ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК H01F29/14 H01F37/00 H01F38/02 

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 со средними стержнями, двумя ярмами, с двумя боковыми ярмами. На средних стержнях размещены обмотки управления. На средних стержнях размещены также сетевые обмотки, охватывающие обмотки управления. Для повышения надежности и увеличения быстродействия между сетевыми обмотками одной фазы имеются сложные электрические пересоединения. Помимо сложности конструкции, недостатком [1] является повышенный расход основных материалов - проводникового материала сетевых обмоток и электротехнической стали магнитной системы. В реакторе-аналоге [1] имеются искажения тока из-за высших гармоник, возникающих при насыщении участков ярем. Кроме того, в элементах конструкции реактора возникают большие потери из-за вихревых токов, вызываемых полем рассеяния обмоток.

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 со средними стержнями, двумя ярмами, с двумя боковыми ярмами, на стержнях размещены обмотки управления. В отличие от аналога [1] имеется не две, а одна сетевая обмотка, охватывающая два соседних стержня с обмотками управления, что позволяет упростить конструкцию и сократить расход материалов. Однако устройство имеет искажения тока из-за высших гармоник, возникающих при насыщении участков ярем, обладает повышенными потерями на вихревые токи, возникающие в элементах конструкции из-за магнитного поля рассеяния.

Целью изобретения является уменьшение тока искажения высшими гармониками и снижение потерь на вихревые токи, возникающих в элементах конструкции из-за магнитного поля рассеяния за счет введения новых элементов конструкции - кольцевых шунтов сложного сечения, а также за счет введения новых соотношений размеров между сечениями ярем и стержней магнитопровода.

Поставленная цель достигается тем, что в электрическом реакторе с подмагничиванием, содержащем магнитную систему со средними стержнями, ярмами, двумя боковыми ярмами, размещенные на средних стержнях обмотки управления, подключенные к регулируемому источнику постоянного напряжения, и сетевые обмотки, охватывающие два соседних стержня с управляющими обмотками, включенными встречно, отличающийся тем, что между торцами обмоток и ярмами размещены кольцевые шунты с радиальным разрезом, при этом, каждый из указанных кольцевых шунтов намотан из ленты электротехнической стали и снабжен вставками из листов электротехнической стали, ширина которых равна ширине указанной ленты, вставки размещены между ее слоями, причем указанные кольцевые шунты выполнены по форме, соответствующей форме сечения торцов обмоток, выступающих за контуры магнитной системы, отношение минимального сечения стали каждого кольцевого шунта к сечению стали каждого среднего стержня находится в пределах от 1/8 до 1/4, упомянутые ярма выполнены с участками разного сечения стали, при этом площадь S сечения стали участков ярем, расположенных между соседними стержнями, охваченными сетевой обмоткой, и площадь S_ст сечения стали стержней связаны соотношением
S:S_ст=1,5÷2.

Кольцевые шунты могут быть выполнены с осевыми разрезами.

Предлагаемый электрический реактор с подмагничиванием поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана конструкция магнитной системы реактора с обмотками в сечении по главной оси, на фиг.2 - сечение реактора в плане, на фиг.3 дан в двух проекциях кольцевой шунт.

Магнитная система реактора содержит стержни 1, два ярма (горизонтальных) - верхнее 2 и нижнее 3, два боковых ярма 4. На всех соседних стержнях 1 размещены обмотки управления 5. В реакторе имеются три (по числу фаз А, В и С) сетевые обмотки 6, каждая сетевая обмотка охватывает два соседних стержня с обмотками управления.

На торцах всех обмоток вплотную к ярмам 2 и 3 размещены намотанные из ленты электротехнической стали кольцевые шунты 7, имеющие радиальный разрез 8. На фиг. 2 и 3 видно, что эти шунты выполнены по форме, соответствующей форме сечения торцов обмоток, выступающих за контуры магнитной системы (эти контуры - линии ярем 2 и 3 в плане на фиг.3 показаны штрих-пунктиром). Для того, чтобы выполнить кольцевые шунты сложной формы, при их намотке из ленты электротехнической стали между витками ленты закладывают вставки 9 из листов стали разной длины и с шириной, имеющей ширину ленты.

Кольцевые шунты могут быть выполнены с осевыми разрезами 10.

Для удобства выполнения и монтажа, для лучшего охлаждения кольцевые шунты могут быть сплошными или составными из двух частей, в последнем случае между этими частями имеется канал 11, который на фиг.1,2 и 3 показан пунктиром.

Ярма 2 и 3 имеют участки 12, расположенные между соседними стержнями 1, охваченными сетевой обмоткой 6. Эти участки 12 по сравнению с другими участками ярем 2 и 3 и боковыми ярмами 4 имеют увеличенное сечение стали.

Обмотки управления, при помощи которых осуществляется регулирование мощности реактора подмагничиванием стержней, подключаются к регулируемому источнику постоянного напряжения, при этом возможны различные варианты соединения обмоток управления. Например, каждая пара обмоток управления 5, охваченная своей сетевой обмоткой 6, может быть соединена последовательно встречно, а все 3 пары обмоток управления трех фаз реактора могут быть соединены между собой параллельно.

Сетевые обмотки 6 трех фаз могут быть соединены в звезду с нулем (или в другую трехфазную схему) и подключены к трехфазной сети переменного напряжения.

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

При подключении обмоток 6 к электрической сети переменного тока и отключенном регулируемом источнике постоянного тока в двух соседних стержнях 1 возникают одинаковые по величине и направлению переменные магнитные потоки с амплитудой Ф_m, замыкающиеся через ярма 2 и 3 и боковые стержни 4 магнитной системы. Амплитуда потоков Ф_m примерно равна потоку насыщения стержней Ф_s (это соответствует наиболее рациональному использованию стали стержней), а постоянный магнитный поток отсутствует. Во всех сечениях магнитной системы (стержнях и всех ярмах) суммарный поток не превышает поток насыщения Ф_s (равный индукции насыщения стали, помноженной на сечение стали), поэтому ток реактора практически очень невелик. Такой режим работы реактора называют режимом холостого хода.

Управление мощностью реактора осуществляется подключением к подмагничивающим обмоткам управления регулируемого источника постоянного напряжения, 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 участки ярем 12, расположенные между стержнями 1 одной фазы. Так как на поток подмагничивания Ф₀ накладывается переменный поток Ф_s, результирующий поток начинает смещаться 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 6. При увеличении постоянного напряжения на обмотке управления 5 поток подмагничивания увеличивается, увеличиваются интервалы времени внутри каждого периода, когда стержень находится в насыщенном состоянии (т. е. когда поток стержня больше потока насыщения Ф_s), в соответствии с этим увеличивается и сетевой ток. Существует особенный промежуточный режим, при котором поток подмагничивания Ф₀ становится равным амплитуде переменного магнитного потока Ф_m. Этот режим 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. Такой режим называется режимом полупериодного насыщения. В этом режиме в токе реактора высшие гармоники практически отсутствуют, и ток имеет чисто синусоидальную форму, поэтому управляемый подмагничиванием реактор проектируется так, чтобы его номинальный режим был близок к режиму полупериодного насыщения.

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. В этом режиме, называемом режимом полнопериодного насыщения, реактор становится линейной индуктивностью, в токе высшие гармоники почти отсутствуют. Однако этот режим характеризуется большим током в обмотках управления, т. е. большими потерями в этих обмотках. Поэтому этот режим используется как кратковременный режим форсировки мощности. В этом режиме полнопериодного насыщения магнитный поток в участке ярма 12 между стержнями 1 каждой фазы становится очень большим, так как поток подмагничивания Ф₀, увеличивается до величины амплитуды переменного магнитного потока Ф_m. Однако эти участки 12 имеют увеличенную площадь сечения, поэтому они не насыщаются, и ток реактора остается не искаженным, чисто синусоидальным. Такие искажения были бы в случае, если бы ярма не имели участков увеличенного сечения (как в прототипе). Дополнительные расчеты показали, что увеличение сечения должно быть не менее 1,5-кратного по отношению к площади сечения стали стержня 1, т.к. при меньшей площади искажения в сетевом токе реактора становятся больше допустимых. Увеличение более 2-кратного также не рационально, т. к. магнитный поток в этих участках не превышает двойного потока Ф_m.

При работе реактора ток обмоток вне стали (в области обмоток) создает магнитное поле рассеяния. Это поле рассеяния имеет максимальную индукцию в середине высоты обмоток, а замыкается оно вне обмоток, проходя в основном сквозь торцы обмоток. Если поле рассеяния не "направить" определенными конструктивными мерами, то оно "вырвавшись наружу", наведет вихревые токи во всех металлических узлах конструкции (прессующих балках, ярмах, стенках бака и др.). Эти вихревые токи приведут к существенному увеличению потерь мощности в реакторе, к опасным местным нагревам. Для мощных реакторов они грозят их полной неработоспособностью. Кольцевые шунты, установленные на торцах обмоток, концентрируют поле рассеяния. Поле рассеяния входит в кольцевой шунт, проходит вдоль листов стали (вдоль листов ленты) и переходит в ярмо через зазор под ярмом. Кольцевые шунты имеют сложную форму для того, чтобы "перекрыть" торцы обмоток, выступающие за контур магнитной системы (контур ярем). Сконцентрированный в кольцевом шунте магнитный поток рассеяния максимален в сечении шунта на уровне линии ярма, т.к. до этой линии магнитный поток рассеяния только накапливается, а за этой линией он начинает переходить в ярмо. В этой же области сечение стали кольцевого шунта минимально. Дополнительные расчеты показали, что в зависимости от соотношения геометрических размеров обмоток и магнитной системы сконцентрированный магнитный поток составляет 1/8 - 1/4 магнитного потока среднего стержня, поэтому минимальная площадь сечения стали кольцевого шунта по отношению к площади сечения стали среднего стержня должны находиться в том же диапазоне. Если площадь сечения меньше минимального, то происходит насыщение стали шунта, приводящее к неблагоприятному перераспределению магнитного потока между слоями, увеличению потерь и нагрева. Увеличение сечения свыше верхней границы нерационально из-за лишнего увеличения массы стали шунтов.

Магнитное поле рассеяния в радиальном направлении не равномерно, поэтому между слоями кольцевого шунта имеются перетоки магнитного поля. При этом из-за магнитного потока поперек ленты стали возникают вихревые токи, приводящие к большим потерям и нагреву. С целью снижения потерь и нагрева кольцевых шунтов они выполняются с осевыми разрезами. Радиальный разрез кольцевого шунта необходим для того, чтобы не было короткозамкнутого контура, охватывающего основной магнитный поток сетевой обмотки.

Кроме трехфазного варианта возможен однофазный вариант конструкции, при этом сохраняются все элементы конструкции трехфазного реактора, но соответственно уменьшается число стержней и обмоток.

Работоспособность предлагаемого управляемого подмагничиванием электрического реактора и его высокие технико-экономические показатели подтверждены расчетами и физическим моделированием. По сравнению с аналогом и прототипом предлагаемое изобретение обладает явным преимуществом - улучшением формы кривой тока, уменьшением потерь, а также расхода материалов.

Литература
1. Электрический реактор с подмагничиванием. Патент РФ 1762322, Н 01 F 29/14. Бюллетень изобретений 34 1992 г.

2. Core for electrical apparatus. Paul A. Vanse. Патент США 2287382. Application Juli 23, 1940, Serial No 346,904. Patendet Dec. 23, 1941.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, в электрических сетях для компенсации реактивной мощности. Электрический реактор содержит магнитную систему со средними стержнями, ярмами, двумя боковыми ярмами. Размещенные на средних стержнях обмотки управления подключены к регулируемому источнику постоянного напряжения. Сетевые обмотки охватывают два соседних стержня с управляющими обмоткам включенными. Между торцами обмоток и ярмами размещены кольцевые шунты с радиальным разрезом. Каждый из них намотан из ленты электротехнической стали и снабжен вставками из листов электротехнической стали, ширина которых равна ширине ленты. Вставки размещены между ее слоями. Кольцевые шунты выполнены по форме, соответствующей форме сечения торцов обмоток, выступающих за контуры магнитной системы. Отношение минимального сечения стали каждого кольцевого шунта к сечению стали каждого среднего стержня находится в пределах от 1/8 до 1/4. Ярма магнитной системы выполнены с участками разного сечения стали. Площадь S сечения стали участков ярем, расположенных между соседними стержнями, охваченными сетевой обмоткой, и площадь S_ст сечения стали стержней связаны соотношением: S:S_ст=1,5-2. Технический результат заключается в уменьшении тока искажения высшими гармониками и снижение потерь на выхревые токи. 1 з.п.ф-лы., 3 ил.

1. Электрический реактор с подмагничиванием, содержащий магнитную систему со средними стержнями, ярмами, двумя боковыми ярмами, размещенные на средних стержнях обмотки управления, подключенные к регулируемому источнику постоянного напряжения, и сетевые обмотки, охватывающие два соседних стержня с управляющими обмотками, включенными встречно, отличающийся тем, что между торцами обмоток и ярмами размещены кольцевые шунты с радиальным разрезом, при этом каждый из указанных кольцевых шунтов намотан из ленты электротехнической стали и снабжен вставками из листов электротехнической стали, ширина которых равна ширине указанной ленты, вставки размещены между ее слоями, причем указанные кольцевые шунты выполнены по форме, соответствующей форме сечения торцов обмоток, выступающих за контуры магнитной системы, отношение минимального сечения стали каждого кольцевого шунта к сечению стали каждого среднего стержня находится в пределах от 1/8 до 1/4, упомянутые ярма выполнены с участками разного сечения стали, при этом площадь S сечения стали участков ярем, расположенных между соседними стержнями, охваченными сетевой обмоткой, и площадь S_CT сечения стали стержней связаны соотношением S:S_ст=1,5÷2.2. Электрический реактор с подмагничиванием по п.1, отличающийся тем, что кольцевые шунты имеют осевые разрезы.