УПРАВЛЯЕМЫЙ РЕАКТОР С ТРЕХСТЕРЖНЕВЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ Российский патент 2014 года по МПК H02J3/00 

Область техники

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано, например, в качестве шунтирующего реактора в статических компенсаторах реактивной мощности линий электропередачи.

Уровень техники

Регулирование напряжения на линии электропередачи осуществляют за счет компенсации ее реактивной мощности, для чего шунтируют линию управляемыми реакторами, функционирующими в качестве регуляторов реактивного тока.

Известен управляемый реактор, магнитопровод которого выполнен в виде двух стержней, на каждом из которых размещены первичная и вторичная обмотки, причем первичные обмотки соединены параллельно, а вторичные последовательно [US 4837497]. Для регулирования индуктивного сопротивления на первичной стороне включен двунаправленный ключ на тиристорах с фазовым управлением. Реактор обеспечивает плавное регулирование тока через первичную обмотку при низком уровне гармоник с порядковыми номерами 5, 7, 11, 13. Однако параметры ключа должны соответствовать напряжению первичной обмотки, что при напряжении более 100 кВ приводит к необходимости использовать большое число последовательно соединенных мощных тиристоров, существенно недогруженных по току.

Известен выбранный в качестве прототипа управляемый реактор, содержащий в каждой фазе магнитопровод, стержнь которого разделен на продольные части, одна из которых выполнена с зазором. На стержне магнитопровода размещены сетевая обмотка и управляющая обмотка. Управляющая обмотка охватывает часть стержня без зазора, а сетевая обмотка охватывает весь стержень. К управляющей обмотке подключен тиристорный ключ [RU 2297062].

Для компенсации гармоник, генерируемых при фазовом управлении тиристорным ключом, в прототипе применен многозвенный фильтр с использованием компенсационной обмотки, объединенной с дополнительной последовательной обмоткой, что существенно увеличивает установленную мощность реактора и его инерционность.

Сущность изобретения

Техническим результатом изобретения является снижение уровня генерируемых гармоник без увеличения установленной мощности и инерционности реактора.

Предметом изобретения является трехфазный управляемый реактор, содержащий трехстержневой магнитопровод, каждый стержень которого выполнен из двух последовательных элементов, на которых размещены секции фаз сетевой и управляющей обмоток, при этом каждый последовательный элемент стержня разделен на две параллельные части, одна из которых выполнена с зазором, секции фаз сетевой обмотки охватывают элемент стержня целиком и соединены параллельно, секции фаз управляющей обмотки охватывают не имеющую зазора часть каждого элемента стержня, три секции разных фаз управляющих обмоток соединены в звезду и подключены к первому трехфазному ключу управления, а три другие - в эквивалентный треугольник и подключены к второму трехфазному ключу управления.

Развитие изобретения предусматривает использование различных схем соединения трехфазных ключей управления: оба ключа могут быть собраны по схеме звезда или треугольник, первый ключ может быть собран по схеме звезда, а второй - по схеме треугольник.

Это позволяет выбрать для реализации ключей тиристоры с параметрами, подходящими в частных случаях.

Осуществление изобретения с учетом его развития

Фиг.1 иллюстрирует конструкцию магнитопровода трехфазного реактора, а фиг.2 - его электрическую схему.

На фиг.1 представлен магнитопровод трехфазного реактора. Фазные стержни магнитопровода выполнены из двух элементов 2 и 3 магнитной цепи, размещенных последовательно в магнитном потоке. Каждый элемент стержня разделен на две параллельные части 4 и 5. Часть 4 выполнена с зазором, а часть 5 - без зазора. На элементах 2 и 3 размещены секции фаз сетевых и управляющих обмоток. Фаза сетевой обмотки состоит из двух секций 6, а фаза управляющей - из секций 7 и 8. Секции 7 и 8 охватывают части 5 элементов 2 и 3 соответственно, не имеющие зазора. Каждая секция 6 охватывает элемент 2 или 3 целиком (т.е. обе его части 4 и 5).

На фиг.2 показано, что секции 6 каждой фазы соединены параллельно, секции 7 разных фаз - в звезду, секции 8 разных фаз - в эквивалентный треугольник. Все секции 6 имеют равное число витков. Отношение числа витков секции 7 к числу витков секции 8 определяется эквивалентным преобразованием звезды в треугольник и равно $$\sqrt{3}$$ . К соединенным в звезду секциям 7 подключен трехфазный управляющий ключ 9, а к соединенным в треугольник секциям 8 - трехфазный управляющий ключ 10. Управляющие ключи 9 и 10 могут быть выполнены на тиристорах и собраны по схеме звезда или треугольник.

Сетевые обмотки из параллельно соединенных секций 6 предназначены для подключения к трехфазной сети и могут быть собраны, например, по схеме звезда.

Реактор работает следующим образом.

Ток в каждой из параллельных секций 6 определяется величиной тока и числом витков, размещенных на том же элементе (2 или 3) секции (7 или 8) управляющей обмотки. В свою очередь, токи в секциях 7 и 8 регулируются фазой угла включения ключей 9 и 10 соответственно.

Если ключи 9 и 10 закрыты, ток в секциях 7 и 8 отсутствует и магнитный поток, формируемый напряжением на секциях сетевых 6 обмоток, проходит главным образом по частям 5 стержня, не имеющим зазора.

В случае если управляющий ключ 9 или 10 открыт и проводит ток, магнитный поток из части 5 соответствующего стержня переходит в часть 4 с немагнитным зазором. Это происходит за счет того, что намагничивающая сила, создаваемая током секции 7 или 8 управляющей обмотки в части 5 элемента 2 или 3 соответственно, уравновешивается намагничивающей силой, создаваемой током соответствующей секции 6 сетевой обмотки, а в части 4 того же элемента стержня намагничивающая сила секции 6 сетевой обмотки уравновешивается только магнитным сопротивлением, которое определяется величиной немагнитного зазора. Поэтому соотношение токов в секции 7 или 8 управляющей обмотки и в соответствующей секции 6 сетевой обмотки определяется отношением их числа витков, а величина тока - размером немагнитного зазора в части 5 того же элемента стержня.

Если ключи 9 и 10 находятся в открытом состоянии в течение всего периода переменного тока, магнитный поток из части 5 (без зазора) элемента 2 или 3 практически полностью вытесняется в часть 4 (с зазором), и вся намагничивающая сила прикладывается к немагнитному зазору.

В этом режиме падение напряжения на управляющих ключах близко к нулю в течение всего периода, поэтому магнитный поток в стержнях магнитопровода определяется напряжением сети и имеет форму основной гармоники. Соответственно такую форму имеют намагничивающие силы, создаваемые токами сетевой и управляющей обмоток, и поэтому токи в сетевых обмотках реактора имеют только основную гармонику и в них отсутствуют составляющие высших гармоник.

Если управляющие ключи включаются в фазе периода переменного тока, отличной от нуля, и проводят ток неполную часть периода, магнитный поток элемента из части 5 вытесняется в часть 4 с немагнитным зазором только на интервале открытого состояния соответствующего управляющего ключа, а на интервале его закрытого состояния магнитный поток стержня остается только в части 5. Соответственно, длительность тока в управляющей обмотке, его форма и величина основной гармоники определяется соотношением длительности проводящего и непроводящего состояний управляющего ключа, и чем меньше длительность проводящего состояния, тем меньше величина основной гармоники.

Если управляющий ключ проводит ток неполную часть периода, форма тока в нем отлична от синусоидальной формы, и соответственно в токах управляющих и сетевых обмоток присутствуют высшие гармоники. Величина их зависит от фазы включения управляющего ключа и может существенно превышать допустимый уровень в 3%. Наибольшую величину имеют пятая и седьмая гармоники, уровень которых к номинальному значению основной гармоники может достигать 7%.

В каждой из параллельных секций 6 токи имеют пятую и седьмую гармоники, причем амплитуды этих гармоник в параллельно соединенных секциях 6 одинаковые, а направления противоположные. При векторном сложении они компенсируют друг друга и не попадают в общий ток сетевой обмотки реактора.

Такой эффект достигается за счет того, что токи в разных параллельных секциях 6 сетевых обмоток определяются состоянием ключей 9 и 10, подключенных к секциям 7 и 8 управляющих обмоток, соединенным по разным схемам: в звезду и в эквивалентный треугольник.

При одинаковых формах токов в обмотках 7 и 8, задаваемых фазой включения управляющих ключей 9 и 10, в сетевых токах реактора пятая и седьмая гармоники отсутствуют полностью при симметрии геометрических параметров и напряжений сети. Суммарный показатель гармонических искажений THD (Total Harmonic Distortion) не превышает 2%. Основной вклад в него вносят одиннадцатая и тринадцатая гармоники. Остальные гармоники (семнадцатая и выше) влияют на этот показатель незначительно.

Суммарная установленная мощность управляющих ключей равна номинальной мощности трехфазного реактора. При одинаковых схемах трехфазного соединения требуемые параметры управляющих ключей одинаковы. Устройство малоинерционно: время изменения тока реактора от тока холостого хода (ключи 9 и 10 выключены весь период) до тока короткого замыкания (ключи 9 и 10 включены весь период) не превышает 10 мс.

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано, например, в качестве шунтирующего реактора в статических компенсаторах реактивной мощности линий электропередачи. Техническим результатом изобретения является снижение уровня генерируемых гармоник без увеличения установленной мощности и инерционности реактора. Стержни трехстержневого магнитопровода (1) состоят из двух последовательных элементов (2) и (3), а каждый элемент разделен на две параллельные части (4) и (5). Часть (4) выполнена с зазором, а часть (5) - без зазора. Фаза сетевой обмотки состоит из двух секций (6), а фаза управляющей обмотки - из двух секций (7) и (8). Секции (7) и (8) охватывают части (5), не имеющие зазора. Каждая секция (6) охватывает один из элементов стержня (2) или (3) целиком. Секции (6) каждой фазы соединены параллельно, секции (7) разных фаз - в звезду, секции (8) разных фаз - в эквивалентный треугольник. К соединенным в звезду секциям (7) и к соединенным в треугольник секциям (8) подключены трехфазные управляющие ключи. Управляющие ключи могут быть выполнены на тиристорах и собраны по схеме звезда или треугольник. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Трехфазный управляемый реактор, содержащий трехстержневой магнитопровод, каждый стержень которого выполнен из двух последовательных элементов, на которых размещены секции фаз сетевой и управляющей обмоток, при этом каждый последовательный элемент стержня разделен на две параллельные части, одна из которых выполнена с зазором, секции фаз сетевой обмотки охватывают элемент стержня целиком и соединены параллельно, секции фаз управляющей обмотки охватывают не имеющую зазора часть каждого элемента стержня, три секции разных фаз управляющих обмоток соединены в звезду и подключены к первому трехфазному ключу управления, а три другие - в эквивалентный треугольник и подключены к второму трехфазному ключу управления.

2. Реактор по п.1, в котором первый и второй трехфазные ключи управления собраны по схеме треугольника.

3. Реактор по п.1, в котором первый и второй трехфазные ключи управления собраны по схеме звезда.

4. Реактор по п.1, в котором первый трехфазный ключ управления собран по схеме звезда, а второй - по схеме треугольника.