ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК H01F29/14 H01F21/08 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управляемых подмагничиванием реакторов, устанавливаемых, например, в электрической сети в качестве шунтирующих реакторов для компенсации реактивной мощности, параллельно с конденсаторными батареями и др.

Известен электрический реактор с подмагничиванием - управляемый подмагничиванием дугогасящий реактор типа РУОМ [1]. В известном реакторе-аналоге имеется бронестержневая совмещенная («двухэтажная») магнитная система с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами, соосными верхним и нижнем стержнями. На стержнях расположены обмотки, состоящие из двух частей, имеется система управления. Недостатками аналога являются сниженная надежность из-за наличия в обмотке регулировочной части, при коротком замыкании которой возникают большие электродинамические силы в обмотках, а также увеличенные потери в стали и расход стали в ярмах.

Частично недостатки реактора [1] устранены в устройстве, являющемся наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению [2]. В известном электрическом реакторе с подмагничиванием имеется шихтованная из листов электротехнической стали магнитная система с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами, соосными верхним и нижним стержнями, расположенные на стержнях верхняя и нижняя обмотки, каждая из которых состоит из двух частей. Начала двух обмоток подключены к одному вводу реактора, а концы - ко второму вводу. Между боковыми ярмами и средним ярмом выполнены немагнитные зазоры. В реактор введены два полупроводниковых диода, при этом первый диод анодом подключен к концу одной части первой обмотки, а катодом - к началу второй части первой обмотки, второй диод катодом подключен к концу одной части второй обмотки, а анодом - к началу второй части второй обмотки. Имеется система управления, которая подключена к анодам и катодам обоих диодов. В известном электрическом реакторе установлены четыре магнитных шунта в виде прямоугольных рам с горизонтальными и вертикальными частями, причем горизонтальные части шунтов расположены на торцах обмоток вдоль верхнего, среднего и нижнего ярем, а замыкающие их вертикальные части расположены вдоль боковых ярем. Недостатком известного устройства является то, что известный реактор - однофазный, и для работы в трехфазной сети приходится использовать в трехфазной группе три однофазных реактора-прототипа, что связно с увеличенным расходом проводникового материала (меди или алюминия), электротехнической и конструкционной стали, трансформаторного масла, с увеличенными потерями, с увеличенной площадью, занимаемой трехфазной группой реакторов на подстанции. Известный реактор имеет также увеличенные потери в обмотках на циркулирующие токи.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей реактора за счет введения трехфазной конструкции реактора, снижения за счет этого расхода проводникового материала (меди или алюминия), электротехнической и конструкционной стали, трансформаторного масла, потерь, площади, занимаемой трехфазной группой реакторов на подстанции, снижение расхода электротехнической стали в среднем ярме реактора за счет более рациональной схемы соединения его обмоток и снижение потерь в обмотках на циркулирующие токи.

Поставленная цель достигается тем, что электрический реактор с подмагничиванием, содержащий шихтованную из листов электротехнической стали магнитную систему с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами, с соосными верхним и нижним стержнями, с обмоткой, состоящей из двух частей, расположенной на каждом стержне с вводами, к которым присоединены части обмоток, с преобразователем и системой управления, выполнен трехфазным, имеет три ввода и три преобразователя. Магнитная система выполнена с тремя верхними и тремя нижними стержнями, при этом две части обмоток размещены на каждом из них и выполнены в виде дисков. К первому вводу подсоединены начало первой части обмотки верхнего первого стержня и конец первой части обмотки нижнего второго стержня. К первому преобразователю подключены конец первой части обмотки верхнего первого стержня, начало первой части обмотки нижнего второго стержня, начало второй части обмотки верхнего первого стержня и конец второй части обмотки нижнего второго стержня. Конец второй части обмотки верхнего первого стержня и начало второй части обмотки нижнего второго стержня подсоединены ко второму вводу. Ко второму вводу подсоединены также начало первой части обмотки верхнего второго стержня и конец первой части обмотки нижнего третьего стержня. Ко второму преобразователю подключены конец первой части обмотки верхнего второго стержня, начало первой части обмотки нижнего третьего стержня, начало второй части обмотки верхнего второго стержня и конец второй части обмотки нижнего третьего стержня. Конец второй части обмотки верхнего второго стержня и начало второй части обмотки нижнего третьего стержня подсоединены к третьему вводу. К третьему вводу подсоединены также начало первой части обмотки верхнего третьего стержня и конец первой части обмотки нижнего первого стержня. К третьему преобразователю подключены конец первой части обмотки верхнего третьего стержня, начало первой части обмотки нижнего первого стержня, начало второй части обмотки верхнего третьего стержня и конец второй части обмотки нижнего первого стержня. Конец второй части обмотки верхнего третьего стержня и начало второй части обмотки нижнего первого стержня подсоединены к первому вводу.

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 приведена электрическая схема реактора. На фиг.3 и 4 даны варианты преобразователя для подмагничивания.

Магнитная система реактора, шихтованная из пластин электротехнической стали, содержит три верхних 1, 2 и 3 и три нижних 4, 5 и 6 стержня, причем стержни 1 и 4, 2 и 5, 3 и 6 - попарно соосные.

Имеются верхнее 7, нижнее 8, среднее 9 и два боковых ярма 10 и 11.

Реактор содержит три ввода 12, 13 и 14, три преобразователя 15, 16 и 17 с одной общей или тремя системами управления.

На каждом стержне расположена обмотка, состоящая из двух частей, выполненных в виде дисков, размещенных на стержне симметрично один над другим. Начало всех частей обмоток на чертеже и на схеме обозначено звездочкой. Описание реактора дано для случая изготовления всех обмоток с одним и тем же направлением намотки (левым или правым).

К первому вводу 12 подсоединены начало первой части обмотки 18 верхнего первого стержня 1 и конец первой части обмотки 19 нижнего второго стержня 5.

К первому преобразователю 15 подключены конец первой части обмотки 18 верхнего первого стержня 1, начало первой части обмотки 19 нижнего второго стержня 5, начало второй части обмотки 20 верхнего первого стержня 1 и конец второй части обмотки 21 нижнего второго стержня 5.

Ко второму вводу 13 подсоединены конец второй части обмотки 20 верхнего первого стержня 1 и начало второй части обмотки 21 нижнего второго стержня 5.

Ко второму вводу 13 также подсоединены начало первой части обмотки 22 верхнего второго стержня 2 и конец первой части обмотки 23 нижнего третьего стержня 6.

Ко второму преобразователю 16 подключены конец первой части обмотки 22 верхнего второго стержня 2, начало первой части обмотки 23 нижнего третьего стержня 6, начало второй части обмотки 24 верхнего второго стержня 2 и конец второй части обмотки 25 нижнего третьего стержня 6.

Конец второй части обмотки 24 верхнего второго стержня 2 и начало второй части обмотки 25 нижнего третьего стержня 6 подсоединены к третьему вводу 14.

К третьему вводу 14 подсоединены также начало первой части обмотки 26 верхнего третьего стержня 3 и конец первой части обмотки 27 нижнего первого стержня 4.

К третьему преобразователю 17 подключены конец первой части обмотки 26 верхнего третьего стержня 3, начало первой части обмотки 27 нижнего первого стержня 4, начало второй части обмотки 28 верхнего третьего стержня 3 и конец второй части обмотки 29 нижнего первого стержня 4.

Конец второй части обмотки 28 верхнего третьего стержня 3 и начало второй части обмотки 29 нижнего первого стержня 4 подсоединены к первому вводу 12.

Каждый преобразователь 15, 16 и 17 для подмагничивания стали стержней может быть упрощенным (фиг.3), пассивным, при котором энергия на подмагничивание расходуется из сети, к которой подсоединен реактор, или более сложным - активным (фиг.4), т.е. имеющим независимый источник питания преобразователя.

В первом случае преобразователь может состоять из двух одинаковых диодов 30 и 31. В простейшем варианте при ручном управлении реактора система управления и регулирования 32 может состоять из двух одинаковых переменных перекрестно включенных резисторов 33 и 34. Регулирование мощности реактора в этом случае производится изменением сопротивлений R. Возможны также другие варианты пассивной системы управления и регулирования 32, в том числе более сложные, с применением для изменения вносимого сопротивления изолирующих трансформаторов, специальных электронных схем.

В более общем случае активный преобразователь содержит регулируемый управляемый выпрямитель 35 с источником питания 36, например, сетью собственных нужд подстанции, и систему управления и регулирования 37.

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

Вводы реактора 12, 13 и 14 подключаются к трехфазной электрической сети переменного тока. При этом во всех стержнях 1-6 возникает переменный магнитный поток. Управление мощностью реактора осуществляется подмагничиванием стержней постоянным током. Этот постоянный ток возникает в результате работы преобразователей 15, 16 и 17.

В случае, когда резисторы 33 и 34 имеют нулевую величину или регулируемый управляемый выпрямитель 35 находится в режиме, при котором постоянный ток он не вырабатывает, стержни не подмагничены, и реактор находится в режиме холостого хода.

В других случаях происходит намагничивание стержней, насыщение стали стержней в течение определенной доли периода. В обмотках протекает реактивный ток, который реактор потребляет из трехфазной сети.

Таким образом, управляемый подмагничиванием реактор в зависимости от величины постоянной составляющей в токе обмоток будет находиться в номинальном режиме, режиме максимально возможной нагрузки или в промежуточных режимах нагрузки.

Переменный магнитный поток каждого стержня (его амплитуда Ф) определяется напряжением на обмотке U - линейным напряжением сети между вводами (12 и 13, 13 и 14, 14 и 12) и числом витков обмотки w, равном сумме витков первой и второй частей обмотки (w=w₁+w₂, при этом w₁=w₂):

Ф=U_m/(ωwS),

где U_m - амплитуда синусоидального линейного напряжения сети;

ω - круговая частота сети;

S - площадь сечения стали стержня.

Фазы трех линейных напряжений сети сдвинуты между собой на угол 120°, поэтому и фазы магнитных потоков верхних стержней 1, 2 и 3 сдвинуты между собой по фазе на угол 120°, также как и фазы магнитных потоков нижних стержней 4, 5 и 6 сдвинуты между собой на угол 120°.

Магнитные потоки всех стержней направлены в сторону среднего ярма.

При этом в соответствии со схемой соединения обмоток магнитный поток стержня 1 сдвинут по отношению к магнитному потоку стержня 4 на угол 120°. Магнитный поток стержня 2 также сдвинут по отношению к магнитному потоку стержня 5 на угол 120°, а также и магнитный поток стержня 3 сдвинут по отношению к магнитному потоку стержня 6 на угол 120°.

Такая схема соединения обмоток обеспечивает такую ситуацию, когда сумма каждых двух магнитных потоков (каждого с амплитудой Ф), направленных в среднее ярмо в точках перекрещивания стержней и среднего ярма, имеет амплитуду также Ф - т.е. только одного потока.

Это объясняется тем, что модуль геометрической суммы двух векторов, равных по модулю и сдвинутых на угол 120°, равен модулю одного (каждого) вектора, в то время как алгебраическая сумма двух потоков Ф равна удвоенному потоку 2Ф.

Из-за отмеченного сдвига потоков по фазе и уменьшения вдвое их алгебраической суммы в предлагаемом реакторе сечение стали среднего ярма снижено в два раза по сравнению с прототипом, соответственно снижен в обмотке U-линейным напряжением сети между вводами в два раза расход электротехнической стали этого ярма. Отмеченная выше особенность схемы соединения обмоток дает существенный положительный эффект и отличает предлагаемый трехфазный реактор от реактора с простым «механическим» утроением стержневой зоны известного однофазного реактора. Поэтому отличительный признак - трехфазность реактора - следует рассматривать не изолированно, а в новой связи с другим отличительным признаком - схемой соединения обмоток и их частей.

В предлагаемом реакторе применены обмотки из двух одинаковых частей в виде дисков, расположенных один над другим. Такая полностью симметричная конструкция обеспечивает отсутствие циркулирующего тока в контурах обмоток разных стержней и отсутствие добавочных потерь в обмотках от этих токов. Это отличает предлагаемый реактор от известных (прототип, аналог), в котором части обмоток хотя и имеют одинаковую высоту, одинаковое число витков, но различаются по среднему диаметру.

В предлагаемом реакторе схема соединений обмоток - треугольник. Это благоприятно, так как в промежуточных режимах между режимами холостого хода, номинальной мощности и максимальной мощности в токе реактора имеются искажения высшими гармониками тока. При этом все гармоники, кратные трем, замыкаются в контуре замкнутого треугольника, поэтому они отсутствуют в линейном токе. Иногда бывает необходимость применить схему соединений обмоток - звезда. В этом случае на всех стержнях реактора необходимо разместить дополнительную маломощную обмотку, соединенную в треугольник (для замыкания гармоник тока, равных 3).

В предлагаемом реакторе (особенно тогда, когда его номинальная мощность велика) для снижения потерь в элементах конструкции на вихревые токи, вызываемые током обмоток (магнитным полем рассеяния), могут быть установлены магнитные шунты, например, четыре магнитных шунта в виде прямоугольных рам с горизонтальными и вертикальными частями, причем горизонтальные части шунтов расположены на торцах обмоток вдоль верхнего, среднего и нижнего ярем, а замыкающие их вертикальные части расположены вдоль боковых ярем.

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 - расширенными функциональными возможностями за счет введения трехфазной конструкции реактора и особенной схемы соединения обмоток и их частей. Снижен за счет этого расход проводникового материала (меди или алюминия), электротехнической и конструкционной стали, трансформаторного масла, потери. Снижен расход электротехнической стали в средних ярмах реактора и потери в обмотках на циркулирующие токи. Трехфазный реактор занимает на подстанции меньшую площадь, чем трехфазная группа реакторов - прототипов или аналогов.

Литература

1. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сб. статей. Под ред. доктора техн. наук, проф. A.M.Брянцева. - М.: Знак. 2004. 264 с. Ил.

2. Брянцев A.M. «Электрический реактор с подмагничиванием». Патент №2269175, бюл. №3 от 27.01.2006.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управляемых подмагничиванием реакторов, устанавливаемых, например, в электрической сети в качестве шунтирующих реакторов для компенсации реактивной мощности, параллельно с конденсаторными батареями и др. Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей, снижении расхода проводникового материала, электротехнической и конструкционной стали, потерь и занимаемой площади. Электрический реактор содержит шихтованную магнитную систему с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами, с соосными верхним и нижним стержнями, с обмоткой, расположенной на каждом стержне, состоящей из двух частей, с вводами, к которым присоединены части обмоток, преобразователем с системой управления. Он выполнен трехфазным, имеет три ввода и три преобразователя. Магнитная система выполнена с тремя верхними и тремя нижними стержнями. Две части обмоток размещены на каждом из них и выполнены в виде дисков. Предложенная схема соединения частей обмоток с вводами и преобразователями и порядок их размещения на стержнях обеспечивает снижение вдвое магнитного потока в среднем ярме и расход электротехнической стали этого ярма в два раза по сравнению с известными реакторами. Выполнение на каждом стержне обмоток из двух частей в виде одинаковых дисков обеспечивает отсутствие циркулирующих токов в контурах обмоток разных стержней и добавочных потерь в обмотках от этих токов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Электрический реактор с подмагничиванием, содержащий шихтованную из листов электротехнической стали магнитную систему с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами, с соосными верхним и нижним стержнями, с обмоткой, состоящей из двух частей, расположенных на каждом стержне, с вводами, к которым присоединены части обмоток, преобразователем с системой управления, отличающийся тем, что реактор выполнен трехфазным, имеет три ввода и три преобразователя, а упомянутая магнитная система выполнена с тремя верхними и тремя нижними стержнями, при этом упомянутые две части обмоток размещены на каждом из них и выполнены в виде дисков, к первому вводу подсоединены начало первой части обмотки верхнего первого стержня и конец первой части обмотки нижнего второго стержня, к первому преобразователю подключены конец первой части обмотки верхнего первого стержня, начало первой части обмотки нижнего второго стержня, начало второй части обмотки верхнего первого стержня и конец второй части обмотки нижнего второго стержня, конец второй части обмотки верхнего первого стержня, и начало второй части обмотки нижнего второго стержня подсоединены ко второму вводу, ко второму вводу подсоединены начало первой части обмотки верхнего второго стержня и конец первой части обмотки нижнего третьего стержня, ко второму преобразователю подключены конец первой части обмотки верхнего второго стержня, начало первой части обмотки нижнего третьего стержня, начало второй части обмотки верхнего второго стержня и конец второй части обмотки нижнего третьего стержня, конец второй части обмотки верхнего второго стержня и начало второй части обмотки нижнего третьего стержня подсоединены к третьему вводу, к третьему вводу подсоединены начало первой части обмотки верхнего третьего стержня и конец первой части обмотки нижнего первого стержня, к третьему преобразователю подключены конец первой части обмотки верхнего третьего стержня, начало первой части обмотки нижнего первого стержня, начало второй части обмотки верхнего третьего стержня и конец второй части обмотки нижнего первого стержня, конец второй части обмотки верхнего третьего стержня и начало второй части обмотки нижнего первого стержня подсоединены к первому вводу.