КИРЮШАТОВ, Олег Александрович (ул. Грибова, д. 1 кв. 63, Сарато, 4 Saratov, RU)
GRIGORYEV, Aleksandr Vasilyevich (Yaroslavsky pr-t, 8-7St.Petersburg, 6, 19415, RU)
ГРИГОРЬЕВ, Александр Васильевич (Ярославский проспект, д. 8 кв. 7, Санкт-Петербур, 1 St.Petersburg, RU)
MALYUTIN, Vladimir Alekseevich (ul. Sittsevaya, 5-1-108St.Petersburg, 2, 19737, RU)
МАЛЮТИН, Владимир Алексеевич (ул. Ситцевая, д. 5 корп.1, кв. 108, Санкт-Петербур, 1 St.Petersburg, RU)
ISYANOV, Farit Talgatovich (ul. Krylatskie kholmy, 30-7-1Moscow, 4, 12161, RU)
КИРЮШАТОВ, Олег Александрович (ул. Грибова, д. 1 кв. 63, Сарато, 4 Saratov, RU)
GRIGORYEV, Aleksandr Vasilyevich (Yaroslavsky pr-t, 8-7St.Petersburg, 6, 19415, RU)
ГРИГОРЬЕВ, Александр Васильевич (Ярославский проспект, д. 8 кв. 7, Санкт-Петербур, 1 St.Petersburg, RU)
MALYUTIN, Vladimir Alekseevich (ul. Sittsevaya, 5-1-108St.Petersburg, 2, 19737, RU)
МАЛЮТИН, Владимир Алексеевич (ул. Ситцевая, д. 5 корп.1, кв. 108, Санкт-Петербур, 1 St.Petersburg, RU)
ISYANOV, Farit Talgatovich (ul. Krylatskie kholmy, 30-7-1Moscow, 4, 12161, RU)
формула изобретения
1. управляемый реактор трансформаторного типа, содержащий замкнутый магнитопровод, центральный стержень, расположенный внутри замкнутого магнитопровода и связанный с ним, обмотку управления, расположенную на
5 центральном стержне, сетевую обмотку, расположенную коаксиально снаружи относительно обмотки управления, и блок управления, выполненный обеспечивающим регулирование тока обмотки управления и подсоединенный к ней, отличающийся тем, что введен цилиндрический стержень, расположенный концентрично относительно центрального стержня и связанный с замкнутым 10 магнитопроводом, в цилиндрическом стержне выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор, а сетевая обмотка расположена ^
на цилиндрическом стержне, причем длина поперечного зазора или суммарная длина поперечных зазоров выполнена удовлетворяющей условию:
^ где L 113 - длина поперечного зазора или суммарная длина нескольких поперечных зазоров; μ r - относительная магнитная проницаемость материала цилиндрического стержня; μо - абсолютная магнитная проницаемость поперечного зазора; 0 B $ - рабочая индукция материала цилиндрического стержня;
L - длина цилиндрического стержня; F - магнитодвижущая сила сетевой обмотки.
2. реактор по п. 1, отличающийся тем, что ширина ярем замкнутого магнитопровода выполнена равной внешнему диаметру цилиндрического стержня. 5 3. реактор по п. 1, отличающийся тем, что блок управления выполнен на базе высоковольтных транзисторов. |
управляемый реактор трансформаторного типа
область техники
изобретение относится к области электроэнергетики и электротехники, и может быть использовано в качестве статического компенсатора избыточной 5 реактивной мощности в электрических сетях.
известен управляемый реактор, содержащий магнитопровод, на стержне которого расположена сетевая обмотка, обмотка управления и компенсационная обмотка, блок управления, подсоединенный к обмотке управления. ( международная заявка WO 00/2 5328, HOlF 29/14, опубл. 04.05.2000.).
1" регулирующие ток обмотки управления устройства выполнены из частично управляемых полупроводниковых приборов (тиристоров). возникающие при работе тиристоров высшие гармоники подавляются с помощью подключения к компенсационной обмотке фильтров высших гармоник
ограничениями этого технического решения являются: усложнение и
^ удорожание устройства из-за необходимости выполнения специальной компенсационной обмотки и фильтрующих устройств; повышенный расход проводниковых материалов для изготовления сетевой обмотки из-за большого расстояния между сетевой обмоткой и обмоткой управления; большие габариты и недостаточное для требований при эксплуатации в электрических сетях время
^" отклика реактора.
известен управляемый шунтирующий реактор-автотрансформатор, содержащий магнитопровод с основным стержнем, ярмами, двумя боковыми ярмами, размещенные на основном стержне сетевую обмотку, включенную по автотрансформаторной схеме и состоящую из последовательной обмотки и общей
25 обмотки с выводом узла соединения между ними, компенсационную обмотку, обмотку управления, управляющие током сетевой обмотки блоки, при этом основной стержень разделен на две продольные части: стержень без воздушных зазоров и стержень с воздушными зазорами, при этом стержень без воздушных зазоров охватывают обмотка управления и последовательная обмотка, а компенсационная
30 обмотка и общая обмотка охватывают стержень без воздушных зазоров с упомянутыми обмотками и стержень с воздушными зазорами. (патент RU N° 2297062, HOlF 29/14, G05F 1/10, опубл. 10.09.2006).
это устройство выполнено ассиметричным. последовательная обмогка охватывает обмотку управления, а общая обмотка расположена поверх компенсационной обмотки. поперечное сечение стержней без воздушных зазоров и с воздушными зазорами выполняются в форме сегментов круга, причем по всей окружности размещены компенсационная и общая обмотка, а вокруг сегмента стержня без воздушных зазоров - последовательная и управляющая обмотки. между торцами всех обмоток и ярмами размещены кольцевые шунты с радиальным разрезом, причем кольцевые шунты выполняются по форме, соответствующей форме сечения торцов обмоток, выступающих за контуры магнитной системы. вывод ^ сетевой обмотки и вывод узла соединения между последовательной и общей обмотками подключены к электропередаче через коммутационные аппараты.
ограничениями этого технического решения являются: применение стержня с воздушными зазорами приводит к еще большему увеличению диаметра сетевой обмотки по сравнению с ранее описанным аналогом, поскольку оба стержня используются для обеспечения возможности работы реактора в режиме автотрансформатора; сложность изготовления устройства, т.к. выполнение стержня, разделенного на две части, поперечное сечение каждой из которых выполнено в виде сегмента круга, представляет собой трудно осуществимый технологический процесс; сложность конструкции и повышенный расход материалов из-за использования
δV компенсационной обмотки и специфического подсоединения управляющей, последовательной, компенсационной и общей обмоток, большие габариты.
наиболее близким является управляемый реактор трансформаторного типа, содержащий замкнутый магнитопровод, центральный стержень, расположенный внутри замкнутого магнитопровода и связанный с ним. обмотку управления.
25 расположенную на центральном стержне, сетевую обмотку. расположенную коаксиально снаружи относительно обмотки управления, и блок управления, выполненный обеспечивающим регулирование тока обмотки управления и подсоединенный к ней. (патент RU JVs 2221297, HOlF 38/02, H021F 29/02, опубл. 31.10.2002).
™ в этом техническом решении реактор имеет замкнутый магнитопровод без воздушных зазоров, коаксиально расположенные сетевую обмотку, обмотку управления и компенсационную обмотку, размещенную между ними, управляющие током сетевой обмотки блоки, устройства ограничения высших гармоник в токе
сетевой обмотки, в котором торцевые части обмоток сверху и снизу прикрыты магнитными шунтами, причем сверху и снизу прикрыто и межобмоточное пространство между секторными магнитными шунтами, улавливающими магнитный поток рассеяния, и направляющими его к ярмам магнитопровода, при этом суммарное
-* сечение ∑F я ярем магнитопровода превышает сечение F cт стержней магнитопровода и выбрано из условия ai + г
у F a i. + а
1 < ^-i = ≤ 2 < хз, ai + а г a i > +
3 - толщина сетевой обмотки; a 2 - толщина обмотки управления; 0 ai 2 - толщина зазора между сетевой обмоткой и обмоткой управления.
в качестве управляющих ключей блока управления в этом устройстве использованы вакуумные выключатели, поэтому управляемый реактор работает только при двух значениях тока в сетевой обмотке: минимальном - при разомкнутом вакуумном выключателе и максимальном (номинальный ток) - при замкнутом5 вакуумном выключателе.
поскольку отличительной особенностью реакторов трансформаторного типа является то, что номинальным режимом является режим короткого замыкания обмотки управления, заданная величина номинального тока сетевой обмотки (мощность реактора) в данном устройстве задается увеличением расстояния между сетевой обмоткой и обмоткой управления по сравнению с трансформатором той же мощности.
ограничениями этого технического решения являются: большое время отклика реактора на изменение тока или напряжения сети из-за способности работать только при двух значениях индуктивности реактора: максимальном - при разомкнутом J 5 вакуумном выключателе, и минимальном - замкнутом вакуумном выключателе; повышенный расход проводниковых материалов для изготовления компенсационной и сетевой обмотки большого диаметра; сложность устройства из-за использования компенсационной обмотки и магнитных шунтов; большие габариты.
раскрытие изобретения в основу настоящего изобретения поставлена задача создания управляемого реактора трансформаторного типа, в котором увеличиваются быстродействие и
коэффициент полезного действия (кпд), упрощается конструкция, уменьшаются габариты и используемые проводниковые материалы, и, таким образом, улучшаются технико-эксплуатационны характеристики.
для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном управляемом реакторе трансформаторного типа, содержащем замкнутый магнитопровод, центральный стержень, расположенный внутри замкнутого магнитопровода и связанный с ним, обмотку управления, расположенную на центральном стержне, сетевую обмотку, расположенную коаксиально снаружи относительно обмотки управления, и блок управления, выполненный обеспечивающим регулирование тока обмотки управления и подсоединенный к ней, согласно изобретению введен цилиндрический стержень, расположенный концентрично относительно центрального стержня и связанный с замкнутым магнитопроводом, в цилиндрическом стержне выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор, а сетевая обмотка расположена на цилиндрическом стержне, причем длина поперечного зазора или суммарная длина поперечных зазоров выполнена удовлетворяющей условию:
0 8 ≤ __Ofλ_ < 1 2
Fμ ϋ μ r - B S L где L 113 — длина поперечного зазора или суммарная длина нескольких поперечных зазоров; μ r - относительная магнитная проницаемость материала цилиндрического стержня;
гн
(μ 0 = 4π • 10 "7 — )-aбcoлютнaя магнитная проницаемость поперечного зазора; м
Bs - рабочая индукция материала цилиндрического стержня; L - длина цилиндрического стержня; F- магнитодвижущая сила сетевой обмотки.
возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- ширина ярем замкнутого магнитопровода была выполнена равной внешнему диаметру цилиндрического стержня; - блок управления был выполнен на базе высоковольтных транзисторов.
указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
краткое описание чертежей
фиг. 1 изображает принципиальную электрическую схему заявленного реактора;
фиг. 2 - схематично, расположение обмоток на стержнях, фронтальный вид: фиг. 3 - то же, что фиг. 2, горизонтальный вид.
лучший вариант осуществления изобретения
принципиальная электрическая схема заявленного управляемого реактора трансформаторного типа (фиг. 1) соответствует эквивалентной схеме управления шунтирующего реактора с использованием вакуумных выключателей ближайшего аналога, где 1 - обмотка управления, 2 - сетевая обмотка, а 3 - блок управления. блок
3 управления, однако, в заявленном техническом решении может быть выполнен без использования вакуумных выключателей, а например, на высоковольтных IGBT транзисторах.
управляемый реактор трансформаторного типа (фиг. 2, 3) содержит замкнутый магнито провод 4, центральный стержень 5, расположенный внутри замкнутого магнитопровода 4 и связанный с ним. обмотка 1 управления расположена на центральном стержне 5. сетевая обмотка 2 расположена коаксиально снаружи относительно обмотки 1 управления. блок 3 управления (на фиг. 2, 3 не показан) выполнен обеспечивающим регулирование тока обмотки 1 управления и подсоединен к ней (фиг. 1).
введен цилиндрический стержень 6, расположенный концентрично относительно центрального стержня 5 и связанный своими концами с замкнутым магнитопроводом 4. в цилиндрическом стержне 6 выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор 7, а сетевая обмотка 2 расположена на цилиндрическом стержне 6. длина поперечного зазора 7 или суммарная длина поперечных зазоров 7 выполнена удовлетворяющей условию:
0 8 < _OfA — ≤ 1 2
Fμ o μ r - B S L где L 113 - длина поперечного зазора 7 или суммарная длина нескольких поперечных зазоров 7;
μ r - относительная магнитная проницаемость материала цилиндрического стержня 6;
(μ 0 - аπ л Q' — )-aбcoлютнaя магнитная проницаемость поперечного зазора 7: м
Bs - рабочая индукция материала цилиндрического стержня 6;
L - длина цилиндрического стержня 6;
F - магнитодвижущая сила сетевой обмотки 2.
для дополнительного уменьшения габаритов ширина S ярем замкнутого магнитопровода 4 может быть выполнена равной внешнему диаметру D цилиндрического стержня 6 (фиг. 3).
10 как отмечалось ранее, для дополнительного повышения быстродействия блок
3 управления выполнен на базе высоковольтных транзисторов (фиг. 1).
работает управляемый реактор трансформаторного типа (фиг. 1 -3) следующим образом.
при использовании в качестве регулирующего ток обмотки 1 управления
^ высоковольтного транзистора блока 3 управления изменение тока в обмотке 1 управления и, соответственно, в сетевой обмотке 2 осуществляется практически безынерционно путем изменения сигнала управления транзистором. при нулевом сигнале управления ток в сетевой обмотке 2 минимален, при этом индуктивность реактора максимальна. при увеличении сигнала управления ток увеличивается.
δV при полностью включенном транзисторе блока 3 управления ток сетевой обмотки
2 максимален (номинальный режим). при этом индуктивность реактора минимальна. практическая синусоидальность тока в обмотке 1 управления снижает появление высших гармонических составляющих в токе сетевой обмотки
2. поскольку коммутационные потери при включении транзистора блока 3
^ J управления существенно меньше, чем у вакуумного выключателя или тиристора. то уменьшаются потери мощности в реакторе.
из общей теории трансформаторов известно, что собственная индуктивность реактора в номинальном режиме определяется величиной магнитного потока в области между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления. величина этого потока ™ задается магнитодвижущей силой сетевой обмотки 2, определяемой заданной мощностью реактора, и магнитным сопротивлением зазора между сетевой обмоткой 2 и обмоткой управления 1.
при расположении обмотки 1 управления и сетевой обмотки 2 на сплошном центральном стержне 5 (в конструкции ближайшего аналога) магнитное сопротивление Ry зазора между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления определяется как:
AM л O ' где L* - длина центрального стержня 5; d cp - диаметр окружности, делящей зазор между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления пополам; а - ширина зазора между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления; μ Q = 4π • 10 ~7 гн I м (абсолютная магнитная проницаемость зазора); л-= 3,14.
для обеспечения возможности работы реактора в номинальном режиме R^ должно быть достаточно небольшим, что достигается в ближайшем аналоге увеличением а. увеличение а приводит к увеличению внутреннего диаметра
^ сетевой обмотки 2 до величины, существенно большей, чем необходимо для электрической прочности изоляции между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления и, соответственно, к увеличению наружного диаметра сетевой обмотки 2 и габаритов устройства в целом.
вследствие большого удаления сетевой обмотки 2 от ярма основная часть
^ магнитного потока сетевой обмотки 2 направляется в различные конструктивные элементы управляемого реактора, например: стяжные балки ярем, крышка и стенки бака трансформатора и другие. для направления этого потока в ярма в ближайшем аналоге используются кольцевые магнитные шунты, усложняющие конструкцию реактора.
δJ в настоящем изобретении уменьшение магнитного сопротивления Rм осуществляется за счет того, что введен цилиндрический стержень 6, расположенный концентрично относительно центрального стержня 5 и связанный с замкнутым магнитопроводом 4. в цилиндрическом стержне 6 выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор 7, а сетевая обмотка 2 расположена на цилиндрическом стержне 6.
3® при этом отсутствует необходимость в использовании компенсационной обмотки и магнитных шунтов. поперечный зазор 7 может быть выполнен воздушным или заполнен диэлектриком.
при таком расположении обмоток магнитное сопротивление промежутка (зазора) между обмоткой 1 управления и сетевой обмоткой 2 в основном определяется магнитным сопротивлением R \ / цилиндрического стержня 6, которое имеет вид: L + L u] (μ r - \)
где L - длина цилиндрического стержня 6;
Z, U j - длина поперечного зазора или суммарная длина нескольких поперечных зазоров; d' cp - диаметр окружности, делящей зазор между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления пополам; а'- ширина цилиндрического стержня 6; μ r - относительная магнитная проницаемость. μ 0 = 4π • 1 (г 7 гнl м (абсолютная магнитная проницаемость поперечного зазора
7).
поскольку для современных электротехнических сталей μ r » 1 равенство
R м = R м ' выполняется при a'< а , что приводит к уменьшению диаметра сетевой обмотки 2 и, соответственно, уменьшению расхода проводникового материала на ее изготовление, и уменьшению потерь мощности в сетевой обмотке 2 реактора.
экспериментальные исследования показали, что для достижения указанного технического результата с достаточной для практики точностью длина зазора L 113 выбирается из условия:
0,8 < LuзяBs < 1,2 пl
Fμ o μ r - B S L ' ш где L 1n - длина поперечного зазора 7 или суммарная длина нескольких поперечных зазоров 7; μ r - относительная магнитная проницаемость материала цилиндрического- > стержня 6; μ 0 = 4π • 10 "7 гн l м (абсолютная магнитная проницаемость зазора)
B s - рабочая индукция материала цилиндрического стержня 6;
L - длина цилиндрического стержня 6;
F- магнитодвижущая сила сетевой обмотки 2.
величины μ r и Bs определяются исходя из магнитных свойств материала, выбранного для изготовления цилиндрического стержня, ^-заданным напряжением на входе сетевой обмотки реактора, F -заданной номинальной мощностью реактора.
длина поперечного зазора L 113 является основной величиной, определяющей ^ реализацию заданной номинальной мощности реактора. пределы изменения L 1n , получаемые из математического выражения [1], определяются точностью математической модели, положенной в основу расчета реактора.
экспериментальные исследования показали, что при изменении L 113 в диапазоне, получаемом из математического выражения [1], номинальная мощность ^ реактора изменяется не более, чем на 5%, что допустимо по условиям эксплуатации в энергосистемах.
если получаемая из математического выражения [1] величина меньше 0,8, то происходит быстрое уменьшение номинальной мощности реактора. если эта величина больше 1,2, то происходит слишком быстрое увеличение номинальной * ^ мощности реактора.
конструктивно поперечный зазор 7 может быть выполнен воздушным, или в виде диэлектрической шайбы (при одном поперечном зазоре 7), или в виде группы диэлектрических шайб (при нескольких поперечных зазорах 7), установленных в поперечных плоскостях цилиндрического стержня 6.
" для изготовления цилиндрического стержня 6 может быть использован, например, композиционный магнито-мягкий порошковый материал KMM-5 (основные магнитные свойства которого приведены в журнале "электротехника " , 1994, N°8, cтp.54), обладающий высоким удельным сопротивлением. используя этот материал, можно получить поперечный зазор 7 в виде равномерно распределенных ^ воздушных зазоров, что позволяет получать необходимые воздушных промежутки без нарушения геометрической целостности цилиндрического стержня 6. в то же время большая величина удельного сопротивления этого материала позволяет выбрать расстояние между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления совсем незначительным, как для трансформатора такого же класса напряжения. 0 пример конкретного выполнения изобретения.
например, для реактора (основные параметры которого приведены в журнале «элeктpичecтвo», N° 6, стр.20, 2005 г.) напряжение сетевой обмотки 300 кв при мощности на одну фазу P=33,3 мвт, расстояние между сетевой обмоткой 2 и
обмоткой 1 управления равно 0,391 м, при этом наружный диаметр сетевой обмотки 2 D 0 = 2,37 м.
выполнение реактора на то же напряжение и мощность в соответствии с заявленным техническим решением по сравнению с ближайшим аналогом позволяет
^ уменьшить расстояние между сетевой обмоткой 2 и обмоткой 1 управления до 0,1 м. а наружный диаметр сетевой обмотки 2 до 1,5 м. при этом вес сетевой обмотки 2 уменьшается от 24,2 т. до 16,8 т. соответственно, в 1,44 раза уменьшается длина среднего витка сетевой обмотки 2, что приводит к уменьшению ее активного сопротивления и увеличению кпд реактора. цилиндрический стержень 6 может быть
ю выполнен из. электротехнической стали марки 3413. толщиной 0,35 мм, для которой рабочая индукция Bs =1,5 T, относительная магнитная проницаемость μ r = 1, 3 • 10 J .
высота цилиндрического стержня 6 L= 2,34 м, магнитодвижущая сила сетевой обмотки 2 F = 2, 69 10 3 л . при этих задаваемый условиях величина L 113 поперечного зазора должна быть 0,176 м< L uз <0,264 м. 15 . промышленная применимость
наиболее успешно заявленный управляемый реактор трансформаторного типа промышленно применим в области электроэнергетики.