ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ Российский патент 2012 года по МПК H01F29/14 H01F27/26 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управляемых подмагничиванием реакторов, устанавливаемых, например, в электрической сети для компенсации реактивной мощности, стабилизации напряжения, параллельной работы с конденсаторными батареями, повышения пропускной способности и др.

Известен электрический реактор с подмагничиванием [1], содержащий магнитную систему со стержнями и ярмами. Размещенные на стержнях обмотки управления включены встречно и подключены к регулируемому источнику постоянного напряжения. Сетевая обмотка каждой фазы охватывает два соседних стержня с управляющими обмотками. Недостатком [1] является повышенный расход электротехнической стали магнитной системы из-за повышенной площади сечения стали участков ярем, расположенных между соседними стержнями, охваченными сетевой обмоткой.

Известен аналогичный электрический реактор с подмагничиванием [2], в котором недостатки реактора [1] фактически такие же. Реактор по [2], являющийся прототипом предлагаемому в настоящей заявке, содержит магнитную систему со стержнями и ярмами. Размещенные на стержнях обмотки управления включены встречно и подключены к регулируемому источнику постоянного напряжения. Сетевая обмотка каждой фазы охватывает два соседних стержня с управляющими обмотками. Недостатком [2], так же как и [1], является повышенный расход электротехнической стали магнитной системы из-за повышенной площади сечения стали участков ярем, расположенных между соседними стержнями, охваченными сетевой обмоткой. Недостатком прототипа и аналога является также сложный планарный (в одной плоскости) магнитопровод, имеющий шесть стержней и два боковых ярма. Реакторы с таким магнитопроводом имеют непропорционально большую длину, что, помимо сложности его изготовления, является причиной увеличенного расхода конструктивных материалов.

Целью изобретения является снижение расхода электротехнической стали магнитной системы, снижение трудоемкости при изготовлении за счет усовершенствования магнитной системы и оптимальных соотношений сечений элементов магнитной системы.

Указанная цель достигается тем, что в электрическом трехфазном реакторе с подмагничиванием, содержащем магнитную систему из вертикальных стержней, горизонтальных ярем, магнитных шунтов, а также обмотки, размещенные на каждом стержне, и обмотки, охватывающие два соседних стержня, регулируемый источник постоянного напряжения, магнитная система выполнена пространственной и состоит из двух трехфазных магнитопроводов, расположенных в параллельных плоскостях. Между магнитопроводами установлены дополнительные участки ярем в виде ферромагнитных вставок, соединяющих между собой магнитопроводы по горизонтальным ярмам, при этом сечение стали ферромагнитных вставок S_вст и стержней S_ст связаны соотношением

0,8<(S_вст:S_ст)<1,2.

На фиг.1 показан магнитопровод пространственной магнитной системы реактора, состоящий из двух стержневых трехфазных магнитопроводов. Фиг.2 поясняет расположение обмоток на стержнях. На фиг.3 дана принципиальная электрическая схема соединения обмоток. На фиг.4 показан вариант схемы реактора без компенсационных обмоток, на фиг.5 - пространственный магнитопровод из двух броневых трехфазных магнитопроводов, на фиг.6-10 - магнитопровод с вариантами протяженных ферромагнитных вставок.

Магнитная система реактора состоит из пространственного магнитопровода, магнитных шунтов, обмоток и конструктивных элементов.

Пространственный магнитопровод (фиг.1), шихтованный из листов электротехнической стали, содержит два планарных стержневых трехфазных магнитопровода М1 и М2, расположенных в параллельных плоскостях. Каждый из магнитопроводов М1 и М2 имеет три стержня 1-3 и 4-6 и два горизонтальных ярма: верхние 7, 8 и нижние 9, 10. Магнитопроводы М1 и М2 в области горизонтальных ярем 7, 8 и 9, 10 магнитно связаны между собой при помощи дополнительных участков ярем в виде ферромагнитных вставок 11 вверху и 12 внизу. Ферромагнитные вставки могут быть выполнены шихтованными из листов стали (из конструкционной стали). Сечение стали S_вст ферромагнитных вставок и сечение стали S_ст стержней (1-6) связаны соотношением:

0,8<(S_вст:S_ст)<1,2.

Каждый из стержней 1-6 охвачен компенсационной обмоткой - компенсационными обмотками КО₁, КО₂, КО₃, КО₄, КО₅, КО₆ - и секционированной обмоткой управления - обмотками ОУ₁₁-ОУ₁₂, ОУ₂₁-ОУ₂₂, ОУ₃₁-ОУ₃₂, ОУ₄₁-ОУ₄₂, ОУ₅₁-ОУ₅₂, ОУ₆₁-ОУ₆₂ (фиг.2, 3). Первый индекс обозначает номер стержня, второй - номер секции. Каждая обмотка управления разделена на две секции, две секции обмотки управления одной фазы расположены на соседних стержнях.

Каждые два соседних стержня магнитопроводов М1 и М2 охвачены общей обмоткой: стержни 1 и 4 - обмоткой СО_A, стержни 2 и 5 - обмоткой СО_B и стержни 3 и 6 - обмоткой СО_C.

Сетевые обмотки соединены в схему «звезда с нулем» и подсоединены к вводам фаз сети A, B и C и нулевому вводу 0 (фиг.3). Секции обмотки управления тех соседних стержней, которые охвачены сетевыми обмотками, соединены в схемы типа «восьмерка» и подсоединены к регулируемому источнику постоянного напряжения ИПН - управляемому выпрямителю. Трехфазный источник ИПН содержит преобразовательный трансформатор и управляемый полупроводниковый выпрямитель и питается от компенсационных обмоток. Каждые две КО на соседних стержнях соединены попарно последовательно: КО₁-КО₄, КО₂-KO₅, КО₃-КО₆. Компенсационные обмотки соединены в схему «треугольник» с вводами а, в и с. Источник ИПН управляется системой автоматического управления САУ.

Возможны и другие варианты электрической схемы предлагаемого реактора. Компенсационная обмотка может быть выполнена в виде трех обмоток, каждая из которых охватывает два соседних стержня (аналогично сетевой обмотке) и размещается внутри нее.

Возможна схема реактора без компенсационных обмоток с сохранением такой же схемы цепей обмоток управления, как и на фиг.3. В этом случае сетевые обмотки СО_A, СО_B и СО_C должны быть соединены, а питание управляемого выпрямителя ИПН осуществляется от сети A, B, C или от внешнего источника (например, от сети собственных нужд подстанции), к которой подключаются также и LC-фильтры высших гармоник.

На фиг.4 показана еще одна схема реактора без компенсационных обмоток. В этом случае сетевые обмотки соединены в схему «звезда с нулем» и подсоединены к фазам сети А, В и С так же, как в схеме на фиг.3, но «восьмерки» секций обмотки управления соединены в треугольник. Схема на фиг.4 с питанием ИПН от обмоток управления требует несколько более сложной схемы управляемого выпрямителя.

Выбор схемы реактора диктуется конструктивными и технологическими соображениями и производственными возможностями. Важно, чтобы в выбранной схеме обязательно присутствовал треугольник, чтобы в токе сетевой обмотки - токе реактора - не было высших гармоник, кратных трем.

Пространственный магнитопровод может быть выполнен из двух планарных не стержневых, как на фиг.1, а двух броневых трехфазных магнитопроводов М1 и М2 (фиг.5), расположенных в параллельных плоскостях. Каждый из магнитопроводов имеет три стержня 1-3 и 4-6, два горизонтальных ярма (верхние 7, 8 и нижние 9, 10) и два вертикальных ярма 13, 14 и 15, 16. Магнитопроводы М1 и М2 в области горизонтальных ярем 7, 8 и 9, 10 магнитно связаны между собой при помощи дополнительных участков ярем в виде ферромагнитных вставок 11 (верх) и 12 (низ).

Вставки могут быть короткими, шириной порядка ширины стержня (фиг.1, 5), или протяженными - по длине ярма между крайними стержнями (фиг.6-10). Выбор варианта выполнения диктуется конструкционными соображениями.

В состав магнитной системы входят магнитные шунты.

Магнитный шунт может быть выполнен в виде прямоугольной рамы из шихтованных полос электротехнической стали (фиг.2). Две горизонтальные части рамы располагаются на верхнем торце обмоток 17 и на нижнем торце обмоток 18 под прессующими балками, вертикальные (продольные 19 и 20) - вдоль крайних обмоток на минимально допустимом по условиям обеспечения электрической изоляции расстоянии. Два шунта стоят с двух сторон магнитной системы. Может быть установлен дополнительный шунт в зазоре между двумя планарными магнитопроводами, входящими в пространственный магнитопровод реактора.

Возможен вариант шунтов в виде трехоконной рамы с двумя горизонтальными частями (нижняя 17, верхняя 18) и не с двумя, а с четырьмя вертикальными частями 19-22, две дополнительные части 21 и 22 располагаются в пространстве между обмотками (фиг.2). Сечение стали пакетов шунтов S_ш составляет от 5 до 20% от сечения стали стержня S_ст.

Возможны магнитные шунты, выполненные в виде набора плоских фигурных элементов в виде секторов колец, изготовленных из лент или полос электротехнической стали (например, скрепленных термореактивной эпоксидной смолой). Такие шунты располагаются на торцах обмоток, перекрывая как можно больше поверхности торцов.

Магнитная система может быть помещена в бак с охлаждающей жидкостью (например, трансформаторным маслом). В баке может быть размещен также ИПН. На крышку бака выведены сетевые вводы A, B и C. Отводы треугольника а, в и с также могут быть выведены на вводы крышки бака для подсоединения LC-фильтров высших гармоник (на фиг.3 и фиг.4 не показаны). На внутренних поверхностях стенок бака могут быть установлены магнитные шунты в виде вертикальных пакетов, набранных из полос электротехнической стали.

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

Сетевые обмотки СО_A, СО_B и СО_C подключаются к электрической сети переменного тока A, B, C. При этом внутри области каждой сетевой обмотки возникает переменный магнитный поток. Управление мощностью реактора осуществляется подключением к подмагничивающим обмоткам управления ОУ₁₁-ОУ₁₂, ОУ₂₁-ОУ₂₂, ОУ₃₁-ОУ₃₂, ОУ₄₁-ОУ₄₂, ОУ₅₁-ОУ₅₂, ОУ₆₁-ОУ₆₂ источника ИПН. При этом в обмотках управления возникает ток с постоянной составляющей, этот ток приводит к возникновению в стержнях постоянного во времени потока подмагничивания. В соседних стержнях одной фазы этот поток направлен в разные стороны (из-за встречного включения обмоток управления), поэтому постоянный по времени поток замыкается в основном по кратчайшему пути - через дополнительные участки в виде ферромагнитных вставок 11 и 12. Ферромагнитные вставки могут быть выполнены из конструкционной стали. При этом существенно сокращается расход электротехнической стали в предлагаемом реакторе по сравнению с аналогами и прототипом. Сечение стали S_вст ферромагнитных вставок и сечение стали S_ст стержней (1-6) связаны соотношением

0,8<(S_вст:S_ст)<1,2.

Если отношение (S_вст:S_ст) превышает величину 1, 2, то получается излишний расход стали. Если отношение (S_вст:S_ст) менее 0,8, то ферромагнитная вставка при максимальной нагрузке реактора будет переходить в область насыщения, в результате придется увеличивать ток подмагничивания. Указанное соотношение, как и другие соотношения в данном описании, было получено расчетными исследованиями математических моделей реактора, при необходимости экспертизе могут быть предоставлены их результаты.

Так как на поток подмагничивания накладывается переменный поток, результирующий поток в стержнях смещен в область насыщения стали, т.е. стержни оказываются насыщенными некоторую часть периода. В свою очередь, насыщение стержней является причиной возникновения тока в сетевых обмотках. Это - рабочий ток реактора.

Так как постоянный магнитный поток замыкается по ферромагнитным вставкам, в горизонтальных ярмах 7, 8, 9 и 10 магнитный поток не содержит постоянной составляющей (в отличие от аналогов и прототипа). Поэтому сечение стали S_яр горизонтальных ярем 7, 8, 9 и 10 может быть выбрано сниженным (по сравнению с аналогами и прототипом). Сечение стали ярем S_яр и стержней S_ст связаны соотношением

1,0<(S_яр:S_ст)<1,2.

Снижение сечения ярем является вторым фактором, позволяющим существенно сократить расход электротехнической стали в предлагаемом реакторе по сравнению с аналогами и прототипом.

При работе реактора кроме магнитного поля в стали стержней и ярем возникает магнитное поле в области обмоток - поле рассеяния, которое создается током обмоток. Магнитные шунты концентрируют поле рассеяния и препятствуют его распространению на металлические массивные (нешихтованные) узлы конструкции реактора, где оно могло бы вызвать паразитные вихревые токи, добавочные потери и опасные для работоспособности реактора местные перегревы. Кроме того, применение магнитных шунтов в виде рам позволяет замкнуть основную часть магнитного потока рассеяния и снизить магнитную нагрузку на ярма, что является дополнительным фактором снижения расхода электротехнической стали.

В режиме холостого хода (при отсутствии подмагничивания) стержни и ярма двух магнитопроводов нагружены только переменным потоком, а в ферромагнитных вставках потока нет. В режимах нагрузки стержни нагружены и переменным, и постоянным магнитным потоком, ярма и шунты нагружены только переменным магнитным потоком, а ферромагнитные вставки нагружены только постоянным магнитным потоком. В аналогах и прототипе в режимах нагрузки и переменным, и постоянным магнитным потоком нагружены не только стержни, но и ярма, поэтому в ярма приходится закладывать больший объем электротехнической стали. В предлагаемом реакторе распределение магнитных потоков с разделением функций нагрузки постоянным и переменным потоком между ярмами и ферромагнитными вставками обеспечивает снижение потерь в стали и уменьшение расхода электротехнической стали, т.е. повышение технико-экономических показателей устройства.

При конструкции пространственного магнитопровода в виде двух броневых трехфазных магнитопроводов M1 и М2 (фиг.5) сечение стали S_ст стержней связаны соотношением

(1/√3)<(S_яр:S_ст)<(1,2/√3), т.е. 0,58<(S_яр:S_ст)<0,69.

Этот вариант предпочтителен только для реакторов большой мощности, т.к. за счет меньших горизонтальных ярем позволяет снизить общую высоту магнитопровода, что важно для вписывания реактора в железнодорожный габарит.

В переходных режимах работы реактора (набор и сброс нагрузки, изменение нагрузки) изменяется подмагничивание стержней, поэтому изменяется поток в ферромагнитных вставках 11 и 12. При изменениях потока в стали вставок возникают вихревые токи, противодействующие изменению потока. Это явление может снизить быстродействие реактора, поэтому ферромагнитные вставки из конструкционной стали должны быть не монолитными, а шихтованными из листов.

Предлагаемый реактор имеет ряд преимуществ по сравнению с реакторами аналогами и прототипом. В реакторе достигается снижение расхода электротехнической стали за счет замены части электротехнической стали более дешевой конструкционной сталью (в ферромагнитных вставках) и за счет снижения расхода стали в ярмах из-за отсутствия в ярмах постоянной составляющей магнитного потока. Существенно снижается трудоемкость при изготовлении магнитной системы из-за отказа от сложных многостержневых магнитопроводов, а также за счет применения оптимальных соотношений сечений элементов магнитной системы. Из-за снижения расхода стали снижаются потери в стали и общие потери в реакторе. В результате достигается повышение технико-экономических показателей предложенного электрического реактора с подмагничиванием.

Работоспособность предлагаемого реактора и его высокие технико-экономические показатели подтверждены расчетами, физическим моделированием, результатами испытаний опытных образцов аналогичных конструкций. На ближайшее время намечено изготовление опытных образцов для серийного производства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Электрический реактор с подмагничиванием. Патент РФ 2217829, H01F 29/14, H01F 37/00, H01F 38/02. Заявка: 2001134159/09, 19.12.2001. Опубликовано: 27.11.2003.

2. Электрический реактор с подмагничиванием. Патент РФ 2282911, H01F 29/14. Заявка: 2004121197/09, 13.07.2004. Опубликовано: 27.08.2006.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управляемых подмагничиванием реакторов, устанавливаемых, например, в электрической сети для компенсации реактивной мощности, стабилизации напряжения, параллельной работы с конденсаторными батареями, повышения пропускной способности и др. Технический результат состоит в уменьшении расхода электротехнической стали, снижении потерь, трудозатрат при изготовлении и габаритов и массы. Электрический трехфазный реактор содержит магнитную систему из вертикальных стержней, горизонтальных ярем, магнитных шунтов, а также обмотки, размещенные на каждом стержне, и обмотки, охватывающие два соседних стержня, а также регулируемый источник постоянного напряжения. Магнитная система выполнена пространственной и состоит из двух трехфазных магнитопроводов, расположенных в параллельных плоскостях. Между магнитопроводами установлены дополнительные участки ярем в виде ферромагнитных вставок, соединяющих между собой магнитопроводы по горизонтальным ярмам. Сечение стали ферромагнитных вставок S_вст и стержней S_ст связаны соотношением 0,8<(S_вст:S_ст)<1,2. Ферромагнитные вставки могут быть выполнены шихтованными из листов конструкционной стали. 10 ил.

Электрический трехфазный реактор с подмагничиванием, содержащий магнитную систему из вертикальных стержней, горизонтальных ярем, магнитных шунтов, а также обмотки, размещенные на каждом стержне, и обмотки, охватывающие два соседних стержня, регулируемый источник постоянного напряжения, отличающийся тем, что магнитная система выполнена пространственной и состоит из двух трехфазных магнитопроводов, расположенных в параллельных плоскостях, между магнитопроводами установлены дополнительные участки ярем в виде ферромагнитных вставок, соединяющих между собой магнитопроводы по горизонтальным ярмам, при этом сечение стали ферромагнитных вставок S_вст и стержней S_ст связаны соотношением
0,8<(S_вст:S_ст)<1,2.