Электрический реактор с поперечным перераспределением магнитного потока в магнитопроводе

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к трансформатостроению, и может найти применение в электрических реакторах различного назначения и класса напряжения без регулирования напряжения и с регулированием, магнитная система (магнитопровод) которых содержит один или более стержней с немагнитными зазорами.
Известно техническое решение по электрическому реактору (Силовые трансформаторы. Справочная книга. Под ред. Лизунова С.Д. и Лоханина А.К. - Москва: "Энергоиздат", 2004 г., стр. 514) - [1], в котором однофазный электрический реактор содержит магнитный радиально-шихтованный стержень с зазорами, расположенную на магнитном стержне обмотку, а также С-образные плоско-шихтованные магнитные шунты из горизонтальных и вертикальных частей, охватывающие обмотку и размещенные по ее окружности в составе нескольких сборочных единиц. Пластины электротехнической стали всех шунтов лежат в плоскостях, параллельным оси стержня. Концы горизонтальных частей С-образных шунтов сведены вместе к оси магнитопровода. Магнитопровод запрессован сверху и снизу стяжными шпильками, проходящими сквозь прессующие плиты, прилегающие к горизонтальным частям С-образных шунтов. Обмотка при этом прессуется отдельно от магнитопровода.
К недостаткам технического решения [1] можно отнести:
сложность конструкции и сборки электрического реактора, содержащего С-образные магнитные шунты;
недостаточную конструктивно обусловленную жесткость сборки магнитопровода, сложную систему завязанной на бак прессовки обмотки и непосредственно связанный с этим повышенный уровень вибраций в эксплуатации;
увеличение основных и добавочных потерь, ухудшенный теплоотвод в зоне стыковки и запрессовки плитами горизонтальных элементов С-образных шунтов с радиально-шихтованными элементами магнитного стержня, следствием чего является повышенный уровень газовыделения в эксплуатации.
Известно техническое решение по электрическому реактору (RU 27970 U1, МПК: H01F 29/02, опубл. 27.02.2003) - [2], относящегося к классу управляемых трансформаторно-реакторных устройств для плавной регулировки реактивной мощности. Магнитопровод реактора содержит плоско-шихтованный магнитный стержень без зазоров, зашихтованный в ярма, а также магнитные шунты, размещенные между торцами обмоток и ярмами. На стержне концентрически размещаются три обмотки: сетевая, компенсационная и управляющая. Последняя в процессе работы замыкается через тиристорные ключи. Степень этого замыкания (регулируемый угол включения тиристоров) определяет величину потока рассеяния реактора, собираемого магнитными шунтами из зоны обмоток и направляемого в магнитопровод. Каждый магнитный шунт в таком реакторе выполнен либо в виде навитого из ленты электротехнической стали радиально разрезанного кольца, либо в виде четырех профилированных плоско-шихтованных пакетов стали, заходящих концами в вырезы ярма. Следует отметить, что описанная конструкция магнитопровода и шунтов является принципиально ориентированной на управляемые реакторы с вытеснением магнитного потока из стержня в цилиндрический канал рассеяния между концентрическими обмотками и не в полной мере подходит для нерегулируемых или имеющих регулировку напряжения под нагрузкой реакторов, содержащих магнитный стержень с зазорами.
К недостаткам технического решения [2] можно отнести:
нетехнологичность изготовления магнитных шунтов в виде колец, обусловленную сложностью обеспечения отсутствия короткого замыкания пластин стали в местах радиальных разрезов для предотвращения больших потерь от вихревых токов в шунтах;
сложную ступенчатую конструкцию ярм при выполнении секторных шунтов в виде четырех пакетов стали, размещенных над каналом рассеяния обмоток и заведенных концами в вырезы ярм; при этом также серьезно ухудшается механическая стабильность конструкции, усложняется ее прессовка;
увеличенную высоту ярм при их ширине равной диаметру стержней для обеспечения пропускания потока холостого хода реактора, что приводит к росту габаритов устройства в окне и снижает эффективность использования пространства в баке.
Известно техническое решение по электрическому реактору (RU 2542741 С1, МПК: H01F 3/12, H01F 27/36, опубл. 27.02.2015) - [3], также относящемуся к классу управляемых трансформаторно-реакторных устройств. Однофазный реактор содержит два плоско-шихтованных стержня, зашихтованных в верхнее и нижнее ярма, по две концентрические обмотки на стержень и плоско-шихтованные магнитные шунты. Последние имеют П-образную форму с боковыми консольными выступами и охватывают ярма над каждой обмоткой. При этом выступы расположены заподлицо с обращенной к обмоткам плоскостью ярм и закрывают канал рассеяния с торцов каждой пары коаксиальных обмоток. Направление шихтовки шунтов перпендикулярно направлению шихтовки ярм.
Недостатками технического решения [3] являются:
низкая жесткость и механическая стабильность П-образных шунтов с боковыми консольными выступами;
увеличенная высота ярм при их ширине равной диаметру стержней для обеспечения пропускания полного потока холостого хода реактора. Так же, как для решения [2] это приводит к росту габаритов устройства, снижает эффективность использования пространства в баке.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является техническое решение по электрическому реактору (RU 2063084 С1, МПК: H01F 37/00, опубл. 27.06.1996) - [4]. Согласно [4], однофазный или трехфазный реактор с плавно регулируемой подмагничиванием реактивной мощностью содержит шихтованный из пластин электротехнической стали магнитопровод, состоящий из стержней с расположенной на каждом из них парой концентрических обмоток, торцевых ярм и соединяющих их по краям боковых ярм. Торцевые ярма имеют ширину примерно равную диаметру внешней обмотки и выполнены с плоской внешней поверхностью, вплотную к которой на оси каждого стержня сверху и снизу установлены плоско-шихтованные магнитные шунты в форме параллелепипеда, причем ось симметрии каждого шунта совпадает с осью стержня, длина шунта равна ширине торцевого ярма, а ширина шунта примерно равна диаметру стержня. Пластины стали шунта перпендикулярны пластинам стали ярма и стержня и параллельны оси обмотки. Высота шунта должна быть достаточной для перераспределения части потока стержня в поперечном направлении относительно торцевого ярма. Другая часть потока стержня переходит непосредственно в торцевое ярмо через зону шихтовки. Поток рассеяния обмоток в таком реакторе входит непосредственно во внутреннюю поверхность торцевых ярм и частично замыкается на соседние фазы, а частично проходит сквозь торцевые ярма и перераспределяется посредством шунтов в поперечном направлении, одновременно складываясь с потоком стержней. Перераспределенный в поперечном направлении поток замыкается по торцевым и боковым ярмам сам на себя, либо на соседние фазы.
Общие признаки прототипа и заявляемой полезной модели: шихтованная из листов электротехнической стали магнитная система содержит по крайней мере один стержень с расположенной на нем по крайней мере одной основной обмоткой, торцевые ярма и шунты.
Данное техническое решение выбрано за прототип, к недостаткам которого можно отнести:
применительно к реакторам, содержащим один или более стержней с немагнитными зазорами, размещение шунтов на наружной поверхности торцевых ярм влечет за собой увеличение добавочных потерь от нормального магнитного потока в широких пластинах ярм в местах примыкания к ним стержней через зазоры; при ширине шунтов равной диаметру стержня ухудшится равномерность распределения потока рассеяния по сечению ярм, что также отрицательно скажется на потерях; также при размещении шунтов снаружи торцевых ярм усложняется технология сборки, ухудшается виброустойчивость реактора;
недостаточно полное поперечное перераспределение потоков рассеяния расположенными снаружи торцевых ярм шунтами с шириной, равной диаметру стержня, а также перегруженность потоком зон торцевых ярм вблизи шунтов, что потребует увеличения высоты последних с неизбежным увеличением габаритов реактора;
применительно к управляемым реакторам поперечное перераспределение части магнитного потока стержней шунтами при наличии малого технологического зазора между торцевыми ярмами и шунтами не гарантирует выполнение требования малого тока холостого хода (обычно не более 1% по техническому заданию на такой тип реакторов).
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является усовершенствование электрического реактора с магнитной системой, содержащей один или более стержней с немагнитными зазорами, в части улучшения конструкции магнитопровода: снижения массогабаритных показателей, уменьшения потерь в электротехнической стали и уровня вибраций в процессе эксплуатации устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в электрическом реакторе с поперечным перераспределением магнитного потока в магнитопроводе с шихтованной из листов электротехнической стали магнитной системой, содержащей по крайней мере один стержень с расположенной на нем по крайней мере одной основной обмоткой и торцевые ярма, согласно формуле полезной модели, каждый стержень имеет немагнитные зазоры и может быть выполнен плоско-шихтованным или радиально-шихтованным, обращенные к концам стержней поверхности торцевых ярм выполняются плоскими; между каждым концом каждого стержня и торцевым ярмом располагаются плоско-шихтованные шунты квадратного в плоскости нормальной оси стержня сечения; шунты отделяются от концов стержней и торцевых ярм технологическими зазорами малой величины, причем сторона квадрата сечения шунтов и ширина торцевых ярм выполняется равной или приближенной к внешнему диаметру обмотки, а пластины электротехнической стали шунтов перпендикулярны пластинам торцевых ярм и параллельны оси стержня.
В зависимости от конструктивного исполнения в электрическом реакторе могут присутствовать или отсутствовать боковые плоско-шихтованные ярма, соединяющие по краям торцевые ярма.
Технический результат, достигаемый в полезной модели, состоит в снижении массогабаритных показателей электрического реактора за счет более рационального использования пространства внутри бака, занятого магнитной системой.
Дополнительно к этому происходит улучшение производственно-технологических параметров реактора вследствие применения более простых конструктивных форм;
уменьшение основных и добавочных потерь в магнитопроводе за счет максимально достижимого поперечного (относительно ярм) перераспределения полного рабочего потока реактора, включающего в себя основной поток в зоне стержня и поток рассеяния, с помощью плоско-шихтованных магнитных шунтов квадратного сечения;
улучшение вибрационных характеристик электрического реактора за счет применения широких, плоских и пространственно более плотно упакованных базовых элементов конструкции магнитопровода, определяющих ее общую жесткость и механическую стабильность.
Для достижения частного технического результата в виде дополнительного уменьшения добавочных потерь в электротехнической стали шунты в направлении оси стержня могут конструктивно содержать более одного слоя. Эффект от такого решения определяется следующим. Выпучивающийся из зазора между стержнем и шунтом магнитный поток в зоне переориентации от аксиального (в стержне) к плоскому (в шунте) имеет нормальную к пластинам стали шунта составляющую. Меньшая ширина пластин приведет к снижению добавочных потерь от нормального потока. По этой же причине размещение шунта между стержнем и торцевым ярмом является принципиальным, поскольку в случае размещения шунта над торцевым ярмом и примыкания стержня непосредственно к торцевому ярму, как в прототипе [4], будет иметь место увеличение добавочных потерь в пластинах стали ярма из-за их большой ширины. Разделение же торцевых ярм по высоте на несколько слоев повлечет за собой заметное усложнение конструкции реактора.
Для достижения частного технического результата в виде возможности регулирования реактивной мощности, потребляемой реактором из электрической сети, на каждом стержне с немагнитными зазорами необходимо концентрически или аксиально расположить регулировочную обмотку, электрически соединенную с основной обмоткой. При этом выводы регулировочной обмотки подключаются к устройству регулирования напряжения под нагрузкой.
Наличие в заявляемой полезной модели признаков, отличающих ее от прототипа, позволяет считать ее соответствующей условию "новизна".
Полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показан вид сбоку (в окне магнитной системы) и сверху электрического реактора с поперечным перераспределением магнитного потока в магнитопроводе в однофазном исполнении.
На фиг. 2 показан вид сбоку электрического реактора с поперечным перераспределением магнитного потока в магнитопроводе в однофазном исполнении, в котором шунты в направлении оси стержня конструктивно содержат более одного слоя.
На фиг. 3 показан вид сбоку электрического реактора с поперечным перераспределением магнитного потока в магнитопроводе в однофазном исполнении с концентрически расположенными на стержне основной и регулировочной обмотками.
В электрическом реакторе с поперечным перераспределением магнитного потока в магнитопроводе в однофазном исполнении элементы конструкции обозначены следующим образом:
1 - стержень;
2 - шунт;
3 - торцевое ярмо;
4 - боковое ярмо;
5 - основная обмотка;
6 - регулировочная обмотка.
Элементы позиций 1, 2, 3, 4 составляют шихтованную из листов электротехнической стали магнитную систему (магнитопровод) электрического реактора.
ст
ст
обм
1
ш
ш
o6m
2
я
M
обм
m
я
м
ст
р
Электрический реактор на фиг. 1 имеет один радиально-шихтованный стержень 1 внешним диаметром D сечением S с немагнитными зазорами, обусловливающими расчетную индуктивность реактора (внутреннее осевое отверстие в фазном стержне 1 определяется технологической необходимостью исполнения радиальной шихтовки). При небольшой мощности электрического реактора стержень 1 с немагнитными зазорами может быть выполнен плоско-шихтованным (не показано). В общем случае в однофазном варианте электрического реактора стержней может быть один или два (расщепленный стержень), а в трехфазном варианте - три. На стержне 1 размещена по крайней мере одна основная обмотка 5 внешним диаметром D. К верхнему и нижнему торцам стержня 1 через технологические зазоры G примыкают плоско-шихтованные шунты 2 толщиной Н квадратного сечения в плоскости нормальной оси стержня 1. Сторона W квадрата сечения шунтов 2 равна или приближена к внешнему диаметру D основной обмотки 5. К шунтам 2 сверху и снизу через технологические зазоры G примыкают плоской стороной плоско-шихтованные торцевые ярма 3 высотой Н и шириной W, равной или приближенной к внешнему диаметру D основной обмотки 5 и стороне W квадрата сечения шунтов 2. Пластины электротехнической стали шунтов 2 перпендикулярны пластинам торцевых ярм 3 и параллельны оси стержня 1. Соответствующие концы верхнего и нижнего торцевых ярм 3 соединяются плоско-шихтованными боковыми ярмами 4 толщиной Н и шириной W (как у торцевых ярм 3). В общем случае в однофазном варианте электрического реактора боковых ярм может быть одно или два при наличии одного стержня (бронестержневое исполнение) или ни одного при наличии двух стержней (стержневое исполнение), а в трехфазном варианте - два (для уменьшения конструктивной высоты реактора) или ни одного. Активное сечение стали шунтов 2 должно соответствовать требованию перераспределения без насыщения в поперечном направлении части потока стержня Ф и полного потока рассеяния Ф. Активное сечение стали торцевых ярм 3 и боковых ярм 4 также должно пропускать без насыщения магнитный поток реактора во всех расчетных рабочих режимах.
3
В электрическом реакторе на фиг. 2 шунты 2 конструктивно состоят из двух слоев в направлении стержня 1. В общем случае число слоев может быть больше. Между слоями имеется минимальный электроизоляционный технологический зазор G.
м
обм
ш
В электрическом реакторе на фиг. 3 на стержне 1 немагнитными зазорами концентрически расположены электрически соединенные между собой обмотки: основная 5 и регулировочная 6. В общем случае размещение обмоток 5 и 6 может быть аксиальным (вдоль оси стержня 1). При этом основная обмотка 5 имеет фиксированное число витков, а регулировочная обмотка 6 разделена на зоны с определенным числом витков в каждой. Выводы от зон регулировочной обмотки 6 подключены к устройству регулирования напряжения под нагрузкой (не показано). Ширина W торцевых ярм 3 и боковых ярм 4 равна или приближена к диаметру D регулировочной фазной обмотки 6 и стороне W квадрата сечения шунтов 2. Шунты 2 показаны конструктивно состоящими из двух слоев в направлении оси стержня 1. В случае применения регулировочной обмотки 6 такое решение особенно актуально для уменьшения добавочных потерь в шунтах 2 от нормального к пластинам электротехнической стали магнитного потока, так как при этом поток рассеяния реактора в общем случае заметно увеличивается, а его конфигурация усложняется.
Работа электрического реактора.
ст
ст
р
ст
ст
1
2
м
ст
р
2
2
Электрический реактор вообще представляет собой индуктивное (реактивное) сопротивление большой нормированной мощности, подключаемое к сети передачи и распределения электроэнергии, с помощью которого решаются различные задачи: компенсация реактивной мощности (повышение коэффициента мощности сети), стабилизация напряжения в точке подключения реактора и прочие. Наличие в электрическом реакторе регулировочной обмотки позволяет более гибко регулировать потоки реактивной мощности в зависимости от режима сети. При подключении электрического реактора к источнику напряжения в основной обмотке 5 (или основной 5 и регулировочной 6 обмотках) возникает ток, создающий магнитный поток реактора. Этот поток условно можно разделить на основной Ф - проходящий по стержню 1 в пределах его внешнего диаметра D и поток рассеяния Ф - проходящий вне диаметра D. Часть магнитного потока Ф определяемая уровнем насыщения электротехнической стали, пройдя через первый зазор G между стержнем 1 и шунтом 2, пройдет через шунт 2 и второй зазор Gнепосредственно в торцевое ярмо 3 и замкнется по торцевым ярмам 3 и боковым ярмам 4 сам на себя (при одном стержне) или по торцевым ярмам 3 на соседние стержни и боковым ярмам 4 сам на себя (при числе стержней более одного и наличии боковых ярм) в пределах пакета электротехнической стали шириной W. Другая часть Ф, проникнув в шунт 2, распределится вдоль его пластин и перпендикулярно пластинам торцевых ярм 3 магнитопровода. Так же распределится и поток рассеяния Ф, который будет проникать в шунт 2 непосредственно из зоны вне стержня 1. Учитывая значительное магнитное сопротивление технологического зазора G между шунтом 2 и торцевым ярмом 5, распределение потока вдоль пластин стали шунта 2 будет достаточно однородным. Поперечно распределенный поток из шунта 2 через зазор G проникнет в торцевое ярмо 3 и также замкнется по торцевым ярмам 3 и боковым ярмам 4 сам на себя (при одном стержне) или по торцевым ярмам 3 на соседние стержни и боковым ярмам 4 сам на себя (при числе стержней более одного и наличии боковых ярм).
В предлагаемой конструкции торцевые ярма 3 и боковые ярма 4 магнитопровода имеют уменьшенную толщину. Это позволяет сократить габариты магнитной системы и электрического реактора в целом, повысить механическую стабильность и виброустойчивость магнитной системы. Магнитный поток в зоне концов стержней 1 распределяется квадратными шунтами 2 более равномерно относительно равношироких им торцевых 3 и боковых 4 ярм, что положительно сказывается на снижении основных и добавочных потерь в стали магнитопровода.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
устройство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, относится к области электротехники, в частности к трансформаторостроению, и может найти применение в электрических реакторах различного назначения и класса напряжения без регулирования напряжения и с регулированием, конструкция которых предусматривает наличие магнитной системы (магнитопровода), содержащего не менее одного фазного стержня с немагнитными зазорами;
для заявленного электрического реактора в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления;
электрический реактор при осуществлении способен обеспечить снижение массогабаритных показателей, уменьшение потерь в электротехнической стали и уровня вибраций в процессе его эксплуатации.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию "промышленная применимость".