| ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Электрический трехфазный реактор с подмагничиванием, содержащий магнитную систему из вертикальных стержней, горизонтальных ярем, магнитных шунтов, а также обмотки, размещенные на каждом стержне, и обмотки, охваты- вающие два соседних стержня, регулируемый источник постоянного напряжения, отличающийся тем, что магнитная система выполнена пространственной и со- стоит из двух трехфазных магнитопроводов, расположенных в параллельных плоскостях, между магнитопроводами установлены дополнительные участки ярем в виде ферромагнитных вставок, соединяющих между собой магнитопрово- ды по горизонтальным ярмам, при этом сечение стали ферромагнитных вставок SBCT и стержней SCT. связаны соотношением 0,8 < (SBCT.: SCT.) < 1,2. |
Изобретение относится к области электротехники и может быть использо- вано для управляемых подмагничиванием реакторов, устанавливаемых, напри- мер, в электрической сети для компенсации реактивной мощности, стабилизации напряжения, параллельной работы с конденсаторными батареями, повышения пропускной способности и др.
Известен электрический реактор с подмагничиванием [1], содержащий магнитную систему со стержнями и ярмами. Размещенные на стержнях обмотки управления включены встречно и подключены к регулируемому источнику по- стоянного напряжения. Сетевая обмотка каждой фазы охватывает два соседних стержня с управляющими обмотками. Недостатком [1] является повышенный расход электротехнической стали магнитной системы из-за повышенной площа- ди сечения стали участков ярем, расположенных между соседними стержнями, охваченными сетевой обмоткой.
Известен аналогичный электрический реактор с подмагничиванием [2], в котором недостатки реактора [1] фактически такие же самые. Реактор по [2], яв- ляющийся прототипом предлагаемому в настоящей заявке, содержит магнитную систему со стержнями и ярмами. Размещенные на стержнях обмотки управления включены встречно и подключены к регулируемому источнику постоянного на- пряжения. Сетевая обмотка каждой фазы охватывает два соседних стержня с управляющими обмотками. Недостатком [2], также как и [1], является повышен- ный расход электротехнической стали магнитной системы из-за повышенной площади сечения стали участков ярем, расположенных между соседними стерж- нями, охваченными сетевой обмоткой. Недостатком прототипа и аналога является также сложный планарный (в одной плоскости) магнитопровод, имеющий шесть стержней и два боковых ярма. Реакторы с таким магнитопроводом имеют непро- порционально большую длину, что, помимо сложности его изготовления, являет- ся причиной увеличенного расхода конструктивных материалов.
Целью изобретения является снижение расхода электротехнической стали магнитной системы, снижение трудоемкости при изготовлении за счет усовер- шенствования магнитной системы и оптимальных соотношений сечений элемен- тов магнитной системы.
Указанная цель достигается тем, что в электрическом трехфазном реакторе с подмагничиванием, содержащем магнитную систему из вертикальных стерж- ней, горизонтальных ярем, магнитных шунтов, а также обмотки, размещенные на каждом стержне, и обмотки, охватывающие два соседних стержня, регулируемый источник постоянного напряжения, магнитная система выполнена пространст- венной и состоит из двух трехфазных магнитопроводов, расположенных в парал- лельных плоскостях. Между магнитопроводами установлены дополнительные участки ярем в виде ферромагнитных вставок, соединяющих между собой магни- топроводы по горизонтальным ярмам, при этом сечение стали ферромагнитных вставок £ всш и стержней S cm , связаны соотношением
0,8 < (S ecm : S cm ) < 1,2.
На фиг.1 показан магнитопровод пространственной магнитной системы ре- актора, состоящий из двух стержневых трехфазных магнитопроводов. Фиг.2 по- ясняет расположение обмоток на стержнях. На фиг.З дана принципиальная элек- трическая схема соединения обмоток. На фиг.4 показан вариант схемы реактора без компенсационных обмоток, на фиг.5 -пространственный магнитопровод из двух броневых трехфазных магнитопроводов, на фиг.6-10 - магнитопровод с ва- риантами протяженных ферромагнитных вставок.
Магнитная система реактора состоит из пространственного магнитопрово- да, магнитных шунтов, обмоток и конструктивных элементов.
Пространственный магнитопровод (фиг.1), шихтованный из листов элек- тротехнической стали, содержит два планарных стержневых трехфазных магни- топровода Ml и М2, расположенных в параллельных плоскостях. Каждый из маг- нитопроводов Ml и М2 имеет три стержня 1-3 и 4-6 и два горизонтальных ярма: верхние 7,8 и нижние 9, 10. Магнитопроводы Ml и М2 в области горизонтальных ярем 7, 8 и 9, 10 магнитно связаны между собой при помощи дополнительных участков ярем в виде ферромагнитных вставок 11 вверху и 12 внизу. Ферромаг- нитные вставки могут быть выполнены шихтованными из листов стали (из конст- рукционной стали). Сечение стали S ecm. ферромагнитных вставок и сечение стали S cm стержней (1-6) связаны соотношением:
0,8 < (S ecm : S cm ) < 1,2.
Каждый из стержней 1-6 охвачен компенсационной обмоткой - компенса- ционными обмотками КО], К0 2 , КОз, К0 4 , К0 5 , КО 6 - и секционированной об- моткой управления - обмотками ОУ и -ОУп, ОУ 21 -ОУ 22 , ОУ 3] -ОУз 2 , ОУ 41 -ОУ 4 2, ОУ 51 -ОУ 52 , ОУ 6] -ОУ 6 2 (фиг.2,3). Первый индекс обозначает номер стержня, вто- рой - номер секции. Каждая обмотка управления разделена на две секции, две секции обмотки управления одной фазы расположены на соседних стержнях.
Каждые два соседних стержня магнитопроводов Ml и М2 охвачены общей обмоткой: стержни 1 и 4 - обмоткой СО А, стержни 2 и 5 - обмоткой СО в и стерж- ни 3 и 6 - обмоткой СОс-
Сетевые обмотки соединены в схему «звезда с нулем» и подсоединены к вводам фаз сети А, В и С и нулевому вводу 0 (фиг.З). Секции обмотки управления тех соседних стержней, которые охвачены сетевыми обмотками, соединены в схемы типа «восьмерка» и подсоединены к регулируемому источнику постоянно- го напряжения H77H - управляемому выпрямителю. Трехфазный источник ИПН содержит преобразовательный трансформатор и управляемый полупроводнико- вый выпрямитель и питается от компенсационных обмоток. Каждые две КО на соседних стержнях соединены попарно последовательно: КО } -К0 4 , К0 2 -К0 5 , КОз-KOg. Компенсационные обмотки соединены в схему «треугольник» с ввода- ми а, б и с. Источник ИПН управляется системой автоматического управления САУ.
Возможны и другие варианты электрической схемы предлагаемого реакто- ра. Компенсационная обмотка может быть выполнена в виде трех обмоток, каж- дая из которых охватывает два соседних стержня (аналогично сетевой обмотке) и размещается внутри нее.
Возможна схема реактора без компенсационных обмоток с сохранением такой же схемы цепей обмоток управления, как и на фиг.З. В этом случае сетевые обмотки СО А , СО в и СО с должны быть соединены, а питание управляемого вы- прямителя ИПН осуществляется от сети А,В,С или от внешнего источника (на- пример, от сети собственных нужд подстанции), к которой подключаются также и LC-фильтры высших гармоник. На фиг.4 показана еще одна схема реактора без компенсационных обмоток. В этом случае сетевые обмотки соединены в схему «звезда с нулем» и подсоеди- нены к фазам сети А, В и С так же, как в схеме на фиг.З, но «восьмерки» секций обмотки управления соединены в треугольник. Схема на фиг.4 с питанием ИПН от обмоток управления требует несколько более сложной схемы управляемого выпрямителя.
Выбор схемы реактора диктуется конструктивными и технологическими соображениями и производственными возможностями. Важно, чтобы в выбран- ной схеме обязательно присутствовал треугольник, чтобы в токе сетевой обмотки - токе реактора - не было высших гармоник, кратных трем.
Пространственный магнитопровод может быть выполнен из двух планар- ных не стержневых, как на фиг.1, а двух броневых трехфазных магнитопроводов Ml и М2 (фиг.5), расположенных в параллельных плоскостях. Каждый из магни- топроводов имеет три стержня 7-3 и 4-6, два горизонтальных ярма (верхние 7,8 и нижние 9, 10) и два вертикальных ярма 13, 14 и 15, 16. Магнитопроводы Ml и М2 в области горизонтальных ярем 7, 8 и 9, 10 магнитно связаны между собой при по- мощи дополнительных участков ярем в виде ферромагнитных вставок 77 (верх) и 12 (низ).
Вставки могут быть короткими, шириной порядка ширины стержня (фиг. 1, 5), или протяженными - по длине ярма между крайними стержнями (фиг.6-10). Выбор варианта выполнения диктуется конструкционными соображениями.
В состав магнитной системы входят магнитные шунты.
Магнитный шунт может быть выполнен в виде прямоугольной рамы из шихтованных полос электротехнической стали (фиг.2). Две горизонтальные части рамы располагаются на верхнем торце обмоток 77 и на нижнем торце обмоток 18 под прессующими балками, вертикальные (продольные 19 и 20) - вдоль крайних обмоток на минимально допустимом по условиям обеспечения электрической изоляции расстоянии. Два шунта стоят с двух сторон магнитной системы. Может быть установлен дополнительный шунт в зазоре между двумя планарными маг- нитопроводами, входящими в пространственный магнитопровод реактора.
Возможен вариант шунтов в виде трехоконной рамы с двумя горизонталь- ными частями (нижняя 77, верхняя 18) и не с двумя, а с четырьмя вертикальными частями 19-22, две дополнительные части 21 и 22 располагаются в пространстве между обмотками (фиг.2). Сечение стали пакетов шунтов S w составляет от 5 до 20% от сечения стали стержня S cm . .
Возможны магнитные шунты, выполненные в виде набора плоских фигур- ных элементов в виде секторов колец, изготовленных из лент или полос электро- технической стали (например, скрепленных термореактивной эпоксидной смо- лой). Такие шунты располагаются на торцах обмоток, перекрывая как можно больше поверхности торцов.
Магнитная система может быть помещена в бак с охлаждающей жидко- стью (например, трансформаторным маслом). В баке может быть размещен также ИПН. На крышку бака выведены сетевые вводы А, В и С. Отводы треугольника а, в и с также могут быть выведены на вводы крышки бака для подсоединения LC- фильтров высших гармоник (на схемах фиг.З и фиг.4 не показаны). На внутрен- них поверхностях стенок бака могут быть установлены магнитные шунты в виде вертикальных пакетов, набранных из полос электротехнической стали.
Электрический реактор с подмагничиванием, выполненный в соответствии с формулой предлагаемого изобретения, работает следующим образом.
Сетевые обмотки СО А , СО в и СО с подключаются к электрической сети пе- ременного тока А, В, С. При этом внутри области каждой сетевой обмотки возни- кает переменный магнитный поток. Управление мощностью реактора осуществ- ляется подключением к подмагничивающим обмоткам управления ОУ и -ОУ 12 , ОУ 2 ,-ОУ 2 2, ОУ 31 -ОУ 32 , ОУ 41 -ОУ 42 , ОУ 51 -ОУ 52 , ОУ 61 -ОУ 62 источника H77H. При этом в обмотках управления возникает ток с постоянной составляющей, этот ток приводит к возникновению в стержнях постоянного во времени потока подмаг- ничивания. В соседних стержнях одной фазы этот поток направлен в разные сто- роны (из-за встречного включения обмоток управления), поэтому постоянный по времени поток замыкается в основном по кратчайшему пути - через дополнитель- ные участки в виде ферромагнитных вставок И и 12. Ферромагнитные вставки могут быть выполнены из конструкционной стали. При этом существенно сокра- щается расход электротехнической стали в предлагаемом реакторе по сравнению с аналогами и прототипом. Сечение стали S ecm ферромагнитных вставок и сечение стали S cm стержней (1-6) связаны соотношением: 0,8 < (S ecm :S cm ) < 1,2.
Если отношение {S ecm :S cm ) превышает величину 1,2, то получается излиш- ний расход стали. Если отношение (S ecm :S cm ) менее 0,8, то ферромагнитная встав- ка при максимальной нагрузке реактора будет переходить в область насыщения, в результате придется увеличивать ток подмагничивания. Указанное соотношение, как и другие соотношения в данном описании, было получено расчетными иссле- дованиями математических моделей реактора, при необходимости экспертизе мо- гут быть предоставлены их результаты.
Так как на поток подмагничивания накладывается переменный поток, ре- зультирующий поток в стержнях смещен в область насыщения стали, т.е. стержни оказываются насыщенными некоторую часть периода. В свою очередь, насыще- ние стержней является причиной возникновения тока в сетевых обмотках. Это - рабочий ток реактора.
Так как постоянный магнитный поток замыкается по ферромагнитным вставкам, в горизонтальных ярмах 7, 8, 9 и 10 магнитный поток не содержит по- стоянной составляющей (в отличие от аналогов и прототипа). Поэтому сечение стали горизонтальных ярем 7, 8, 9 и 10 может быть выбрано сниженным (по сравнению с аналогами и прототипом). Сечение стали ярем 8 яр и стержней S cw связаны соотношением:
l,0 < (S„ p. :S cm ) < l,2.
Снижение сечения ярем является вторым фактором, позволяющим сущест- венно сократить расход электротехнической стали в предлагаемом реакторе по сравнению с аналогами и прототипом.
При работе реактора кроме магнитного поля в стали стержней и ярем, воз- никает магнитное поле в области обмоток - поле рассеяния, которое создается током обмоток. Магнитные шунты концентрируют поле рассеяния и препятству- ют его распространению на металлические массивные (не шихтованные) узлы конструкции реактора, где оно могло бы вызвать паразитные вихревые токи, до- бавочные потери и опасные для работоспособности реактора местные перегревы. Кроме того, применение магнитных шунтов в виде рам позволяет замкнуть ос- новную часть магнитного потока рассеяния и снизить магнитную нагрузку на яр- ма, что является дополнительным фактором снижения расхода электротехниче- ской стали.
В режиме холостого хода (при отсутствии подмагничивания) стержни и ярма двух магнитопроводов нагружены только переменным потоком, а в ферро- магнитных вставках потока нет. В режимах нагрузки стержни нагружены и пере- менным, и постоянным магнитным потоком, ярма и шунты нагружены только пе- ременным магнитным потоком, а ферромагнитные вставки нагружены только по- стоянным магнитным потоком. В аналогах и прототипе в режимах нагрузки и пе- ременным, и постоянным магнитным потоком нагружены не только стержни, но и ярма, поэтому в ярма приходится закладывать больший объем электротехниче- ской стали. В предлагаемом реакторе распределение магнитных потоков с разде- лением функций нагрузки постоянным и переменным потоком между ярмами и ферромагнитными вставками обеспечивает снижение потерь в стали и уменьше- ние расхода электротехнической стали, т.е. повышение технико— экономических показателей устройства.
При конструкции пространственного магнитопровода в виде двух броне- вых трехфазных магнитопроводов Ml и М2 (фиг.5) сечение стали S cm стержней связаны соотношением:
(7/V3j < (S, p. :S cm ) < (1,2ЫЗ), т.е. 0,58 < (S Hp :S cm ) < 0,69.
Этот вариант предпочтителен только для реакторов большой мощности, т.к. за счет меньших горизонтальных ярем позволяет снизить общую высоту маг- нитопровода, что важно для вписывания реактора в железнодорожный габарит.
В переходных режимах работы реактора (набор и сброс нагрузки, измене- ние нагрузки) изменяется подмагничивание стержней, поэтому изменяется поток в ферромагнитных вставках 11 и 12. При изменениях потока в стали вставок воз- никают вихревые токи, противодействующие изменению потока. Это явление может снизить быстродействие реактора, поэтому ферромагнитные вставки из конструкционной стали должны быть не монолитными, а шихтованными из лис- тов.
Предлагаемый реактор имеет ряд преимуществ по сравнению с реакторами аналогами и прототипом. В реакторе достигается снижение расхода электротех- нической стали за счет замены части электротехнической стали более дешевой конструкционной сталью (в ферромагнитных вставках) и за счет снижения расхо- да стали в ярмах из-за отсутствия в ярмах постоянной составляющей магнитного потока. Существенно снижается трудоемкость при изготовлении магнитной сис- темы из-за отказа от сложных многостержневых магнитопроводов, а также за счет применения оптимальных соотношений сечений элементов магнитной сис- темы. Из-за снижения расхода стали снижаются потери в стали и общие потери в реакторе. В результате достигается повышение технико-экономических показа- телей предложенного электрического реактора с подмагничиванием.
Работоспособность предлагаемого реактора и его высокие технико- экономические показатели подтверждены расчетами, физическим моделировани- ем, результатами испытаний опытных образцов аналогичных конструкций. На ближайшее время намечено изготовление опытных образцов для серийного про- изводства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Электрический реактор с подмагничиванием. Патент РФ 2217829, H01F29/14, H01F37/00, H01F38/02. Заявка: 2001134159/09, 19.12.2001. Опублико- вано: 27.11.2003.
2. Электрический реактор с подмагничиванием. Патент РФ 2282911, H01F29/14. Заявка: 2004121197/09, 13.07.2004. Опубликовано: 27.08.2006.