Токоограничивающий реактор

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в сетях систем электроснабжения в качестве токоограничивающего реактора коротких замыканий и перегрузок.
Известен токоограничивающий реактор, содержащий входные клеммы реактора, катушку, намотанную на тороидальный сердечник и выходные клеммы реактора [1]. Данный реактор нашел широкое применение в электрических цепях для ограничения токов короткого замыкания и поддержания напряжения на шинах при аварийном режиме, его отличает компактность конструкции и ее простота, а также большой диапазон изменения динамической индуктивности, однако ему свойственны и недостатки, среди которых наиболее заметным является масса и габариты реактора при увеличении числа фаз цепей, в которых возникают аварийные режимы.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение массы и габаритов реактора при возрастании числа цепей сети.
1
Поставленный технический результат достигается тем, что в токоограничивающем реакторе, содержащем последовательно соединенные: клеммы отходящих линий, выключатель, входные клеммы реактора, непосредственно реактор, представляющий катушку, намотанную на тороидальный сердечник, выходные клеммы реактора и цепь питания потребителя, тороидальный сердечник выполнен по типу трехфазной электрической машины с заторможенным ротором, содержащей внешний сердечник тороидальной формы, на внутренней поверхности которого выполнены пазы и соосный ему внутренний сердечник тороидальной формы, на внешней поверхности которого выполнены также пазы, а катушка реактора выполнена трехфазной по типу катушек с развязанными фазами и разделена на первую часть, размещенную в пазах внешнего сердечника и вторую часть, распределенную в пазах внутреннего сердечника, при этом числа пазов указанных сердечников и числа витков частей катушки равны, а параметры реактора: диаметр внутреннего сердечника D и его длина  определяются по модернизированной формуле
1
A
вт
вт
1
z2
c2
z2
с2
где ƒ - частота промышленной сети; P' - расчетная мощность; р - число пар полюсов; С - машинная постоянная Арнольда, причем внутренний сердечник снабжен втулкой, диаметр D которой выбирается по формуле D=D-2h-2h, где h - высота зубцов; h - высота спинки внутреннего сердечника.
На фиг. 1 приведена структурная схема реактора. На фиг. 2 показано поперечное сечение сердечника реактора. На фиг. 3 изображен фрагмент поперечного сечения сердечника с катушкой при стандартных формах пазов. На фиг. 4 представлен фрагмент реактора при прямоугольных пазах и кольцевом исполнении внутреннего сердечника.
Реактор содержит (фиг. 1) клеммы отходящих линий 1, выключатель 2, входные клеммы реактора 3, непосредственно реактор 4 и выходные клеммы реактора 5, причем непосредственно реактор 4 содержит внешний сердечник 4-1, внутренний сердечник 4-2, первую часть катушки 4-3, вторую часть катушки 4-4, при этом первая часть катушки 4-3 размещена в пазах (не обозначены) внешнего сердечника 4-1, вторая часть катушки 4-4 размещена в пазах (не обозначены) внутреннего сердечника 4-2, между которыми имеется воздушный зазор 6. Конструктивно пакеты сердечников реактора могут быть набраны из стандартных листов статора и ротора, виды которых показаны на фиг. 2, где использован лист 6 сердечника 4-1, у которого 7 - спинка, 8 - площадь полуовального паза и лист 9 сердечника 4-2, у которого 10 - площадь овального паза, а 11 - спинка. Данные листы серийно выпускаются отечественной промышленностью.
Фрагмент поперечного сечения сердечников реактора 4 при заполненных двухслойных катушках внешнего 4-1 и внутреннего 4-2 сердечников показан на фиг.3 с обычной формой пазов: круглые пазы на внешнем сердечнике и овальные пазы на внутреннем сердечнике. Витки первой части 4-3 катушки размещены в пазах внешнего сердечника 4-1, а витки второй части 4-4 катушки размещены в пазах внутреннего сердечника 4-2.
1
Фрагмент поперечного сечения сердечника реактора 4 с открытыми пазами на внешнем сердечнике изображен на фиг. 4, где внутренний сердечник выполнен в виде кольца. Представленные конструкции сердечников реактора 4 позволяют заключить, что форма пазов на внешнем и внутреннем сердечниках может быть любой, причем как внешний 4-1, так и внутренний 4-2 сердечники могут быть выполнены в форме кольца. Габаритные размеры сердечников реактора 4, а именно длина пакета  и диаметр D связаны зависимостью
1
где λ - геометрический коэффициент. Указанные размеры могут быть найдены по формуле [6]:
1
А
вт
где ƒ - частота промышленной сети; F - расчетная мощность; р - число пар полюсов; С - машинная постоянная Арнольда. Данная формула является модернизированной, потому что в ней в отличие от электрических машин частота вращения вала заменена частотой промышленной сети, ввиду того, что реактор является статическим устройством, при этом внутренний диаметр 4-2 снабжен втулкой 12, диаметр D определяется по формуле
z2
c2
где h - высота зубцов; h - высота спинки внутреннего сердечника.
Таким образом предлагаемый токоограничивающий реактор представляет собой трехфазный трансформатор тороидальной конструкции. Все параметры реактора могут быть определены на основании формул, приведенных в [1-3], а методы повышения эффективности сети с реакторами изложены в [4].
Токоограничивающий реактор используется следующим образом.
Пуск через реактор позволяет ограничивать провалы напряжения источника, тем самым обеспечивается большая, чем при прямом пуске, соизмеримость мощностей двигателя и источника 0,4…0,5.
п
п
р
пр
пр
Пусть имеется цепь, содержащая последовательно включенные источник, выключатель, реактор, шунтируемый дополнительным выключателем и двигатель. При включении выключателя при разомкнутом дополнительном выключателе, двигатель начинает разгоняться. После того, как частота вращения двигателя достигнет подсинхронной, дополнительный контактор шунтирует реактор и двигатель переходит на естественную характеристику. Так как реактор ограничивает пусковой ток двигателя, то провал напряжения при пуске уменьшается. Сравним параметры прямого пуска двигателя с реакторным пуском. Пусть при прямом пуске пусковой ток и момент двигателя равны соответственно I и М, а при наличии реактора с индуктивным сопротивлением х получим I и М, тогда
э
1
Из формулы (6) следует, что при наличии реактора по сравнению с прямым пуском пусковой момент уменьшается пропорционально квадрату уменьшения тока, где обозначены через  - индуктивные сопротивления статорной и роторной обмоток; r - эквивалентное сопротивление активно-индуктивной нагрузки; r - активное сопротивление обмотки статора. Изложенный механизм применения реактора при пуске асинхронного двигателя аналогичен и при реакторном пуске трехфазного двигателя, при этом потребитель электрической энергии подключен к выходным клеммам реактора 5.
Таким образом, применение трехфазного реактора позволит значительно уменьшить провал напряжения источника питания, чем и достигается требуемый результат при условии реализации первой теоремы геометрического подобия, в соответствии с которой можно записать [5]
2
1
2
1
ном2
ном1
где G, G - массы мощного (суммарного) и единичного реактора;, V, V - объемы суммарного и единичного реактора;, S, S - мощность трехфазных и однофазного реакторов; λ - безразмерный линейный критерий геометрического подобия т.е.
откуда следует, что использование трехфазного реактора приводит к уменьшению массы и габаритных размеров на 1 кВт мощности.
Источники, принятые во внимание:
[1] Панченко В.В. Расчет и конструирование электрических аппаратов. М., Энергоиздат, 1991, стр. 208, рис. 12.1, и.
[2] Родштейн Л. А. Электрические агрегаты. Л., Энергоиздат, 1989, стр. 172…175.
[3] Ристхейн Э. М. Электроснабжение промышленных установок. М, Энергоатомиздат, 1991, стр. 284…287.
[4] Бурман А.П., Розанов Ю.К., Шакарян Ю.Г. Управление потоками электроэнергии и повышение эффективности электроэнергетических систем. М., МЭИ, 2012, стр. 213…216.
[5] Брускин Д.Э., Захарович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины и микромашины. М., ВШ, 1971, стр. 400…403.
[6] Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. М, ВШ., 2001, 430 с.
[7] Гандин Б.Д., Гревнин Г.Р., Лазаревский Н.А. Пуск асинхронных электродвигателей. Л., Судостроение, 1980, 192 с.