DE102019121287A1

DE102019121287A1 - Glättungs - und strombegrenzungdrossel für filtervorrichtung der bahn-traktion-untersstation

Info

Publication number: DE102019121287A1
Application number: DE102019121287.1A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Vasilyevich Lobyntsev
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2020-02-20
Also published as: RU2691450C1; WO2020036507A1

Abstract

Die Erfindung gehört zur Elektrotechnik, zwar zu den glättenden Drosseln (Glättungsdrosselfiltervorrichtungen oder Glättungsdrossel) der Traktionssysteme der Elektrizitätsversorgung, und kann auf den bestehenden und neu entworfenen Abschnitten des Eisenbahn-und Industrietransports sowie der U-Bahnen verwendet werden. Die Glättungsdrossel hat mindestens eine Spulenanordnung mit einer Induktionsspule (2) mit einem geschlossenen radialzylindrischen Magnetsystem aus einem ferromagnetischen Material, aufweisend einen Stab (1), einen Jochflansch (3) und eine Außenhülle (4), die koaxial um die Induktionsspule (2) angeordnet sind, wobei das Magnetsystem mittels nichtmagnetischer Spalte mit einer hohen elektrischen Haltbarkeit unterteilt ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Elektrotechnik, gehört zu Glättungsdrosseln für die Filtervorrichtungen der Traktionssysteme der Bahnstrom, und kann auf bestehenden und neu entworfenen Abschnitten (Segmenten) des Eisenbahn-und Industrietransports sowie der U-Bahnen verwendet werden.
Die Induktivitätsparameter, die zur Zeit an Traktion-Untersstationen von DC - Glättungsdrosseln vom Typ RBFA-U betrieben werden, werden durch den Verkettungsfluss bestimmt, der von den Konstruktionsbesonderheiten und Geometrischen Abmessungen der Spule abhängt, sowie vom Wert des Stroms, der in ihren Windungen verläuft. (GOST 32676-2014) „Glättende Drosseln\Reaktoren für Traktion-Untersstationen der Eisenbahn. Allgemeine technische Bedingungen“, 2014).
Der von der Spule erzeugte Magnetfluss ist ein Streufluss, der benachbarte Geräte negativ beeinträchtigt. Aus diesem Grund befinden sich die Glättungsdrossel (Reaktoren) in separaten Gebäuden mit perforierter Metallummantelung, die auf hölzernen oder anderen nicht leitenden Stützen montiert sind.
Die Glättungsdrossel (Reaktoren) vom Typ RGFA, mit einem radial-zylindrischen Magnetsystem mit gepanzertem Stab (Erfindungspatent Nr. 2627730 (Anmeldung 2015146830), Priorität vom 30.05.15, vom 05.11.17, veröffentlicht am 08.11.17 (Prototyp) sind viel kompakter und haben praktisch kein Streufeld und zeichnen sich durch einen deutlich geringeren Energieverlust aus was durch die geringere Anzahl von Amperewindungen aufgrund der relativ höheren magnetischen Permeabilität ihrer Konstruktionselemente (Strukturelemente) möglich ist.
Die Notwendigkeit, die Anstiegsrate von Kurzschlussströmen in elektrischen Gleichstromanlagen einer Megawattleistungsklasse zu begrenzen, stellt zugleich hohe Anforderungen an die elektrische Isolierung und Auslegung von Glättungsdrosseln, die wechselnden Schaltüberspannungen zuverlässig standhalten müssen. Darüber hinaus wird die in der Glättungsdrosselinduktivität gespeicherte Energie trotz der Verwendung von Shunt-Nebenschlußeinrichtungen (Shunt-Geräten) in der Kammer des Hochgeschwindigkeits-Leistungsschalters (Schnellschalters) freigesetzt.
Diesbezüglich ist die Verringerung des Verschleißes der übertakteten Hörner und Kontakte sowie der Lichtbogenlöschkammern von Hochgeschwindigkeits-Gleichstromleistungsschaltern (Schnellschaltern) unter Beibehaltung der Zuverlässigkeit ihrer Abschaltung von Kurzschlussströmen nur bei der Reduzierung des Spannungsabfalls in der Glättungsdrosselinduktivität möglich.
Glättungsdrosseln (Reaktoren) vom Typ „PЖΦA“ (RGFA) sind das nächste Analogon der vorliegenden Erfindung.
Die Aufgabe der Erfindung ist, die zuvor beschriebenen Nachteile von bekannten Glättungsdrossel zu beseitigen und somit eine effizientere, verschleißfestere Glättungsdrossel zu Verfügung zu stellen. Dabei werden die Höhe der Schaltüberspannungen und die Stromanstiegsrate im Kurzschluss reduziert, wodurch der Glättungskoeffizient des Drosselstroms erhöht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einer Glättungsdrosselfiltervorrichtung der eingangs genannten Art vor, dass der Stab in Stabelemente unterteilt ist und dass die Stabelemente einen radialen Schlitz aufweist, die derart ausgebildet sind, dass das Fließen induzierter Ringströme in den Stabelementen verhindert wird.
Die nicht gattierte, massive Jochflanschen sowie die äußere Hülle sind Elemente des Magnetsystems und stellen kurz voneinander isolierte Spulen der Sekundärwicklung dar, in denen Ringströme mit dem Übersetzungsverhältnis und der magnetischen Kopplung multipliziert werden und die Spannungsabfälle direkt proportional zur Wandstärke ausfallen - eine Skin-Schicht für jede der Oberwellenfrequenzen des Fahrstroms. Gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion erfolgt die Glättung des gleichgerichteten Stroms auch durch die Transformation von variablen Komponenten in der Sekundärwicklung und anschließende Dämpfung in kurzgeschlossenen Spulen unter Freisetzung von Wärme, was ceteris paribus zur Verkürzung der Schaltüberspannung und Reduzierung der Anstiegsgeschwindigkeit des Kurzschlussstroms führt.
Um die Sättigung des Magnetsystems der Glättungsdrossel zu verhindern, ist es in Spalten unterteilt, die mit nichtmagnetischem Material gefüllt sind. Bei den Spalten handelt es sich um magnetische Widerstände, die die Stärke des Magnetflusses begrenzen, da sie eine relativ geringe magnetische Permeabilität aufweisen. Aufgrund der angegebenen Unterteilung wird die Linearität des Induktivitätswerts auch erreicht, wenn die Stromlast von Null auf spezifische Nennwerte variiert, beispielsweise im Bereich der Änderungen der Betriebsströme.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt:

1: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips in einem teilweisen Querschnitt der erfindungsgemäßen Glättungsdrossel;

Die erfindungsgemäße Glättungsdrossel hat eine Induktionsspule (2), die koaxial um einen ferromagnetischen Stab (1) angeordnet ist, zwischen ihren Windungen nichtmagnetische Lücken magnetische Lücken aufweist und aus einem Litzendraht gewickelt ist. Der Stab (1) ist in einzelne scheibenförmige Stabelemente unterteilt, die jeweils einen radialen Schlitz ausweisen. Der Stab (1) und die Induktionsspule (2) sind in einem nichtmagnetischen Medium mit hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit angeordnet. Durch die Verwendung der Litzendrähte, die aus isolierten Kupfer- oder Aluminiumdrähten bestehen, wird der Proximity-Effekt verringert, die Impedanz jedes Drahts gemittelt sowie für eine gleichmäßige Verteilung der Ströme und für einen höheren Qualitätsfaktor (Gütefaktor) gesorgt. Die Stabelemente des ferromagnetischen Stabes (1) in Form von zylindrischen Scheiben niedriger Höhe mit einem radialen Schlitz, sorgen dafür, den magnetischen Fluss induzierter Ringströme zu verhindern, und die Induktionsspule (2) in ein radialzylindrisches Kernmagnetsystem bestehend aus massiven Jochflanschen (3) und einer Außenhülle (4) einzuführen. Die Außenhülle (4) besteht aus ferromagnetischem Material. Die Induktionsspule (2) wird gegenüber dem Stab (1) isoliert (Isolierung ist nicht gezeigt), vertikal im radialzylindrischen Kernmagnetsystem ausgerichtet und ist durch tragende dielektrische Strukturen verstärkt (nicht gezeigt).
Das Radial-zylinderförmige Magnetsystem umfasst den aus einzelnen Stabelementen bestehenden Stab (1) aus ferromagnetischem Material, der koaxial in der Mitte der Induktionsspule (2) angeordnet ist, die Jochflansche 3 und eine den magnetischen Fluss verschließende äußere Hülle (4).
Der magnetische Fluss „Φ_M “ wird durch den gleichgerichteten Laststrom „I_H “ erzeugt. Die im Laststrom „I_H “ enthaltene zeitlich variable Komponente induziert in direktem Verhältnis zum Übersetzungsverhältnis in den Jochflanschen 3 und der Außenhülle 4 die Ringströme „I_K “, von denen jeder mit seiner charakteristischen Frequenz in die Tiefe der Skin-Schicht fließt und durch Freisetzung von thermischer Energie den aktiven Widerstand kurzgeschlossener Spulen abschwächt. Ein derartiges Betriebsprinzip reduziert bei hohen Werten der Induktanz der Induktionsspule (2) den Austausch von Blindenergie mit dem Umrichter bei abnehmendem Blindspannungsabfall, um die außerhalb abgestrahlte elektromagnetische Strahlung in Joulesche Wärme umzuwandeln.
Der Betrieb der erfindungsgemäßen Glättungsdrossel verläuft wie folgt: Nachdem die Induktionsspule (2) in der Rücklaufschaltung mit Nachteil eingeschaltet ist, also am Minus-Pol der Eingangsspannungsversorgung angeschlossen ist, wird der Laststrom „I_H “ geglättet. Dabei wird der von der Induktionsspule (2) erzeugte Magnetfluss „ΦM“, wenn der Laststrom „I_H “ durch sie fließt, in den Stab (1) und die weiteren Elemente des Magnetsystems gezogen, die aus ferromagnetischem Material bestehen und im Vergleich zu einem nichtmagnetischen Medium als Teil der Induktionsspule (2) einen überproportional größeren magnetischen Permeabilitätskoeffizienten aufweisen. Infolgedessen wird die erforderliche Induktivität durch eine geringere Anzahl von Windungen erreicht, was eine Verringerung des Innenwiderstands der Glättungsdrossel und des Energieverlustes in der Glättungsdrossel bei gleichzeitiger mehrfacher Abnahme der Stärke des Streumagnetfeldes gewährleistet.
Der im gleichgerichteten Laststrom „I_H “ enthaltene zeitlich variable Anteil wird mit kurz-geschlossenen Spulen in die Sekundärwicklung umgewandelt, wobei die obere Harmonische mit freigesetzter Joulescher Wärme gedämpft wird. Durch die Möglichkeit, den zeitlich variablen Anteil des gleichgerichteten Stroms von der durch Leistungsaufnahme verbrauchten Konstante zu trennen, ist es möglich, den Austausch von Blindenergie mit dem Umrichter erheblich zu reduzieren, die Qualität der elektrischen Energie im Traktionsnetz zu verbessern, den Blindspannungsabfall über der Glättungsdrossel und den Pegel von Schaltüberspannungen zu reduzieren sowie die Anstiegsgeschwindigkeit des Übergangs-Kurzschlussstroms zu begrenzen, der zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung umverteilt wird.
Hystereseverluste und Wirbelströme im magnetischen System der Glättungsdrossel sind vernachlässigbar klein, weil die Ströme mit höherem Oberschwingungsstrom im gleichgerichteten Strom überproportional niedriger sind als die konstante Komponente des Laststroms, die für die Zugtraktion aufgewendet wird.

Claims

Glättungsdrossel enthält mindestens eine Spulenanordnung mit einer Induktionsspule (2) mit einem geschlossenen radialzylindrischen Magnetsystem aus einem ferromagnetischen Material, aufweisend einen Stab (1), einen Jochflansch (3) und eine Außenhülle (4), die koaxial um die Induktionsspule (2) angeordnet sind, wobei das Magnetsystem mittels nichtmagnetischer Spalte unterteilt ist, dass der Stab (1) in Stabelemente unterteilt ist und dass die Stabelemente einen radialen Schlitz aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass das Fließen induzierter Ringströme in den Stabelementen verhindert wird. Die nicht gattierte, massiven Jochflansche sowie die äußere Hülle, die zugleich Elemente des Magnetsystems sind, bilden kurz voneinander isolierte Spulen der Sekundärwicklung, in denen Ringströme mit dem Übersetzungsverhältnis und der magnetischen Kopplung multipliziert werden und die Spannungsabfälle direkt proportional zur Wandstärke ausfallen - eine Skin-Schicht für jede der Oberwellenfrequenzen des Fahrstroms. Gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion erfolgt die Glättung des gleichgerichteten Stroms auch durch Transformation der variablen Komponente in der Sekundärwicklung und anschließende Dämpfung in kurzgeschlossenen Spulen unter Freisetzung von Wärme, was ceteris paribus zu einer Verkürzung der Schaltüberspannung und Reduzierung der Anstiegsgeschwindigkeit des Kurzschlussstroms führt.