RU2269175C1

RU2269175C1 - Saturable electrical reactor

Info

Publication number: RU2269175C1
Application number: RU2004121196/09A
Authority: RU
Inventors: нцев Александр Михайлович Бр (RU); Александр Михайлович Брянцев
Original assignee: Александр Михайлович Брянцев
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2006-01-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; saturation-controlled reactors.

SUBSTANCE: proposed saturable electrical reactor that can be used, for instance, as arc-control reactor in insulated-neutral networks for reactive power correction and for other purposes has electric sheet steel laminated magnetic system with top, bottom, intermediate, and two side yokes, coaxial top and bottom legs. The latter carry top and bottom windings, each of them being made of two parts; starting leads of two windings are connected to one reactor bushing and finishing leads, to other bushing. Reactor is provided with control system. Novelty is that nonmagnetic gaps are provided between side yokes and intermediate yoke and that newly introduced in reactor are two semiconductor diodes; anode of first diode is connected to finishing lead of one part of first winding and its cathode, to starting lead of other part of this winding; cathode of second diode is connected to finishing lead of one part of second winding and anode, to starting lead of other part of this winding. Reactor control system is connected to anodes and cathodes of both diodes. Proposed reactor incorporates provision for fast transfer to maximal power of controlled reactor and is distinguished by enhanced electrodynamic resistance to short circuits due to simplified design of its control system using diodes instead of thyristors.

EFFECT: enlarged functional capabilities, enhanced operating reliability, reduced iron loss and steel consumption.

2 cl, 7 dwg

Description

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.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used for magnetization controlled reactors installed, for example, in an electric network as arc suppression reactors in networks with insulated neutral, to compensate for reactive power, etc.

Известен электрический реактор с подмагничиванием [1]. В этом устройстве-аналоге имеется магнитная система со стержнями и ярмами, имеются две обмотки, охватывающие два соседних стержня, система управления. Недостатками аналога являются увеличенная материалоемкость и увеличенные потери мощности. Устройство обладает повышенными потерями на вихревые токи, возникающие в элементах конструкции из-за магнитного поля рассеяния.Known electric reactor with magnetization [1]. This analog device has a magnetic system with rods and yokes, there are two windings covering two adjacent rods, a control system. The disadvantages of the analogue are increased material consumption and increased power loss. The device has increased eddy current losses arising in structural elements due to the scattering magnetic field.

Частично недостатки реактора [1] устранены в известном устройстве, являющемся наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению - управляемом подмагничиванием дугогасящем реакторе типа РУОМ [2]. В известном реакторе 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 прототипа является сниженная надежность из-за наличия в обмотке регулировочной части, при коротком замыкании которой возникают большие электродинамические силы в обмотках, а также увеличенные потери в стали и расход стали в ярмах.Partially, the disadvantages of the reactor [1] are eliminated in the known device, which is the closest in technical essence to the proposed invention - controlled magnetization of an arc suppression reactor type RUOM [2]. In the known reactor there is an armored rod combined (“two-story”) magnetic system with upper, lower, middle and two side yokes, coaxial upper and lower rods. On the rods are windings, consisting of two parts, there is a control system. The disadvantages of the prototype is the reduced reliability due to the presence of the adjustment part in the winding, during short circuit of which there are large electrodynamic forces in the windings, as well as increased losses in steel and steel consumption in yokes.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей реактора за счет увеличения быстродействия перехода к режиму максимальной мощности управляемого реактора, повышение надежности за счет повышения электродинамической стойкости при коротких замыканиях, а также снижение добавочных потерь и уменьшение расхода стали в ярмах магнитной системы в мощных реакторах за счет применения магнитных шунтов в виде замкнутых прямоугольных рам.The aim of the invention is to expand the functionality of the reactor by increasing the speed of transition to the maximum power of the controlled reactor, increasing reliability by increasing the electrodynamic resistance during short circuits, as well as reducing additional losses and reducing the consumption of steel in the yokes of the magnetic system in powerful reactors through the use of magnetic shunts in the form of closed rectangular frames.

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, каждая из которых состоит из двух частей, причем начала двух обмоток подключены к одному вводу реактора, а концы - к второму вводу, и систему 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. При этом упомянутая система управления подключена к анодам и катодам обоих диодов.This goal is achieved in that in an electric reactor with magnetization, containing a magnetic system laden from sheets of electrical steel with an upper, lower, middle and two side yokes, coaxial upper and lower rods located on the rods of the upper and lower windings, each of which consists of two parts, the beginning of two windings connected to one input of the reactor, and the ends to the second input, and the control system, between the side yokes and the average yoke non-magnetic gaps are made, the reactor is introduced two semiconductor diodes, with the first diode connected to the end of one part of the first winding by the anode, and the cathode to the beginning of the second part of the first winding, the second diode connected to the end of one part of the second winding, and the anode to the beginning of the second part of the second winding. Moreover, the said control system is connected to the anodes and cathodes of both diodes.

В электрическом реакторе могут быть установлены четыре магнитных шунта в виде прямоугольных рам с горизонтальными и вертикальными частями, причем горизонтальные части шунтов расположены на торцах обмоток вдоль верхнего, среднего и нижнего ярем, а замыкающие их вертикальные части расположены вдоль боковых ярем.Four magnetic shunts in the form of rectangular frames with horizontal and vertical parts can be installed in an electric reactor, and the horizontal parts of the shunts are located at the ends of the windings along the upper, middle and lower yoke, and the vertical parts closing them are located along the side yards.

Предлагаемый электрический реактор с подмагничиванием поясняется чертежами. На фиг.1 показана конструкция магнитной системы реактора с обмотками в сечении по главной оси, на фиг.2 - вид реактора сбоку, на фиг.3 - вид реактора в плане. На фиг.4 приведена электрическая схема реактора с системой управления. На фиг.5 дан простейший вариант схемы системы управления. На фиг.6 дан вариант выполнения немагнитного зазора. На фиг.7 показан реактор с магнитными шунтами в виде рам.The proposed electric reactor with magnetization is illustrated by drawings. Figure 1 shows the design of the magnetic system of the reactor with windings in cross section along the main axis, figure 2 is a side view of the reactor, figure 3 is a plan view of the reactor. Figure 4 shows the electrical diagram of the reactor with a control system. Figure 5 shows the simplest version of the control system. 6 shows an embodiment of a non-magnetic gap. 7 shows a reactor with magnetic shunts in the form of frames.

Магнитная система реактора, шихтованная из пластин электротехнической стали, содержит два соосных стержня - верхний 1 и нижний 2, два горизонтальных ярма - верхнее 3 и нижнее 4, два боковых ярма - левое 5 и правое 6, среднее ярмо 7. Между средним ярмом 7 и боковым ярмом 5 имеется немагнитный зазор 8. Между средним ярмом 7 и боковым ярмом 6 имеется немагнитный зазор 9. На верхнем стержне 1 размещены две части верхней обмотки 10 и 11. На нижнем стержне 2 размещены две части нижней обмотки 12 и 13. Начала первых частей 10 и 12 верхней и нижней обмоток подсоединены к вводу реактора А (начало обмотки и ее части обозначено звездочкой). Концы частей обмоток 11 и 13 подключены ко второму вводу реактора 0. К концу части верхней обмотки 10 подключен анод полупроводникового диода 14, катод этого диода подключен к началу верхней части обмотки 11. К концу части нижней обмотки 12 подключен катод полупроводникового диода 15, анод этого диода подключен к началу верхней части обмотки 13. К двум анодам и двум катодам обоих диодов 14 и 15 подключена система управления реактора 16. В частном случае, например, при ручном управлении реактора система управления 16 состоит из двух переменных включенных перекрестно резисторов 17, имеющих регулируемое сопротивление R. В общем случае для автоматического управления мощностью реактора система управления 16 представляет более сложное электронное устройство.The reactor magnetic system, laden from electrical steel plates, contains two coaxial rods - upper 1 and lower 2, two horizontal yokes - upper 3 and lower 4, two side yokes - left 5 and right 6, average yoke 7. Between the average yoke 7 and there is a non-magnetic gap 8 in the side yoke 5. There is a non-magnetic gap 9 in the middle yoke 7 and the side yoke 6. Two parts of the upper winding 10 and 11 are placed on the upper shaft 1. Two parts of the lower winding 12 and 13 are placed on the lower shaft 2. 10 and 12 of the upper and lower windings are connected to reactor input A (the beginning of the winding and its part is indicated by an asterisk). The ends of the parts of the windings 11 and 13 are connected to the second input of the reactor 0. The anode of the semiconductor diode 14 is connected to the end of the upper winding 10, the cathode of this diode is connected to the beginning of the upper part of the winding 11. The cathode of the semiconductor diode 15 is connected to the end of the lower winding 12, the anode of this the diode is connected to the beginning of the upper part of the winding 13. The reactor control system 16 is connected to the two anodes and two cathodes of both diodes 14 and 15. In the particular case, for example, when the reactor is manually controlled, the control system 16 consists of two variables included cross resistors 17 having adjustable resistance R. In General, for automatic control of the power of the reactor, the control system 16 is a more complex electronic device.

В дугогасящих реакторах кроме обмоток 10-13 на стержнях может размещаться дополнительная маломощная сигнальная обмотка.In arc suppression reactors, in addition to windings 10–13, additional low-power signal windings can be placed on the rods.

Рассмотрим работу реактора на примере использования простейшей системы управления (фиг.5).Consider the operation of the reactor using the simplest control system as an example (Fig. 5).

При подключении к вводам реактора к сети переменного напряжения и положении резисторов 17 на минимальной величине сопротивления R (в пределе - при закорачивании резисторов 17, R=0) реактор превращается в два параллельно включенных трансформатора на холостом ходу (так как вторичные обмотки отсутствуют). Таким образом, в этом случае возникает режим минимальной мощности реактора.When connected to the inputs of the reactor to an alternating voltage network and the position of the resistors 17 at the minimum resistance value R (in the limit, when shorting the resistors 17, R = 0), the reactor turns into two parallel transformers idling (since there are no secondary windings). Thus, in this case, a minimum reactor power mode occurs.

При другом крайнем положении переменных резисторов 17 на максимуме сопротивления R (в пределе - при отключении резисторов) в частях обмоток реактора 10, 11, 12 и 13 в обмотках возникает пульсирующий, выпрямленный диодами 14 и 15 ток. В этом токе содержится постоянная составляющая и все гармонические составляющие, включающие основную первую гармонику, четные и нечетные гармоники. Постоянная составляющая тока насыщает стержни 1 и 2 магнитной системы реактора, при этом индуктивность обмоток резко снижается. Ток реактора, выходящий в сеть, является алгебраической суммой токов двух обмоток. Так как диоды 14 и 15 направлены в противоположные стороны, в токе реактора суммируются нечетные гармоники, а постоянная составляющая и четные гармоники вычитаются. Эти четные гармоники и постоянная составляющая замыкаются в контуре обмоток (во внутреннем контуре реактора). Таким образом, при отключении резисторов 17 реактор работает в режиме максимальной мощности.At another extreme position of the variable resistors 17 at the maximum resistance R (in the limit, when the resistors are turned off), a pulsating current rectified by diodes 14 and 15 occurs in the parts of the reactor windings 10, 11, 12, and 13. This current contains a constant component and all harmonic components, including the main first harmonic, even and odd harmonics. The constant component of the current saturates the rods 1 and 2 of the magnetic system of the reactor, while the inductance of the windings decreases sharply. The reactor current entering the network is the algebraic sum of the currents of the two windings. Since the diodes 14 and 15 are directed in opposite directions, odd harmonics are summed in the reactor current, and the constant component and even harmonics are subtracted. These even harmonics and the constant component are closed in the loop of the windings (in the inner loop of the reactor). Thus, when disconnecting resistors 17, the reactor operates in maximum power mode.

То, что при плановом или аварийном отключении системы управления реактора он практически мгновенно переходит в режим максимальной мощности, является расширением функциональных возможностей и увеличением быстродействия по сравнению с прототипом, который при аналогичных обстоятельствах переходит в режим минимальной мощности (холостого хода).The fact that during a planned or emergency shutdown of the reactor control system it almost instantly switches to maximum power mode is an extension of functionality and an increase in speed compared to the prototype, which under similar circumstances goes into minimum power (idle) mode.

При установке резисторов 17 в промежуточных положениях (вручную или автоматически по определенной программе в зависимости от использования реактора) мощность реактора варьируется в диапазоне от минимальной до максимальной.When installing resistors 17 in intermediate positions (manually or automatically according to a specific program depending on the use of the reactor), the reactor power varies from minimum to maximum.

Роль немагнитных зазоров 8 и 9 состоит в увеличении максимальной мощности реактора в 1,3-2 раза (в зависимости от конкретных параметров реактора) по сравнению со случаем, когда зазоры отсутствуют. Такое увеличение мощности подтверждено расчетами на математической модели и результатами испытаний макета реактора. При необходимости результаты этих исследований могут быть предоставлены дополнительно.The role of non-magnetic gaps 8 and 9 is to increase the maximum reactor power by 1.3–2 times (depending on the specific parameters of the reactor) compared with the case when there are no gaps. This increase in power is confirmed by calculations on a mathematical model and the test results of the reactor layout. If necessary, the results of these studies can be provided additionally.

Немагнитные зазоры 8 и 9 могут быть осуществлены путем использования при шихтовке укороченных пластин среднего ярма (фиг.6). В этом случае в таких шихтованных стыках среднего ярма 7 с боковыми ярмами 5 и 6 магнитный поток проходит не по сплошному немагнитному зазору (фиг.1), а по сложному эквивалентному немагнитному зазору, образованному как зазорами между укороченными пластинами среднего ярма 18 и пластинами боковых ярем 19, так и немагнитными зазорами, образованными изоляцией пластин электротехнической стали 20 (фиг.6).Non-magnetic gaps 8 and 9 can be achieved by using shortened plates of the average yoke during batching (Fig. 6). In this case, in such bursted joints of the middle yoke 7 with the side yokes 5 and 6, the magnetic flux does not pass through a continuous non-magnetic gap (Fig. 1), but along a complex equivalent non-magnetic gap formed as gaps between the shortened middle yoke plates 18 and the lateral yoke plates 19, and non-magnetic gaps formed by the insulation of the plates of electrical steel 20 (Fig.6).

По сравнению с прототипом предлагаемый реактор имеет повышенную надежность, так как при коротких замыканиях в нем возникают существенно меньшие электродинамические силы из-за электромагнитной симметрии частей обмоток, в то время как в прототипе в обмотках имеются несимметрично расположенные регулировочные отпайки.Compared with the prototype, the proposed reactor has increased reliability, since during short circuits it has significantly lower electrodynamic forces due to the electromagnetic symmetry of the parts of the windings, while in the prototype there are asymmetrically located adjusting tapes.

Повышение надежности предлагаемого реактора при одновременном снижении его стоимости по сравнению с прототипом достигается также за счет применения в нем более надежных и дешевых элементов - полупроводниковых диодов (в прототипе используются тиристоры).Improving the reliability of the proposed reactor while reducing its cost compared to the prototype is also achieved through the use of more reliable and cheaper elements - semiconductor diodes (the prototype uses thyristors).

В мощных реакторах увеличенной мощности становятся заметными потери мощности из-за вихревых токов в элементах конструкции, вызываемые магнитным полем рассеяния. Для снижения этих потерь в мощном реакторе применены четыре магнитных шунта из пакетов полос электротехнической стали в виде замкнутых прямоугольных рам (фиг.7). Горизонтальные части шунтов 21 расположены на торцах обмоток 10-13 вдоль верхнего 3, среднего 7 и нижнего 4 ярем, они собирают магнитный поток рассеяния. Вертикальные части шунтов 22, расположенные вдоль боковых ярем 5 и 6, служат для замыкания магнитного потока. Шунты в виде рам фактически берут на себя часть рабочего потока (в реакторах поток рассеяния не является паразитным потоком, он - часть рабочего потока). Это значит, что в реакторе достигается не только снижение потерь мощности, но и уменьшение расхода стали в ярмах 5 и 6 магнитной системы (за счет снижения сечения стали ярем). В реакторах небольшой мощности потребность в шунтах может отсутствовать.In high-power reactors with increased power, power losses due to eddy currents in structural elements caused by the scattering magnetic field become noticeable. To reduce these losses in a powerful reactor, four magnetic shunts from packages of strips of electrical steel in the form of closed rectangular frames were used (Fig. 7). The horizontal parts of the shunts 21 are located at the ends of the windings 10-13 along the upper 3, middle 7 and lower 4 jerk, they collect the magnetic flux scattering. The vertical parts of the shunts 22 located along the lateral yarns 5 and 6 serve to close the magnetic flux. Shunts in the form of frames actually take part of the working stream (in reactors, the scattering stream is not a parasitic stream, it is part of the working stream). This means that in the reactor not only a reduction in power losses is achieved, but also a decrease in steel consumption in yokes 5 and 6 of the magnetic system (due to a decrease in the steel section by the yoke). Small reactors may not require shunts.

Работоспособность предлагаемого управляемого подмагничиванием электрического реактора и его высокие технико-экономические показатели подтверждены расчетами, физическим моделированием, результатами испытаний макета. По сравнению с аналогом и прототипом предлагаемое изобретение обладает преимуществами - расширением функциональных возможностей, увеличением быстродействия, увеличением надежности работы, а также уменьшением потерь и расхода стали.The performance of the proposed bias-controlled electric reactor and its high technical and economic indicators are confirmed by calculations, physical modeling, test results of the layout. Compared with the analogue and prototype, the present invention has the advantages of expanding functionality, increasing speed, increasing reliability, as well as reducing losses and consumption of steel.

ЛитератураLiterature

1. Электромагнитное устройство. Авторское свидетельство СССР №1164795. Н 01 F 29/14. Бюллетень изобретений №24, 1985 г.1. The electromagnetic device. USSR copyright certificate No. 1164795. H 01 F 29/14. Bulletin of inventions No. 24, 1985

2. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сб. статей. Под ред. доктора техн. наук. проф. А.М.Брянцева. - М.: «Знак», 2004. 264 с.2. Bias-controlled electrical reactors. Sat articles. Ed. doctors tech. sciences. prof. A.M. Bryantseva. - M.: “Sign”, 2004.264 s.

Claims

1. An electric magnetization reactor containing a magnetic system lined from sheets of electrical steel with an upper, lower, middle and two side yokes, coaxial upper and lower rods located on the rods of the upper and lower windings, each of which consists of two parts, and two windings are connected to one input of the reactor, and the ends to the second input, and a control system, characterized in that non-magnetic gaps are made between the side yokes and the average yoke, two semiconductors are introduced into the reactor output diodes, the first diode being connected by an anode to the end of one part of the first winding, and the cathode to the beginning of the second part of the first winding, the second diode by the cathode connected to the end of one part of the second winding, and the anode to the beginning of the second part of the second winding, the system being mentioned control is connected to the anodes and cathodes of both diodes.

2. The electric reactor according to claim 1, characterized in that the reactor additionally introduced four magnetic shunts in the form of rectangular frames with horizontal and vertical parts, and the horizontal parts of the shunts are located at the ends of the windings along the upper, middle and lower yoke, and the vertical ones closing them parts are located along the lateral jugular.