизированные контакты размыкаются без дуги. Наихудшие условия создаются при подаче команды на отключение в интервале Т/2 -Ьл< tK0< Т/2. Наименьший запас времени на размыкание контактов исключает их электрический пробой в низковольтных цепях.

5. Промышленные испытания показали, что синхронизированные аппараты с неуправляемыми диодами и электромагнитами прямого включения способны длительно работать в режиме частых отключений больших токов.

— 1656. Синхронизированные аппараты о диодами и электромагнитами прямого включения при коммутации токов 10 кА и выше в десятки раз онижэют энергию дуги отключения. В таком же отношении увеличивается электрическая износостойкость СА, что дает народному хозяйству экономический эффект 2100 т.р. на программу выпуокэ 1000 изделий в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Вопросы, рассматриваемые в диссертационной работе, посвящены актуальной научной задаче создания синхронизированных электрических аппаратов, способных длительно (без замены контактов) работать в тяжелых режимах коммутации цепи мощных электроприемников. Для решения этой гадачи принят перспективный способ отключения электрической цепи в бестоковую паузу, создаваемую неуправляемым полупроводниковым прибором.

Основные научные выводы и результаты сводятся к следующему:

1. Проведенный аналитический обзор существующих способов коммутации цепей переменного тока показал, что для управления мощными электрическими установками следует отдать предпочтение синхронизирующим аппаратам с электромагнитами прямого включения и силовыми диодами. В диссертации проведены теоретические и экспериментальные исследования синхронизированных аппаратов переменного тока, предназначенных для тяжелых режимов работы.

2. Установлено, что в сильноточных синхронизированных аппаратах диоды могут длительно обтекаться током, превышающим по условию нагрева допустимый уровень. Аналитическим путем выведено соотношение, определяющее допустимую величину сопротивления главной цепи из условия допустимого тока через диоды. Показано, что снижение тока ответвления в синхронизирующую цепь наиболее целесообразно осуществлять применением в главной цепи мостиковых контактов. Параллельное включение диодов нежелательно.

3. Выведены теоретические закономерности, определяющие время дуги отключения на главных контактах. Установлено влияние основных параметров главной и синхронизирующей цепей на характер протекания переходного процесса в параллельном контуре СА. Показано, что при токах, составляющих тысячи ампер, синхронизирующий электромагнит несущественно повышает время дуги,.

4. Все основные теоретические выводы, полученные в работе, подтверждены экспериментами.

5. На основе результатов проведенного исследования предложены принципиальные схемы силовых цепей сильноточных синхронизированных аппаратов, на которые получены авторские свидетельства.

6. Проведен анализ условий бездугового размыкания синхронизирующих контактов, в результате которого установлено, что в сильноточных СА существует интервал коммутации, когда возможно зажигание дуги на синхронизированных контактах.

7. Определены основные параметры, характеризующие время горения дуги на синхронизированных контактах. Теоретически и экспериментально показана возможность обратного замыкания контактов, при существовании на них дуги. Предложен ряд конструктивных схем синхронизирующих узлов, способных надежно справляться с разрушением места возможного приваривания контактов при коммутации токов до 10 кА. На основные из них получены авторские свидетельства.

8. Теоретическим путем исследован процесс коммутации тока синхронизированным аппаратом с перекрестным включением токовых электромагнитов. Показана принципиальная возможность бездугового размыкания контактов в таком СА независимо от момента подачи команды на отключение.

9. Предложена методика расчета продолжительности бестоковой паузы, позволяющая производить обоснованный выбор скорости синхронизированных контактов.

10. Изготовлены и исследованы на лабораторных стендах модели сильноточных синхронизированных аппаратов. Результаты исследований подтвердили достоверность предложенных принципов синхронизированной коммутации сильных токов.

11, Опытные образцы сильноточных синхронизированных аппаратов нашли практическое применение для управления режимом мощных стыкосварочных машин. Длительная эксплуатация показала их высокую надежность и простоту обслуживания, не требующую высокой квалификации персонала. На основе разработанных сильноточных синхронизированных аппаратов планируется создание серийных электрических аппаратов для управления энергоемкими потребителями с напряженным технологическим режимом.

12. Технический и экономический эффекты от выполненных в диссертации разработок подтверждены актом внедрения сильноточных синхронизированных контакторов в ИЭС им. Е. О. Патона.