Трехфазный управляемый реактор Советский патент 1985 года по МПК H01F29/14 

Изобретение относится к электротехнике и энергетике и может.быть использовано в качестве трехфазного регулируемого индуктивного сопротивления широкого класса мощности, рассчитанного на любое допустимое трансформаторное напряжение.

Цель изобретения - уменьшение расхода активных материалов и потерь в реакторе, повышение быстродействия и упрощение технологии изготовления, а также расширение диапазона регулирования реактора путем уменьшения его реактивной мощности холостого хода.

На фиг. I дана схема соединения и расположение на стержнях катушек одной фазы трехфазной основной обмотки; на фиг. 2 - схема соединения обмоток реактора и расположение на стержнях фаз трехфазной обмотки И катушек обмотки подмагничивания; на фиг. 3 - магнитная система с обмотками трехфазного управляемого реактора, вид сверху с разрезом; на фиг. 4 - один виток катушки трехфазной осковпой обмотки, выполненный из четырехслойной композиции фольга-диэлектрик, расположенного на стержне, поперечное сечение; на фиг. 5 - схема соединения и расположения на стержнях катушек одной фазы трехфазной основной обмотки, выполненной из композиции фольга-диэлектрик; на фиг. 6 временная векторная диаграмма намагничивающих сил катушек фазы А-X; на фиг. 7- векторная диаграмма намагничивающих сил, созданных трехфазной основной обмоткой; на фиг. 8 - то же, результирующего магнитного потока 8 ярме магнитной системы между двумя соседними стержнями; на фиг. 9 - векторная диаграмма магнитного ПОТОКИ 1-й гармоники магнитного поля фазы А-X; на фиг. 10 - то же, 2-й гармоники магнитного поля фазы А-X; на фиг. 1 - то же, 5-й гармоники магнитного поля фазы А-X; на фиг. 12 - векторная диаграмма 2-й гармоники ЭДС, индуктированной в катушках фазы А-X, 2-й гармоникой магнитного потока; на фиг. 13 - то же, 5-й гармоники ЭДС, индуктированной в катущках фазы А-X 5-й гармоникой MaiHHTHoro потока; на фиг. 14 - то же, геометрической суммы векторов ЭДС по 2-й гармонике; на фиг. 15 -- то же, по 5-й гармонике.

Трехфазный управляемый реактор содержит пространственную многостержневую магнитную систему, на разных стержнях которой расположены катушки трехфазной основной, обмотки переменного тока, каждая фаза которой состоит из нескольких групп катушек, расположенных на соседних стержнях и катушки обмотки подмагничиванияпостоянного тока, размещенные на каждом стержне магнитной системы, при этом магн.итная система выполнена одноярусной, двенадцатистержиевой 1 -12, причем отношение сечений стержня и ярма 13 магнитной системы составляет 1:0,518, а каждая фаза трехфазной обмотки состоит из двух групп катушек, по три катушки в группе, одна из

которых размещена в начале, а другая - в конце фазы, причем соотношение чисел витков катушек каждой группы составляет О, 577:1;0,577 и в каждой группе катушки соединены в правый и левый зигзаги, а группы катушек соединены между собой последовательно и встречно и расположены на двух диаметрально противоположных группах стержней по три стержня в группе, например, 1, 2, 3 и 7, 8, 9 а фазы обмотки размещены на стержнях 1аким образом, что

катушки с меньшим числом витков начал и концов различных фаз расположены концентрически друг относительно друга на нечетных стержнях, катушки с большим числом витков размещены на четных стержнях, а катушки 14 обмотки подмагничивания соединены последовательно и встречно; каждая катушка трехфазной основной обмотки выполнена из чередующихся двух слоев фольги 15 и двух слоев диэлектрика 16, причем слои фольги всех катушек каждой фазы

соединены между собой последовательно и встречно, образуя внешний и внутренний слои, причем слои соединены между собой последовательно и согласно.

Устройство работает следующим образом.

Подмагничивание магнитной системы постоянным магнитным полем, созданным катушками 14 обмотки подмагничивания, уменьшает магнитную проницаемость стали, а следовательно и индуктивное сопротивление фаз трехфазной основной обмотки. Изменяя величину постоянного тока подмагничивания, протекающего в обмотке подмагничивания, можно регулировать сопротивление трехфазной основной обмотки, величину тока, протекающего в ней, и величину

-реактивной (индуктивной) мощности, потребляемой реактором. Потребляемая реактором реактивная (индуктивная) мощность изменяется от своего минимального значения, имеющего место при отсутствии постоянного магнитного поля, до максимального

значения, имеющего место при наличии постоянного магнитного поля. При выполнении трехфазной основной обмотки из композиции фольга 15 - диэлектрик 16 (фиг. 4 и 5) возрастает диапазон регулирования реактивной мощности реактора, так как. уменьшается потребляемтая реактором реактивная мощность при отсутствии постоянного поля подмагничивания. Уменьшение реактивной (индуктивной) мощности, потребляемой реактором при

отсутствии постоянного магнитного поля, объясняется тем, что при выполнении обмотки по фиг. 4 и 5 и 3 композиции фольга-диэлектрик между совокупным внешним

и внутренним слоями фольги каждой фазы, пространство между которыми заполнено диэлектриком, действует электрическое напряжение, составляющее половину напряжения, приложенного ко всей трехфазной основной обмотке и, следовательно, эта обмотка выполняет конденсаторную функцию, т.е. генерирует в сеть реактивную (емкостную) мощность, которая компенсирует полностью или частично реактивную (индуктивную) мощность, потребляемую реактором при отсутствии постоянного магнитного поля, создаваемого обмоткой подмагничивания.

Необходимо отметить, что в описываемой конструкции трехфазного управляемого реактора выполнение магнитной системы таким образом, что соотношение между сечениями любого стержня и любого ярма составляет 1:0,518, равны амплитуды первых гармонических магнитной индукции в стержнях 1 -12 и ярмах 13, что приводит к уменьщению потерь в реакторе, кроме того, в кривой переменного тока, протекающего в катущках трехфазной основной обмотки, не имеющей замкнутых контуров, отсутствуют высщие гармоники (за исключением 11-й и 13-й гармоник, амплитуды которых невелики), что приводит к уменьщению потерь в реакторе и увеличению его быстродействия, при этом в постоянном токе, протекающем в катушках обмотки подмагничивания, не имеющей замкнутых контуров, отсутствуют высщие гармоники (за исключением 12-й, 24-й, 36-й ... гармоник, амплитуды которых невелики), что приводит к уменьщению потерь в реакторе и увеличению его быстродействия, а выполнение фаз трехфазной основной обмотки из композиции фольга 15 - диэлектрик 16 увеличивает диапазон регулирования управляемого реактора.

Так, если сечение любого ярма 13 реактора принято равным 0,518 от сечения любого стержня 1 -12, то будут равны амплитуды первых гармонических магнитных индукций в любых ярме и стержне, а следовательно, снизятся потери энергии в реакторе.

На фиг. б представлена временная векторная диаграмма намагничивающих сил (н.с.) катушек фазы А-X. Вектора н.с. FIA, Ргл; FJA и р7х, FSX, Fgx, созданные катущками с током (фаза А-X), расположенными соответственно на стержнях 1, 2, 3 и 7, 8, 9, будут попарно находиться в противофазе, причем взаимно равные модули векторов н.с. FIA, FjA, , Fgx будут в 0,577 раз меньще, чем взаимно равные модули векторов F2AИ Fjx (фиг. 1). Такие же векторные диаграммы н.с., но смещенные относительно рассмотренной диаграммы фазы А-X на 120 и 240°, будут соответствовать фазам В-Y и С-Z. Как видно из фиг. 2, на каждом из четных стержней 2, 4, 6, 8, 10, 12 находится по одной катущке

с большим числом витков трехфазной обмотки и каждая н.с. Fj, , F6.B, F8x,Fioo, FIZV, соответственно приходящаяся на один из перечисленных стержней будет создана 5 одной катушкой с током с большим числом витков. На каждом из нечетных стержней 1, 3, 5, 7, 9, 11 находятся по две катушки с меньшим числом витков различных фаз трехфазной обмотки (фиг. 2), н.с. пар этих катушек сдвинуты во времени на 120° и, следовательно, каждая результирующая н.с. FT, Fg, FH, FI, РЗ, FS, соответственно приходящаяся на один из перечисленных нечетных стержней, будет создана двумя катушками с током с меньшим числом витков, 5 причем модули векторов н.с., соответствующих нечетным стержням, будут равны модулям векторов, и.с., соответствующих четным стержням. С учетом указанного временная векторная диаграмма н.с., созданных трехфазной основной обмоткой при протекании

0 по ней симметричного и синусоидального тока представится правильной 12-лучевой звездой векторов н.с. FY, FZA, Fg, , FH, FSB, FI, Fgx, Fj, Fjoc, Fj; FKY, приходящихся соответственно на один из стержней 1 -

5 12 (фиг. 7).

Как образуются вектора н.с., при.чодящиеся на нечетные стержни, каждый из которых создается двумя катушками с меньшим числом витков различных фаз, расположенными на одном стержне. Напри.мер,

0 вектор Fg результирующей н.с., приходящей- ся на стержень 3, будет создан как результат геометрического сложения векторов н.с. FJA и Fj2, созданных двумя катушками с меньшим числом витков, расположенными концентрически на стержне 3 и принадле5 жащими соответственно фазам А-X и С-Z (фиг. 7 и 2). Следовательно, как это видно из фиг. 7 вектора н.с. РЭА и И и F соответствующие соседним стержням 2 и 3, будут смещены во времени на 150°. Созданные этими намагничивающими силами FJA и Fg соответственно магнитные потоки ФЗА и Фз также будут смещены на 150°, а вектор Фг-ь магнитного потока участка ярма, заключенного между стержнями 2 и 3 определится как геометрическая сумма векторов и Фз магнитных потоков этих стержней (фиг. 8). Как следует из построения, представленного на фиг. 8, магнитный поток на участке ярма между стержнями 2 и 3 будет в 0,518 раза меньше, чем магнитный

Q поток в стержне 2 или 3. Вывод: магнитные потоки в любой паре соседних стержней смещены во времени на 150° и, следовательно, на любом из участков ярм, заключенных между соседними стержнями, магнитный поток будет Б 0,518 раза меньше, чем в любом из

5 стержней. На основании сказанного и при соблюдении условия равенства амплитуд первых гармоник магнитной индукции в ярмах и стержнях, принято сечения ярм в 0,518 раза меньше, чем сечения стержней что обусловило уменьшение потерь в реакторе. Для обеспечения рассмотрекнего сдвига н.с. и, соответственно, магнитных потоков в соседних стержнях на 150°, необходиМО, чтобы фазы трехфазной основной обмотки размеш,ались на стержнях так, что катушки с меньшим числом витков каждой пары различных фаз, намотанных концентрически, принадлежали катушечным группам, соответствующим началу и этих фаз. На примере фазы А-X можно показать, что основная трехфазная обмотка, не имеюш.ая параллельных контуров, индуктивно не связана с высшими гармониками магнитного поля от второй до десятой включительно, что приводит к уменьшению потерь в реакторе и увеличению быстродействия при управлении им. Для этого необходимо построить векторные диаграммы для высших гармонических магнитного потока и ЭДС и проанализировать их. При построении векторных диаграмм необходимо учесть,, что начальная фаза любой ) -и высшей гармонической магнитного потока или ЭДС, соответствуюш,их данному стержню, отличаются от начальной фазы первой гармонической магнитного потока или ЭДС в ч) раз, что четные гармоники магнитного потока в стержнях изменяют свою фазу на противоположную при изменеНИИ направления действия в стержнях постоянного магнитного поля, созданного катушками 14 с током обмотки подмагничивания, относительно переменного магнитного поля, созданного катушками с током основной обмотки. На фиг. 9, 10 и 11 изображены с учетом сказанного векторные диаграммы для магнитного потока 1-й и, например, 2-й и 5-й гармоник магнитного поля, которые соответствуют стержням 1, 2, 3 и 7, 8, 9, на которых расположены катушки фазы А-X (при построении данных и следуюших диаграмм не учитывалось, что амплитуды высших гармоник меньше, чем амплитуда 1-й гармоники, так как это не влияет на результаты анализа индуктивных связей). На фиг. 12 и 13 изображены векторные диаграммы 2-й и 5-й гармоник ЭДС, индуктированных в катушках фазы А-X соответственно 2-й и 5-й гармониками магнитного потока. При геометрическом суммировании векторов ЭДС по 2-й и 5-й гармоническими 2-я и 5-я гармоники магнитного потока не индуктируют ЭДС на зажимах фазы трехфазной обмотки (фиг. 14 и 15). Проводя аналогичный анализ для других высших гармоник, приходим к выводу, что трехфазная основная обмотка индуктивно не связана со всеми высшими гармониками магнитного поля от 2-й до 10-й включительно. На зажимах фаз основной обмотки индуктируются ЭДС лишь 11-й и 13-й гармониками магнитного, поля, но амплитуды их невелики и, практически, это не влияет на фор(му кривой регулируемого тока. Для полного исключения из кривой тока основной обмотки высших гармоник от 2-й до 10-й включительно осуществляется также симметрирование фаз и полуфаз основной трехфазной обмотки, т.е. выравнивание активных и индуктивных сопротивлений фаз всей обмотки и полуфаз в пределах каждой фазы. Для этого, при изготовлении реактора из каждых двух катушек с меньшим числом витков различных фаз, намотанных концентрически, внешней выполняется катушка с меньшим числом витков, принадлежащая левому (или правому) зигзагу каждой катушечной группы каждой фазы, а внутренней выполняется катушка с меньшим числом витков, принадлежащая правому )или левому) зигзагу Каждой катушечной группы каждой фазы. Исключение высших гармоник из тока, протекающего в катушках трехфазной основной обмотки, не имеющей замкнутых контуров, обусловливает уменьшение потерь в реакторе и увеличение быстродействия при управлении им. Обмотка подмагничивания индуктивно не связана со всеми гармониками магнитного поля за исключением 12-й, 24-й, 36-й ... гармоник, амплитуды которых невелики. Для того, чтобы убедиться в этом, достаточно провести анализ подобный тому, какой был выполнен выше, при рассмотрении индуктивных связей гармоник магнитного поля с основной трехфазной обмоткой. Исключение гармоник из тока, протекающего в катушках 14 обмотки подмагничивания, не со-, держащей замкнутых контуров, обусловливает уменьшение потерь в реакторе и увеличение быстродействия при управлении им. При выполнении трехфазной основной обмотки из композиции фольга 15 - диэлектрик 16 происходит увеличение диапазона регулирования управляемого реактора. Диапазон регулирования реактора представляет отношение реактивной мощности реактора, потребляемой им при подмагничивании магнитной системы постоянным магнитным полем, к реактивной мощности реактора, потребляемой им из сети, при отсутствии подмагничивания. Если внутренние и внешние слои фольги 15 всех катушек каждой фазы соединить гальванически в пределах каждой совокупности внутренних и внешних слоев катушек, причем полученные совокупные слои фольги каждой фазы также соединить гальванически, то к совокупным внутреннему и внешнему слоям фольги, например, алюминиевой или медной, между которыми находится диэлектрик, например, лавсановая пленка, будет приложена половина напряжения, подведенного к основной трехфазной обмотке. Таким образом.

каждая фаза обмотки будет выполнять также конденсаторную функцию, т.е. генерировать реактивную мощность, которая полностью или частично скомпенсирует реактивную мощность, потребляемую реактором при отсутствии подмагничивания и, следовательно, диапазон регулирования реактора возрастет. /famyiuefffaji zpi/nna coo/noemcfTreyfoUiaJl ava/ry фазы ffaifni3 f : вые ffOMf-1 34-5 . в Грулг7ы cfTrefl neu c Suffy/n fx f/ff 7SO°

При соблюдении предлагаемой конструкции трехфазного управляемого реактора и при изготовлении трехфазной основной обмотки из композиции фольга-диэлектрик упростится электрическая схема и уменьшатся потери энергии в реакторе, повысится его быстродействие и расщирится диапазон регулирования. f amyufevHof группа coom fncmSy/oufan нонцу фазы

1. ТРЕХФАЗНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ РЕАКТОР, содержащий пространственную многостержневую магнитную систему, на разных стержнях которой расположены катушки трехфазной основной обмотки переменного тока, каждая фаза которой состоит из нескольких групп катушек, расположенных на соседних стержнях, и катушки обмотки подмагничивания постоянного тока, размещенные на каждом стержне магнитной системы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расхода активных материалов и потерь в реакторе, а также повышения быстродействия и упрощения технологии изготовления, магнитная система выполнена одноярусной, двенадцатистержневой, причем соотношение сечений стержня и ярма магнитной системы составляет 1:0,518, а каждая фаза трехфазной обмотки состоит из двух групп катушек, по три катушки в группе, одна из которых размеп1ена в начале, а другая - в конце фазы, причем соотношение чисел витков катушек каждой группы составляет 0,577:1 :0,577, и в каждой группе катушки соединены в правый и левый зигзаги, а группы катушек соединены между собой последовательно и встречно и расположены на двух диаметрально противоположных группах стержней, по три стержня в группе, а фазы обмотки размещены на стержнях таким образом, что катушки с меньшим числом витков начал и концов различных фаз расположены концентрично относительно друг друга на нечетных стержнях, катушки с большим число.м витков размещены на четных стержнях, а катушки обмотки подS магничивания соединены последовательно (Л и встречно. 2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования реактора путем уменьшения его реактивной монлности холостого хода, каждая катушка трехфазной основной, обмотки выполнена из чередующихся двух слоев фольги и двух слоев диэлектрика, причем слои фоль г ги всех катушек каждой фазы соединены между собой последовательно и встречно, образуя внешний и внутренний слои, причем со сд слои соединены между собой посотедовательно и согласно. 01

73 dffeutHifu слои cpo irsi/ ffamyu/ffa BffympeHffua c/rpu фольги /fa/nyu/ffu i-jM Внеигмийсло fj фолйги SufjJBff- Слои дмутранкий трина слой фо/7лги

J

//оряЗ оУые /тонера (f- f2) сл7ержней, /ю из ffomoрыж при/одится caomSe/rrcmoi/fouft/u вентор f/.c.

2

f

ZA

4

°

.

us-8

fpus. 7