ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Российский патент 2006 года по МПК H01F29/14 H01F21/08 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электрических реакторов, установленных в электрической сети в качестве нерегулируемой индуктивности, например для компенсации реактивной мощности, в различных электротехнических схемах и устройствах.

Известен электрический бронестержневой реактор с немагнитными зазорами в стержне [1]. В этом устройстве-аналоге имеется магнитная система со стержнями и ярмами, имеется обмотка реактора, охватывающая стержень. Недостатками аналога являются увеличенные вибрация и шум, возникающие из-за электромагнитных сил, действующих на магнитные вставки между немагнитными зазорами и на верхнее и нижнее ярма, а также сложность изготовления, сборки и стяжки сложных многоэлементных стержней. Устройство обладает повышенными потерями на вихревые токи, возникающие в элементах конструкции из-за магнитного поля рассеяния.

Частично недостатки реактора-аналога устранены в известном устройстве, являющемся наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению - броневом насыщающемся реакторе [1, стр.14, рис.1-1, з]. В известном реакторе имеется цельношихтованная магнитная система, содержащая стержень и ярма, и обмотка, расположенная на стержне. Из-за отсутствия в магнитной системе немагнитных зазоров и вставок практически снимается проблема шума и вибраций, упрощается конструкция и сборка реактора. Недостатком прототипа является наличие в рабочем токе кроме основной первой гармоники существенных высших гармоник из-за нелинейности магнитной характеристики стали стержня.

Целью изобретения является снижение высших гармоник в рабочем токе.

Поставленная цель достигается тем, что электрический реактор, содержащий шихтованную из листов электротехнической стали магнитную систему со стержнем и ярмами, расположенную на стержне обмотку и два ввода, снабжен вторым таким же реактором и двумя полупроводниковыми диодами. Один конец каждой из обмоток обоих реакторов подсоединен к первому вводу, второй конец обмотки первого реактора подсоединен к аноду одного диода, катод которого подсоединен ко второму вводу, второй конец обмотки второго реактора подсоединен к катоду второго диода, анод которого подсоединен ко второму вводу.

В электрическом реакторе для улучшения гармонического состава тока стержни могут быть выполнены с участками уменьшенного сечения.

Для радикального снижения нелинейных искажений в токе реактора можно выполнить реактор таким образом, что напряжение реактора, частота, число витков в обмотках и площадь сечения стали стержней связаны соотношением:

U√2/(ωwS_ст)=B_S±0,1 Тл≈(2±0,1) Тл,

где U - напряжение на вводах реактора;

√2=1,41...;

ω - круговая частота сети;

w - число витков в обмотках;

S_ст - площадь сечения стали стержней;

B_S - индукция насыщения электротехнической стали.

Предлагаемый электрический реактор поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена конструкция магнитной системы реактора с обмотками и диодами и электрическая схема, на фиг.2 дана электрическая схема трехфазного реактора, на фиг.3 показаны пластины стержня реактора с участками уменьшенного сечения стали, на фиг.4 даны поясняющие работу реактора осциллограммы. На фиг.5 приведены кривые тока искажения предложенного реактора и реактора-прототипа.

Предлагаемый электрический реактор содержит два одинаковых реактора - две шихтованные из пластин электротехнической стали магнитные системы 1 и 2 со стержнями 3 и 4 и ярмами 5 и 6. Один конец 9 обмотки 7 подсоединен к первому вводу А, к этому же вводу подсоединен конец 10 второй обмотки 8. Второй конец 11 обмотки 7 подсоединен к аноду диода 13, катод которого подсоединен к вводу X. Второй конец 12 обмотки 8 подсоединен к катоду диода 14, анод которого подсоединен к вводу X.

Рассмотрим работу реактора.

При подключении вводов реактора А и Х к сети переменного напряжения U после окончания переходного режима на обмотках 7 и 8 устанавливается переменное напряжение, в обмотках возникает ток, который из-за диодов 13 и 14, кроме переменной составляющей, содержит и постоянную составляющую. Из-за наличия постоянной составляющей в токе кривая магнитной индукции в стали в части периода переходит в область насыщения. Ток предлагаемого реактора является суммой двух токов обмоток. В этой сумме основным током является ток первой гармоники, присутствуют токи нечетных гармоник и отсутствуют постоянная составляющая тока и все четные гармоники тока. Гармонический состав тока реактора зависит от величины напряжения U на вводах реактора А и X. Как показали дополнительные исследования, результаты которых при необходимости могут быть дополнительно предоставлены, в большой области изменения напряжения U содержание высших гармоник достаточно мало и лежит в приемлемой для практики области 5-15%.

Наибольшую величину среди высших гармоник в токе реактора имеет 3-я гармоника. Для радикального улучшения гармонического состава тока трехфазных реакторов три однофазных реактора могут быть соединены в треугольник (фиг.2). В этом случае гармоники, кратные трем, замыкаются в треугольнике, и линейный ток ректора оказывается почти чисто синусоидальным, ток искажения в большом диапазоне изменения напряжения U составляет всего несколько процентов.

Для дополнительного снижения высших гармоник в токе однофазного реактора в стержнях 3 и 4 можно при необходимости предусмотреть наличие участков сниженного сечения стали (фиг.3) ступенчатые 15 или в виде угловых вырубов 16 в пластинах стержня. Как показали дополнительные исследования, результаты которых при необходимости могут быть дополнительно предоставлены, при этом получается существенное снижение всех высших гармоник. Размеры участков сниженного сечения могут быть выбраны таким образом, чтобы минимизировать ток искажения реактора или отдельные гармоники (например, 3-ю гармонику).

Для радикального снижения нелинейных искажений в токе реактора можно выполнить его таким образом, что напряжение реактора, частота, число витков в обмотках и площадь сечения стали стержней связаны соотношением:

U√2/(ωwS_ст)=B_S±0,1 Тл≈(2±0,1) Тл,

где U - напряжение на вводах реактора А и X, действующее значение, В;

√2=1,41...;

ω - круговая частота сети, 1/с(ω=314 1/с для частоты сети 50 Гц);

w - число витков в обмотках 7 и 8;

S_ст - площадь сечения стали стержней 3 и 4, кв.м;

B_S - индукция насыщения электротехнической стали.

Интервал допустимого изменения соотношения геометрических размеров и параметров реактора U, w и S_ст, внутри которого ток искажения сохраняется минимальным, дается величиной B_s±0,1 Тл≈(2±0,1) Тл.

При этих соотношениях размеров и параметров реактор работает в особом режиме подмагничивания стержней, который называется режимом полупериодного насыщения стали. На осциллограммах режима полупериодного насыщения (фиг.4) обозначены кривые: ток реактора 17, токи каждой обмотки 18 и 19, индукция В в стали стержней 20 и 21. Видно, что в этом особом режиме магнитная индукция в стали стержней 20 и 21 в течение половины периода находится в ненасыщенной области магнитной характеристики (В≤B_s, где B_s - индукция насыщения стали), а в течение другой половины - в насыщенной области (В≥B_s), токи 18 и 19 в каждой из обмоток 3 и 4 представляют один полупериод синусоиды, а ток реактора 17 - их сумму - практически чистую синусоиду с нелинейными искажениями менее 1%.

По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обладает преимуществом - уменьшением нелинейных искажений в токе. На фиг.5 показаны кривые тока искажения 22 и 23 - среднеквадратичного значения токов высших гармоник (в процентах к условному номинальному току 100 А) - для предлагаемого реактора и для предлагаемого реактора с участками уменьшенного сечения в стержне, в котором нелинейные искажения существенно снижены. Эти кривые получены при изменении напряжения на реакторе U. Видно, что в кривой 22 имеется особая точка 24 с минимальными искажениями. Эта точка соответствует предложенному реактору с оптимальным соотношение размеров. В небольшой области около точки 24, что соответствует интервалу B_s±0,1 Тл≈(2±0,1) Тл, искажения составляют не более одного процента.

Для сравнения на фиг.5 приведена также кривая тока искажения 25 в реакторе-прототипе (насыщающемся реакторе). Видно, что нелинейные искажения в токе предлагаемого реактора существенно меньше, чем в прототипе.

По сравнению с аналогом - стержневым реактором с немагнитными зазорами - предложенный реактор имеет сниженный шум и вибрации, упрощенную конструкцию и увеличенную надежность работы.

Работоспособность предлагаемого электрического реактора подтверждена расчетами на математической модели, физическим моделированием и результатами испытаний макета.

Литература

1. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. М.: «Энергия». 1981. 324 с. Ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электрических реакторов, устанавливаемых в электрической сети в качестве нерегулируемой индуктивности, например, для компенсации реактивной мощности, в различных электротехнических схемах и устройствах. Сущность изобретения состоит в том, что электрический реактор содержит две шихтованные из листов электротехнической стали магнитные системы, каждая из которых выполнена со стержнем и ярмами, и расположенные на стержнях обмотки, а также два полупроводниковых диода. При этом один конец каждой из обмоток подсоединен к первому вводу, второй конец первой обмотки подсоединен к аноду одного диода, катод которого подсоединен ко второму вводу. Второй конец второй обмотки подсоединен к катоду второго диода, анод которого подсоединен ко второму вводу. Технический результат от использования данного изобретения состоит в том, что предлагаемый электрический реактор имеет уменьшенные нелинейные искажений в токе. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электрический реактор, содержащий шихтованную из листов электротехнической стали магнитную систему со стержнем и ярмами, расположенную на стержне обмотку и два ввода, отличающийся тем, что указанный реактор снабжен вторым таким же реактором и двумя полупроводниковыми диодами, один конец каждой из обмоток обоих реакторов подсоединен к первому вводу, второй конец обмотки первого реактора подсоединен к аноду одного диода, катод которого подсоединен ко второму вводу, второй конец обмотки второго реактора подсоединен к катоду второго диода, анод которого подсоединен ко второму вводу.2. Электрический реактор по п.1, отличающийся тем, что стержни реактора выполнены с участками уменьшенного сечения.3. Электрический реактор по п.1, отличающийся тем, что напряжение реактора, частота, число витков в обмотках и площадь сечения стали стержней связаны соотношением

U√2/(ωwS_ст)=B_S±0,1 Тл≈(2±0,1) Тл,

где U - напряжение на вводах реактора;

√2=1,41...;

ω - круговая частота сети;

w - число витков в обмотках;

S_ст - площадь сечения стали стержней;

B_S - индукция насыщения электротехнической стали.