Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управляемых подмагничиванием реакторов, устанавливаемых, например, в электрической сети в качестве дугогасящих реакторов в сетях с изолированной нейтралью, для компенсации реактивной мощности и др.

Известен электрический реактор с подмагничиванием - управляемый подмагничиванием дугогасящий реактор типа РУОМ [1]. В этом устройстве-аналоге имеется бронестержневая совмещенная («двухэтажная») магнитная система с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами, соосными верхним и нижним стержнями. На стержнях расположены обмотки, состоящие из двух частей, имеется система управления. Недостатками аналога является сниженная надежность из-за наличия в обмотке регулировочной части, при коротком замыкании которой в обмотках возникают большие электродинамические силы, 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, расположенными на стержнях верхней и нижней обмотками, каждая из которых состоит из двух частей, причем начала двух обмоток подключены к одному вводу реактора, а концы - к второму вводу, и система управления, 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, причем упомянутая система управления подключена к аноду и катоду каждого диода. Недостатками прототипа является сниженная надежность из-за наличия четырех частей обмоток и сложной системы управления, увеличение затрат активных материалов из-за наличия еще одного изоляционного канала между частями обмоток, увеличенные по этим же причинам трудозатраты при изготовлении, а также относительно большие масса и габариты резисторов (т.е. большая мощность резисторов) из-за необходимости отведения возникающих в них потерь, связанных с большими бросками обратного напряжения на диодах.

Целью изобретения является увеличение надежности, снижение потерь, расхода стали и меди, трудозатрат при изготовлении, снижение мощности резисторов за счет введения в электрическую схему новых элементов, новых связей между элементами, упрощения конструкции обмоток, оптимизации соотношений сопротивлений резисторов.

Поставленная цель достигается тем, что в электрическом реакторе с подмагничиванием, содержащем шихтованную из листов электротехнической стали магнитную систему с верхним, нижним, средним и двумя боковыми ярмами, соосными верхним и нижним стержнями, расположенными на стержнях верхней и нижней обмотками, а также два ввода, два полупроводниковых диода, первый и второй резисторы, причем начала двух обмоток подключены к первому вводу реактора, первый диод анодом подключен к концу первой обмотки, а второй диод катодом подключен к концу второй обмотки, дополнительно введены третий, четвертый резистор и тиристор, причем первый диод катодом подключен ко второму вводу, второй диод анодом подключен ко второму вводу, первый и второй резисторы подключены параллельно диодам, третий резистор подключен к концу первой обмотки и к концу второй обмотки, четвертый резистор подключен к концу первой обмотки и катоду тиристора, а анод тиристора подключен к концу второй обмотки. В предлагаемом электрическом реакторе с подмагничиванием сопротивление первого и второго резисторов может быть выбрано в диапазоне (0,01÷1,0)×R_xx, третий резистор может иметь сопротивление в диапазоне (R÷R_xx), четвертый резистор - сопротивление (1÷100)×R, где R_xx=U²/P_xx - сопротивление потерь реактора в режиме холостого хода, U - напряжение на реакторе, а Р_хх - потери холостого хода, a R - сопротивление обмотки реактора.

Предлагаемый электрический реактор с подмагничиванием поясняется чертежами. На фиг.1 показана конструкция магнитной системы реактора с обмотками и электрическая схема реактора. На фиг.2 приведена схема трехфазной группы однофазных реакторов. На фиг.3 изображен реактор в трехфазном исполнении, а на фиг.4 дан вариант выполнения четвертого резистора.

Магнитная система 1 реактора, шихтованная из пластин электротехнической стали, содержит два соосных стержня - верхний 2 и нижний 3, два горизонтальных ярма - верхнее 4 и нижнее 5, два боковых ярма 6 и 7, среднее ярмо 8. На стержне 2 размещена верхняя обмотка 9, а на стержне 3 - нижняя обмотка 10.

Начало обмотки 9 и начало обмотки 10 подсоединены к первому вводу А реактора. Первый диод 11 анодом подключен к концу первой обмотки 9, а катодом - ко второму вводу X. Второй диод 12 катодом подключен к концу второй обмотки 10, а анодом - ко второму вводу X.

Первый резистор 13 подключен параллельно первому диоду 11, а второй резистор 14 - параллельно второму диоду 12.

Между двумя концами обмоток 9 и 10 подключен третий резистор 15, а также цепь последовательно соединенных четвертого резистора 16 и тиристора 17.

Сопротивление первого и второго резисторов выбрано в диапазоне (0,01÷1,0)×R_xx, третий резистор имеет сопротивление в диапазоне (R÷R_xx), четвертый резистор - сопротивление (1÷100)×R, где R_xx=U²/P_xx - сопротивление потерь реактора в режиме холостого хода, U - напряжение на реакторе, а Р_xx - потери холостого хода, a R - сопротивление обмотки реактора.

В дугогасящих реакторах кроме обмоток 9 и 10 на стержнях может размещаться дополнительная маломощная сигнальная обмотка.

Предлагаемый реактор может быть выполнен для применения в трехфазной сети как трехфазная группа из трех однофазных реакторов по фиг.1 с их соединением, например, в треугольник. В этом случае пары вводов этих реакторов могут быть обозначены А и Х, В и Y, C и Z (фиг.2). Каждый элемент 18 схемы на фиг.2 обозначает однофазный реактор по фиг.1.

Возможно изготовление реактора как трехфазного. В этом случае (фиг.3) «двухэтажный» магнитопровод 19 будет иметь три пары стержней и три пары обмоток 9 и 10, аналогичных стержням и обмоткам однофазного реактора по фиг.1. Соединение однофазных реакторов в трехфазную схему может быть выполнено, например, по схеме фиг.2.

Для расширения функциональных возможностей реактора по фиг.1 третий резистор 15 может быть выполнен секционированным с переключателем 20 по схеме фиг.4. Сопротивления секций резистора можно подобрать так, чтобы при полностью закрытом тиристоре 17 при разных положениях переключателя 20 обеспечивались несколько фиксированных режимов реактора, например, режимы минимальной нагрузки, номинальной и максимально допустимой нагрузки.

Рассмотрим работу реактора (фиг.1).

При подключении вводов реактора А и X к сети переменного напряжения, установке угла регулирования α=0° тиристора 17, обеспечивающего его замыкание в течение полного периода частоты сети, и минимальном значении сопротивления четвертого резистора 16 (порядка долей сопротивления обмотки R, т.е. достаточно малой величины) концы обмоток 9 и 10 фактически закорачиваются, и реактор по существу превращается в два параллельно подключенных к сети трансформатора на холостом ходу (так как вторичные обмотки отсутствуют, а сопротивление третьего резистора достаточно велико). Таким образом, в этом случае возникает режим минимальной мощности реактора, называемый режимом холостого хода реактора (режимом XX).

При подключенном реакторе к сети, установке угла регулирования α=180° тиристора 17, обеспечивающего его размыкание в течение полного периода частоты сети (т.е. размыкание цепи четвертого резистора 16 и тиристора 17), и максимальном значении сопротивления третьего резистора 15 по существу получаются две независимые подключенные к сети цепи, в каждой из которых имеется последовательно соединенные реактор с замкнутым стальным магнитопроводом и диод. Третий резистор 15 на эту ситуацию влияния практически не оказывает, т.к. его величина - доли R_xx - достаточно велика (R_xx=U²/P_xx, где U - напряжение на реакторе, а Р_xx - потери холостого хода, причем Р_xx - для ненасыщенных реакторов достаточно малая величина, стоящая в знаменателе). При последовательном соединении реактора с замкнутым стальным магнитопроводом и диода в токе появляется постоянная составляющая, насыщающая стальной стержень реактора. При полном насыщении (насыщении в течение всего периода частоты) переменная составляющая тока становится максимально возможной, равной примерно I_макс=U/ωL, где ω=2πf, f - частота сети, L - индуктивность обмотки без стали. В сетевом токе присутствует только двойная переменная составляющая, т.к. равные постоянные составляющие в токах двух реакторов противоположны по знаку (из-за противоположного включения диодов). Таким образом, при этом втором крайнем режиме мощность реактора - максимально возможная.

При регулировании угла зажигания тиристора 17 в широких пределах α=0÷180° можно получить регулируемую мощность реактора от минимальной (режим XX) до максимально возможной (режим МАКС).

Реально при разработке реактора нормируются (задаются) его номинальная мощность S_ном (100%), минимальная мощность S_мин (например, 10%) и максимально допустимая S_макс (например, 130%).

Минимальная нормируемая мощность реактора S_мин может быть существенно больше минимально возможной мощности данного реактора - мощности холостого хода (обычно порядка 1% или даже менее). Поэтому для ограничения мощности реактора снизу нормируемой минимальной (например, 10%) устанавливается четвертый резистор 16 с сопротивлением в пределах от 0 до 10 R, где R - сопротивление обмотки реактора. Предельные значения сопротивления установлены расчетами на математической модели, результаты которых при необходимости могут быть дополнительно предоставлены.

Максимально допустимая нормируемая мощность реактора S_макс (например, 130%) может быть существенно меньше максимально возможной мощности данного реактора - так называемой мощности режима полнопериодного насыщения (для дугогасящих - до 200%). Такой режим может возникнуть при аварийном выходе из строя тиристора 17, в результате обмотки реактора могут перегреться и вывести реактор из строя. Поэтому для ограничения максимальной мощности реактора (например, 130%) устанавливается третий резистор 15 с сопротивлением в пределах от 0 до 10 R_xx. Предельные значения сопротивления 15 от 0 и 10 R_xx установлены также расчетами на математической модели.

Первый и второй резисторы 13 и 14 ограничивают скачки обратного напряжения на диодах 11 и 12. Выбор величины сопротивления этих резисторов - от 0,05 R_xx, до 0,5 R_xx. Этот оптимальный диапазон установлен расчетами, и выбор сопротивления зависит от класса напряжения диодов. Для диодов с меньшим классом напряжения должны соответствовать меньшие значения сопротивлений.

Работоспособность предлагаемого управляемого подмагничиванием электрического реактора и его высокие технико-экономические показатели подтверждены расчетами, физическим моделированием, результатами испытаний макета. В предложенном реакторе по сравнению с аналогами и прототипом увеличена надежность, снижены потери, уменьшен расход стали и меди, а также трудозатраты при изготовлении, снижены габариты и масса резисторов. На ближайшее время намечено изготовление опытных образцов для серийного производства.

Литература

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

2. Электрический реактор с подмагничиванием. Патент РФ № RU 2269175 С1, заявка: 2004121196/09, 13.07.2004. Опубликовано: 27.01.2006, Бюл. №03.