ТРЕХФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК H01F38/02 H01F37/00 H01F29/14 

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 управляемый подмагничиванием трехфазный реактор [1]. В известном реакторе-аналоге имеются три замкнутых однофазных стержневых магнитопровода с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами. На каждом стержне расположена сетевая обмотка и обмотка управления. Имеются вводы для подключения сетевых обмоток к трехфазной сети и нейтрали, вводы для подключения обмоток управления к управляемому выпрямителю. Недостатками аналога являются увеличенный расход стали в ярмах, а значит, и увеличенные потери в стали, увеличенные масса реакторов и затраты на их изготовление, монтаж, обслуживание. Недостатком является и невозможность автономной работы реактора, так как для питания регулируемого источника постоянного напряжения используется сеть собственных нужд подстанции.

Частично недостатки [1] устранены в известном устройстве [2], являющемся наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению. В этом трехфазном реакторе-прототипе имеются магнитная система с шестью стержнями, верхним и нижним ярмами, двумя боковыми ярмами, сетевые обмотки и размещенные на каждом стержне обмотки управления, подключенные к регулируемому источнику постоянного напряжения. Сетевых обмоток три, и эти обмотки охватывают два соседних стержня с управляющими обмотками. У реактора имеются три ввода для подсоединения к трем фазам сети, ввод нейтрали, вводы для подсоединения к управляемому источнику постоянного напряжения. Недостатком прототипа является сложность его конструкции из-за необходимости выполнения стержней и обмоток управления в сечении не круглыми, а овальными. Недостатками прототипа являются также большой расход стали и увеличенные потери в стали верхнего и нижнего ярем из-за увеличенного магнитного потока.

Целью изобретения является уменьшение расхода стали в ярмах магнитной системы, снижение потерь в стали, снижение расходов на изготовление реактора за счет упрощения конструкции реактора, увеличение надежности работы за счет обеспечения автономного питания управляемого источника постоянного напряжения переменным током от обмоток управления.

Поставленная цель достигается тем, что в трехфазном электрическом реакторе с подмагничиванием, содержащем шихтованную из листов электротехнической стали магнитную систему с шестью стержнями, с верхним, нижним и двумя боковыми ярмами, сетевые обмотки и размещенные на каждом стержне обмотки управления, три ввода для подсоединения к трем фазам сети, ввод нейтрали, плюсовой и минусовой вводы для подсоединения к управляемому источнику постоянного напряжения, причем сетевые обмотки одними отводами попарно присоединены к трем вводам трех фаз, а другими - к нейтральному вводу, введены два ввода автономного питания управляемого источника постоянного напряжения, сетевые обмотки расположены на каждом стержне, причем обмотки первого и четвертого стержня подсоединены к вводу одной фазы, второго и пятого стержня - к вводу другой фазы, третьего и шестого стержня - к вводу третьей фазы, начало обмотки управления первого стержня подсоединено к плюсовому вводу управляемого источника постоянного напряжения, а конец - к началу обмотки управления пятого стержня, конец обмотки управления пятого стержня подсоединен к началу обмотки управления третьего стержня и одному вводу питания управляемого источника постоянного напряжения, конец обмотки управления третьего стержня подсоединен к минусовому вводу управляемого источника постоянного напряжения, начало обмотки управления шестого стержня подсоединено к минусовому вводу управляемого источника постоянного напряжения, а конец - к началу обмотки управления второго стержня и второму вводу питания управляемого источника постоянного напряжения, конец обмотки управления второго стержня подсоединен к началу обмотки управления четвертого стержня, а конец обмотки управления четвертого стержня - к плюсовому вводу управляемого источника постоянного напряжения.

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 - электрическая схема соединений сетевых обмоток и обмоток управления реактора.

Магнитная система реактора содержит 6 стержней 1-6, два ярма (горизонтальных) - верхнее 7 и нижнее 8, два боковых ярма 9 и 10 (вертикальных). На стержнях 1-6 размещены обмотки управления 11-16 и сетевые обмотки 17-22. Начало намотки всех обмоток помечено звездочками, для упрощения описания считается, что все обмотки имеют одинаковое направление намотки (все обмотки левые или все правые).

В реакторе имеются три сетевых ввода по числу фаз 23, 24 и 25, ввод нейтрали 26, два ввода 27 и 28 (плюсовой «+» 27 и минусовой «-» 28) для подсоединения обмоток управления к управляемому источнику постоянного напряжения 29 и два ввода 30 и 31 («≈») для подключения цепи автономного питания переменным напряжением от обмоток управления реактора этого управляемого источника. Для регулирования источника постоянного напряжения 29 имеется система автоматического управления 32 (САУ).

Сетевые обмотки одними отводами (например, началами обмоток) попарно присоединены к трем вводам трех фаз 23, 24 и 25. Начало сетевой обмотки 17 первого стержня 1 и начало сетевой обмотки 20 четвертого стержня 4 подсоединены к вводу одной фазы 23, начало сетевой обмотки 18 второго стержня 2 и начало сетевой обмотки 21 пятого стержня 5 подсоединены к вводу другой фазы 24, а начало сетевой обмотки 19 третьего стержня 3 и начало сетевой обмотки 22 шестого стержня 6 подсоединены к вводу третьей фазы 25. Другие отводы всех сетевых обмоток (концы обмоток) подсоединены к вводу нейтрали 26.

Начало обмотки управления 11 первого стержня 1 подсоединено к плюсовому вводу 27 («+») управляемого источника постоянного напряжения, а конец - к началу обмотки управления 15 пятого стержня 5 и вводу 30 питания управляемого источника постоянного напряжения. Конец обмотки управления 15 пятого стержня 5 подсоединен к началу обмотки управления 13 третьего стержня 3, а конец обмотки управления 13 третьего стержня 5 - к минусовому вводу 28 («-») управляемого источника постоянного напряжения.

Начало обмотки управления 16 шестого стержня 6 подсоединено к минусовому вводу 28 («-») управляемого источника постоянного напряжения, а конец - к началу обмотки управления 12 второго стержня 2 и вводу 31 питания управляемого источника постоянного напряжения. Конец обмотки управления 12 второго стержня 2 подсоединен к началу обмотки управления 14 четвертого стержня 4, а конец обмотки управления 14 четвертого стержня 4 - к плюсовому вводу 27 («+») управляемого источника постоянного напряжения.

Сетевые вводы 23, 24 и 25 служат для подсоединения к трем фазам сети А, В и С, ввод нейтрали 26 - с системе заземления подстанции.

Управляемый источник постоянного напряжения 29 выходными клеммами «+» и «-» подключается к вводам 27 и 28, а клеммами «≈» автономного питания переменным напряжением - к вводам 30 и 31.

К управляемому источнику постоянного напряжения 29 подводится кабель от блока САУ - системы автоматического управления 32.

Для увеличения надежности работы реактора может быть предусмотрен дополнительный резервный управляемый источник постоянного напряжения, для питания которого могут быть использованы дополнительные вводы 33 и 34 («≈»).

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

Три ввода реактора 23, 24 и 25 подключаются выключателем (на схеме фиг.2 не показан) к трем фазам трехфазной сети (например, к фазам А, В и С, или в другом порядке). При отсутствии напряжения на вводах 27 «+» и 28 «-» подмагничивание реактора отсутствует, и после окончания переходного процесса включения в реакторе устанавливается режим минимального тока - так называемый режим холостого хода (XX), аналогичный режиму холостого хода трансформатора.

Режим XX является определяющим режимом для выбора сечений стали стержней и ярем при проектировании реактора, т.е. по параметрам этого режима назначаются размеры магнитопровода, от этого режима зависят расход стали и меди и потери холостого хода - основные технико-экономические показатели реактора.

В режиме XX сталь стержней 1-6 не насыщена. Магнитный поток холосто хода в каждом стержне (амплитуда переменной составляющей основной гармоники) составляет величину

Ф_н=U_н√2/(√3ωw),

где U_н - номинальное линейное напряжение реактора и сети,

ω=2πf - угловая частота сети, f - частота сети,

w - число витков сетевой обмотки.

В стержнях 1 и 4, 2 и 5, 3 и 6 магнитные потоки попарно одинаковы, а между собой (между парами) сдвинуты во времени (по фазе) друг от друга на 120 электрических градусов. На фиг.1 эти потоки показаны стрелками.

В стали стержней магнитная индукция будет равна номинальной

B_н=Ф_н/S=U_н√2/(√3ωwS),

где S - площадь сечения стали стержня.

Магнитная индукция В_н при проектировании реактора выбирается в диапазоне 1,7-1,9 Тл. Сечение стали стержня составляет S=Ф_н/В_н.

В режиме XX магнитный поток в частях ярем между стержнями составляет максимальную величину Ф_я=Ф/√3, а сечение стали ярма должно составлять около S_я=Ф/√3В_я (обычно В_я≈В_н). Число возможных различных схем соединения сетевых обмоток равно 12. Приведенная на фиг.2 схема соединений сетевых обмоток является оптимальной, при других схемах магнитный поток XX в ярмах может оказаться существенно большим, чем Ф_я=Ф/√3 Например, при присоединении сетевых обмоток стержней 1 и 2 к вводу 23, сетевых обмоток стержней 3 и 4 - к вводу 24 и сетевых обмоток стержней 5 и 6 - к вводу 25 (схема, аналогичная схеме соединений обмоток прототипа) максимальная величина магнитного потока в ярмах равна 2Ф_н/√3, т.е. оказывается вдвое большей, чем в оптимальной схеме фиг.2. Поэтому и сечение ярем в случае не оптимального выбора схемы соединения обмоток (как в прототипе) должно быть в 2 раза больше. Таким образом, по сравнению с прототипом достигается существенное снижение сечения стали ярем, а также и потерь холостого хода реактора. Оптимальность схемы фиг.2 подтверждена теоретическими расчетами и подробными расчетами на математической модели реактора, которые при необходимости могут быть дополнительно представлены.

В режиме XX напряжение U_≈ на вводах 30 и 31 (а также и на резервных вводах 33 и 34) на клеммах «≈» автономного питания переменным напряжением управляемого источника постоянного напряжения 29 - источника подмагничивания - составляет двойное напряжение обмотки управления

U_≈=2U_н/√3×(w_ОУ/w),

где w_ОУ - число витков обмотки управления.

В режиме XX управляемый источник постоянного напряжения 29 при помощи системы управления 32 настраивается так (при помощи установки углов зажигания тиристоров), что постоянное напряжение U₌ на клеммах «+» и «-» - вводах 27 и 28 «-» - равно нулю.

В других режимах углы зажигания тиристоров настраиваются системой управления 32 таким образом, что на клеммах «+» и «-» - вводах 27 и 28 - возникает постоянное напряжение U₌. При возникновении этого напряжения в обмотках управления возникает ток подмагничивания стали стержней. Этот ток создает постоянную составляющую в потоке стержней, в результате чего в части периода частоты сталь стержня перейдет в насыщенное состояние. В эти части периода индуктивность сетевых обмоток резко снизится, и в них появится ток - ток управляемого реактора. При увеличении тока подмагничивания интервалы времени насыщения стержней увеличиваются, увеличивается и ток реактора. Схема соединения обмоток управления по фиг.2 обеспечивает оптимальное распределение потоков подмагничивания в ярмах. Для достижения этого потоки соседних стержней направлены в противоположные стороны, что показывают двойные стрелки на фиг.1.

При некотором большом токе подмагничивания стержни оказываются в насыщенном состоянии в течение всего периода, и при дальнейшем увеличении тока подмагничивания ток реактора не увеличивается. Такой режим называется режимом полнопериодного насыщения и режимом максимальной мощности. Обычно максимальная мощность реактора составляет порядка 130-140% номинальной мощности реактора.

При определенном промежуточном токе подмагничивания стержни оказываются в насыщенном состоянии в течение ровно половины периода. Такой режим называется режимом полупериодного насыщения. Обычно реактор проектируется таким образом, чтобы его номинальный режим был примерно режимом полупериодного насыщения. В режиме полупериодного насыщения получается оптимальное соотношение стоимости реактора и его потерь мощности (в обмотках и стали), а ток реактора имеет минимальный уровень нелинейных искажений высшими гармониками (теоретически ток чисто синусоидальный). В этом режиме переменная составляющая магнитного потока в ярмах существенно уменьшается, так как при насыщении стержня часть магнитного потока Ф_н «выходит» из стержня. Этот магнитный поток рассеяния замыкается вне магнитной системы (по «воздуху») или по магнитным шунтам на торцах обмоток (на фиг.1 не показаны). Однако в этом режиме в ярмах присутствует и постоянная составляющая магнитного потока подмагничивания. Поэтому максимальная величина суммарного магнитного потока оказывается большей магнитного потока ярма при XX Ф_н/√3=0,58 Ф_н. Сечение стали ярем S_я должно быть выбрано по этому увеличенному за счет постоянной составляющей потоку, обычно оно не очень сильно отличается от сечения стали стержней S.

Управляемый источник постоянного напряжения 29 (преобразователь, управляемый системой 32 выпрямитель) рассчитан на максимальную мощность, обычно составляющую доли процента от мощности реактора (не более 1-2%). С целью повышения надежности работы, облегчения монтажа и обслуживания реактора обеспечивается его автономное питание, т.е. питание не от стороннего источника (например, от сети собственных нужд подстанции), а от обмоток управления реактора. Схема на фиг.2 обеспечивает питание источника 29 от вводов 30 и 31, на которых возникает переменное напряжение, равное сумме переменных напряжений на обмотках управления 15 и 16. При этом по контуру от ввода 30 к вводу 31 постоянные напряжения на обмотках 15 и 16 вычитаются. В режиме XX напряжение на вводах 30 и 31 наибольшее, по мере увеличения мощности реактора и тока подмагничивания это напряжение снижается за счет не только падения напряжения, но и за счет уменьшения магнитного потока в сечении обмоток управления из-за возникновения магнитного потока рассеяния. В промежуточных режимах реактора (между режимом XX и номинальным) в магнитных потоках и напряжениях на обмотках управления возникают нелинейные искажения - высшие гармоники. Схема на фиг.2 обеспечивает минимальное содержание высших гармоник в напряжении питания источника 29, что облегчает его работу (тиристоры преобразователя чувствительны к форме кривой напряжения).

Схема фиг.1 обеспечивает возможность резервного питания управляемого источника постоянного напряжения 29 или второго такого же резервного управляемого источника постоянного напряжения от резервных вводов 33 и 34. Переменное напряжение на вводах 33 и 34 также является суммой переменных напряжений на двух обмотках управления 11 и 12 и разностью их постоянных напряжений.

Схема соединений обмоток управления на фиг.1 является оптимальной схемой из большого числа возможных схем их соединения (число различных возможных схем - 12). Другие возможные не оптимальные схемы имеют существенные недостатки - создают трудности работы преобразователя - управляемого источника постоянного напряжения из-за наличия в режимах нагрузки реактора четных гармоник в напряжении питания, отсутствии возможности резервного питания. Подробный анализ недостатков альтернативных не оптимальных схем соединений обмоток управления при необходимости может быть дополнительно предоставлен.

По сравнению с аналогом и прототипом предлагаемое изобретение обладает преимуществами - расширением функциональных возможностей и увеличенной надежностью за счет обеспечения автономного питания источника подмагничивания, уменьшением расхода активных материалов (стали и меди) и потерь за счет оптимальной схемы соединения сетевых обмоток, увеличенной надежностью работы управляемого источника постоянного напряжения за счет оптимальной схемы соединения обмоток управления.

Работоспособность предлагаемого управляемого подмагничиванием электрического реактора и его высокие технико-экономические показатели подтверждены расчетами, физическим моделированием, результатами испытаний аналогичных конструкций. На ближайшее время намечено изготовление опытно-промышленного образца.

ЛИТЕРАТУРА

1. Электрический управляемый подмагничиванием трехфазный реактор. Патент РФ № 2132581. Н01F 9/14. Бюллетень изобретений № 18, 27.09.99.

2. Электрический реактор с подмагничиванием. Патент РФ № 2282911. Н01F 9/14. Бюллетень изобретений № 24, 27.08.2006.

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

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в управляемых подмагничиванием реакторах, устанавливаемых, например, в электрических сетях в качестве шунтирующих реакторов для компенсации реактивной мощности параллельно с конденсаторными батареями и др. Трехфазный электрический реактор содержит магнитную систему с шестью стержнями, с верхним, нижним и двумя боковыми ярмами. Обмотки управления размещены на каждом стержне. Три ввода предназначены для подсоединения к трем фазам сети, а ввод нейтрали, плюсовой и минусовой вводы - для подсоединения к управляемому источнику постоянного напряжения (УИПТ). Сетевые обмотки одними отводами попарно присоединены к трем вводам трех фаз, а другими - к нейтральному вводу и расположены на каждом стержне. Обмотки первого и четвертого стержня подсоединены к вводу одной фазы, второго и пятого стержня - к вводу другой фазы, третьего и шестого стержня - к вводу третьей фазы. Начало обмотки управления первого стержня подсоединено к плюсовому вводу УИПТ, а конец - к началу обмотки управления пятого стержня. Конец обмотки управления пятого стержня подсоединен к началу обмотки управления третьего стержня и одному вводу питания УИПТ. Конец обмотки управления третьего стержня подсоединен к минусовому УИПТ. Начало обмотки управления шестого стержня подсоединено к минусовому вводу УИПТ, а конец - к началу обмотки управления второго стержня и второму вводу питания УИПТ. Конец обмотки управления второго стержня подсоединен к началу обмотки управления четвертого стержня, а конец обмотки управления четвертого стержня - к плюсовому вводу УИПТ. Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей и повышении надежности за счет выполнения источника питания подмагничивания автономным, уменьшения расхода активных материалов и потерь за счет оптимальной схемы соединения сетевых обмоток управления. 2 ил.

Трехфазный электрический реактор с подмагничиванием, содержащий шихтованную из листов электротехнической стали магнитную систему с шестью стержнями, с верхним, нижним и двумя боковыми ярмами, сетевые обмотки и размещенные на каждом стержне обмотки управления, три ввода для подсоединения к трем фазам сети, ввод нейтрали, плюсовой и минусовой вводы для подсоединения к управляемому источнику постоянного напряжения, причем сетевые обмотки одними отводами попарно присоединены к трем вводам трех фаз, а другими - к нейтральному вводу, отличающийся тем, что реактор имеет два ввода автономного питания управляемого источника постоянного напряжения, сетевые обмотки расположены на каждом стержне, причем обмотки первого и четвертого стержней подсоединены к вводу одной фазы, второго и пятого стержней - к вводу другой фазы, третьего и шестого стержней - к вводу третьей фазы, начало обмотки управления первого стержня подсоединено к плюсовому вводу управляемого источника постоянного напряжения, а конец - к началу обмотки управления пятого стержня, конец обмотки управления пятого стержня подсоединен к началу обмотки управления третьего стержня и одному вводу питания управляемого источника постоянного напряжения, конец обмотки управления третьего стержня подсоединен к минусовому вводу управляемого источника постоянного напряжения, начало обмотки управления шестого стержня подсоединено к минусовому вводу управляемого источника постоянного напряжения, а конец - к началу обмотки управления второго стержня и второму вводу питания управляемого источника постоянного напряжения, конец обмотки управления второго стержня подсоединен к началу обмотки управления четвертого стержня, а конец обмотки управления четвертого стержня - к плюсовому вводу управляемого источника постоянного напряжения.