Патент на изобретение №2310940

(54) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управляемых подмагничиванием реакторов, устанавливаемых, например, в электрической сети для компенсации реактивной мощности. Технический результат состоит в повышении надежности, стойкости при к.з. за счет снижения тока к.з. и тока искажения высшими гармониками. Электрический реактор содержит верхнее, нижнее и два боковых ярма, средние стержни, на которых размещены обмотки управления, подсоединенные к регулируемому источнику постоянного тока. Сетевая обмотка каждой фазы охватывает два соседних средних стержня с обмотками управления, включенными встречно, и компенсационную обмотку. Новым в реакторе является то, что компенсационная обмотка каждой фазы выполнена из двух частей. Каждая ее часть размещена на каждом среднем стержне. Две соседние части компенсационной обмотки, охваченные сетевой обмоткой каждой фазы, включены согласно. Электродинамическая стойкость реактора повышается в 2,25-4 раза за счет увеличения сопротивления к.з. между сетевой и компенсационной обмотками, поэтому не приходится принимать дополнительные меры, например, устанавливать дополнительные токоограничивающие реакторы внутри бака, усложняющие конструкцию устройства и снижающие его надежность. Ток искажения в токе заявленного реактора снижается на 30-50%. 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управляемых подмагничиванием реакторов, устанавливаемых, например, в электрической сети для компенсации реактивной мощности.

Известен электрический реактор с подмагничиванием [1], содержащий магнитную систему с двумя ярмами, с двумя боковыми стержнями и средними стержнями, на которых размещены обмотки управления. Сетевая обмотка каждой фазы охватывает два средних стержня с обмотками с управления, включенными встречно. Недостатком известного устройства является сниженная надежность из-за сложности электрической схемы системы регулирования, т.к. для обеспечения автономности работы реактора обмотки управления используются не только для подмагничивания стали средних стержней, но и для питания преобразователя системы управления.

Частично недостатки [1] устранены в известном устройстве [2], являющемся наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению. Так же, как и в аналоге [1], в этом устройстве-прототипе имеется магнитная система с двумя ярмами, с двумя боковыми стержнями и средними стержнями, на которых размещены обмотки управления, соединенные встречно, которые подключены к источнику постоянного тока. В отличие от прототипа [1], кроме сетевой обмотки, охватывающей два стержня с обмотками управления каждой фазы, на каждой фазе имеется также и компенсационная обмотка, так же как и сетевая обмотка охватывающая два стержня с обмотками управления. Эта компенсационная обмотка служит для ликвидации в токе реактора высших гармоник, кратных трем, и для питания преобразователя системы управления. Однако такая компенсационная обмотка имеет большой ток короткого замыкания, поэтому для обеспечения ее электродинамической стойкости при коротком замыкании приходится принимать меры, например, устанавливая внутри бака реактора дополнительные токоограничивающие реакторы, усложняющие конструкцию устройства и снижающие его надежность. Кроме того, конструкция реактора-прототипа [2] имеет повышенный уровень содержания высших гармоник (особенно 5-й и 7-й) в сетевом токе реактора.

Целью изобретения является повышение надежности управляемого подмагничиванием реактора, повышение его стойкости при коротком замыкании за счет снижения тока короткого замыкания и снижение тока искажения высшими гармониками за счет введения компенсационных обмоток, установленных на средних стержнях.

Поставленная цель достигается тем, что в электрическом реакторе, содержащем верхнее, нижнее и два боковых ярма, средние стержни, на которых размещены обмотки управления, подсоединенные к регулируемому источнику постоянного тока, сетевую обмотку каждой фазы, охватывающую два соседних средних стержня с обмотками управления, включенными встречно, и компенсационную обмотку, компенсационная обмотка каждой фазы выполнена из двух частей, каждая ее часть размещена на каждом среднем стержне, причем две соседние части компенсационной обмотки, охваченные сетевой обмоткой каждой фазы, включены согласно.

Предлагаемый электрический реактор с подмагничиванием поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена конструкция магнитной системы реактора с обмотками (в сечении по главной оси) применительно к однофазному реактору, на фиг.2 – сечение однофазного реактора в плане, на фиг.3 показана конструкция трехфазного реактора (в плане).

Магнитная система реактора содержит два горизонтальных ярма – верхнее 1 и нижнее 2, два боковых вертикальных ярма 3 и 4 и средние стержни 5-10. На каждом среднем стержне 5-10 размещены обмотки управления 11-16 и части компенсационных обмоток 17-22. Сетевые обмотки 23-25 каждой фазы охватывают два соседних стержня с обмотками управления и частями компенсационных обмоток. Части компенсационных обмоток 17-22 могут быть размещены как поверх обмоток управления 11-16, так и внутри их (между обмотками управления 11-16 и средними стержнями 5-10).

Обмотки управления, при помощи которых осуществляется управление (регулирование тока) реактора подмагничиванием стали магнитопровода, подключаются к преобразователю или источнику постоянного тока, при этом возможны различные варианты соединения обмоток управления. Например, две обмотки управления 11 и 12, охватываемые сетевой обмоткой 23, могут быть соединены последовательно встречно или параллельно встречно. Обмотки управления трех фаз трехфазного реактора могут быть соединены параллельно или последовательно.

Каждые две части компенсационных обмоток фазы (17 и 18, 19 и 20, 21 и 22), охватываемые сетевой обмоткой (23, 24 и 25), могут быть соединены последовательно согласно или параллельно согласно. Компенсационные обмотки трех фаз соединены в треугольник. Части компенсационных обмоток 17-22 могут быть размещены внутри обмоток управления, как это показано на фиг.1 (между обмотками управления и средними стержнями), или поверх обмоток управления 11-16, например, непосредственно на них намотаны, как на мощном каркасе, фиг.2-3.

В трехфазной сети могут применяться трехфазные реакторы (фиг.3) или трехфазные группы реакторов. В трехфазной группе однофазных реакторов (3 реактора по фиг.1-2) сетевые обмотки 23, 24 и 25 могут быть соединены в звезду с заземлением нейтрали (глухим или через реактор) или в треугольник.

Электрический реактор, выполненный в соответствии с формулой предлагаемого изобретения, работает следующим образом.

Рассмотрим вначале работу однофазного реактора на фиг.1-2. Описание работы однофазного реактора в полной мере относится к каждой фазе трехфазного реактора, т.е. целиком к трехфазному реактору, управляемому подмагничиванием или к трехфазной группе однофазных реакторов.

При подключении обмотки 23 к электрической сети переменного тока и невключенном управляющем источнике постоянного тока (например, преобразователе, управляемом выпрямителе) в средних стержнях 5 и 6 возникают одинаковые по величине и направлению переменные магнитные потоки с амплитудой Ф_m, замыкающиеся через ярма магнитной системы горизонтальные 1 и 2 и боковые вертикальные 3 и 4. Амплитуда потоков Ф_m несколько меньше потока насыщения Ф_s стержней 5 и 6 (это соответствует наиболее рациональному использованию стали стержней с индукцией в стали около 1,7-1,8 Тл при индукции насыщения около 2 Тл), а постоянный магнитный поток отсутствует. В режиме холостого хода реактора без подмагничивания во всех сечениях магнитной системы переменный поток не превышает поток насыщения Ф_s (равный индукции насыщения стали, помноженной на сечение стали), поэтому ток реактора близок к нулю.

Регулирование мощности реактора осуществляется подключением к обмоткам управления регулируемого источника постоянного тока, например, регулируемого преобразователя (выпрямителя).

При подключении выпрямителя к обмоткам управления в них возникает ток, который приводит к возникновению и нарастанию потока подмагничивания Ф₀ (постоянной составляющей в кривой потока). В соседних стержнях этот поток Ф₀ направлен в разные стороны (из-за встречного включения обмоток управления), поэтому он замыкается в основном по кратчайшему пути через часть нижнего и верхнего ярем 1 и 2, расположенных между стержнями 5 и 6. Так как на поток подмагничивания Ф₀ накладывается переменный поток Ф_s, результирующий поток смещается в область насыщения стали, т.е. стержни оказываются насыщенными некоторую часть периода. В свою очередь, насыщение стержней приводит к возникновению и возрастанию тока в сетевой обмотке 23. При увеличении постоянного напряжения на обмотке управления поток подмагничивания увеличивается, увеличиваются интервалы времени внутри каждого периода, когда один из стержней находится в насыщенном состоянии (т.е. когда поток этого стержня больше потока насыщения Ф_s), в соответствии с этим увеличивается и сетевой ток. Таким образом и происходит регулирование мощности управляемого подмагничиванием реактора.

После достижения такого состояния, когда магнитный поток стержня весь период оказывается равным или большим потока насыщения, сетевой ток достигает максимально возможного значения и дальше уже не повышается, т.к. дифференциальная магнитная проницаемость насыщенной стали становится близкой к проницаемости вакуума. Такой режим работы реактора называется режимом полнопериодного насыщения.

Особенный промежуточный режим, при котором поток подмагничивания Ф₀ становится равным амплитуде переменного магнитного потока Ф_m, характеризуется тем, что время насыщенного состояния стержней одинаково и равно половине периода синусоиды, причем за счет разных направлений переменного потока Ф_m и постоянного потока Ф₀ в стержнях, охватываемых сетевой обмоткой, одну половину периода насыщен один стержень, а другую – другой. Рассматриваемый режим называется режимом полупериодного насыщения, и обычно управляемые подмагничиванием реакторы при номинальной мощности работают в этом режиме полупериодного насыщения.

В полупериодном режиме (фактически номинальном) и в режиме полнопериодного насыщения в токе реактора высшие гармоники практически отсутствуют и ток имеет чисто синусоидальную форму. В промежуточных режимах средние стержни насыщены в общем случае часть полупериода синусоиды, ток реактора оказывается искаженным, в нем присутствуют высшие нечетные гармоники.

Для ликвидации в токе реактора высших гармоник, кратных трем (3-й, 9-й, …), каждые две части компенсационных обмоток трех фаз, соединенные согласно (17 и 18, 19 и 20, 21 и 22), включены по схеме треугольника. Так как компенсационные обмотки служат и для питания преобразователя системы управления, возможно короткое замыкание на ее вводах и повреждение обмотки электродинамическими силами. Величина тока короткого замыкания зависит от сопротивления короткого замыкания между обмотками сетевой и компенсационной. Это сопротивление тем меньше, чем меньше площадь канала рассеяния между обмотками сетевой и компенсационной, поэтому оно существенно (в 1,5-2 раза) увеличивается при удалении компенсационной обмотки от сетевой. Именно поэтому компенсационные обмотки 17-22 расположены на средних стержнях, а не охватывают одновременно два стержня, как в прототипе. В связи с уменьшением тока короткого замыкания в 1,5-2 раза электродинамические силы короткого замыкания снижаются в 2,25-4 раза, увеличивается надежность реактора. Электродинамическая стойкость усиливается дополнительно, если части компенсационных обмоток 17-22 размещены поверх обмоток управления 11-16 – непосредственно на них намотаны, как на мощном каркасе. Если части компенсационных обмоток 17-22 размещены внутри обмоток управления 11-16, то электродинамическая стойкость усиливается за счет увеличения сопротивления короткого замыкания (из-за увеличения площади канала рассеяния) и соответствующего снижения тока и электродинамических сил.

Средние стержни из-за нелинейной магнитной характеристики стали являются источниками (генераторами) высших гармоник в реакторе. По сравнению с прототипом компенсационная обмотка расположена существенно ближе к средним стержням. Приближение компенсационной обмотки (соединенной в треугольник) к средним стержням позволяет существенно (до 30-50%) снизить высшие гармонические составляющие в сетевом токе (прежде всего наиболее влияющие на ток искажения реактора 5- и 7-ю гармоники).

Работоспособность предлагаемого управляемого подмагничиванием электрического реактора и его высокие технико-экономические показатели подтверждены расчетами и физическим моделированием.

По сравнению с прототипом электродинамическая стойкость реактора повышается в 2,25-4 раза, поэтому не приходится принимать дополнительные меры, например, устанавливать (как в прототипе) дополнительные токоограничивающие реакторы внутри бака, усложняющие конструкцию устройства и снижающие его надежность. Ток искажения в токе реактора по сравнению с прототипом снижается (до 30-50%). Эффект снижения уровня 5- и 7-й гармоник тока при приближении компенсационной обмотки к средним стержням подтвержден результатами дополнительных расчетных исследований на математических моделях, учитывающих все основные влияющие факторы, включая нелинейность магнитной характеристики стали. Дополнительные материалы при необходимости могут быть представлены.

Литература

1. Электрический реактор с подмагничиванием. Патент РФ №2217831. Н01F 29/14. Бюллетень изобретений №33 2003 г.

2. Электрический реактор с подмагничиванием. Патент РФ №2217830. Н01F 29/14. Бюллетень изобретений №33 2003 г.

Формула изобретения

Электрический реактор с подмагничиванием, содержащий верхнее, нижнее и два боковых ярма, средние стержни, на которых размещены обмотки управления, подсоединенные к регулируемому источнику постоянного тока, сетевую обмотку каждой фазы, охватывающую два соседних средних стержня с обмотками управления, включенными встречно, и компенсационную обмотку, отличающийся тем, что компенсационная обмотка каждой фазы выполнена из двух частей, каждая ее часть размещена на каждом среднем стержне, причем две соседние части компенсационной обмотки, охваченные сетевой обмоткой каждой фазы, включены согласно.

РИСУНКИ