Трехфазный реактор-трансформатор с регулируемым насыщением магнитопровода

Заявленное техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве насыщаемых реакторов-трансформаторов с плавным регулированием потребляемого реактивного тока и стабилизации напряжения нагрузки, в том числе в составе управляемых шунтирующих реакторов, источников реактивной мощности и статических компенсаторов реактивной мощности.
Известен аналог [1] - статический компенсатор реактивной мощности, в котором регулируемая индуктивность представляет собой трансформатор с регулируемым насыщением магнитопровода. Аналог не предназначен для работы как обычный трансформатор. Из-за отсутствия заземления как в регулировочной обмотке, соединенной в треугольник, так и в подключенном к ней регуляторе насыщения могут возникать перенапряжения, например, при подключении или отключении аналога от электрической сети.
Частично недостатки аналога устранены в прототипе [2], источнике реактивной мощности, где входящий в его состав трехобмоточный трехфазный управляемый подмагничиванием реактор также выполняет не только функцию управляемой индуктивности, но и трансформатора. Средняя точка регулировочной обмотки, т.е. обмотки управления, заземлена, что устраняет возможность появления перенапряжений при подключении прототипа к электрической сети.
Однако в прототипе, как и в аналоге, сохраняется возможность внутренних перенапряжений в регулировочной обмотке, например, при быстродействующем снижении потребляемого реактивного тока прототипа при отключении от вводов регулировочной обмотки регулятора насыщения, выполненного в виде управляемого источника постоянного напряжения. Кроме того, соединение фаз регулировочной обмотки в три параллельные ветви в прототипе исключает возможность пофазного управления насыщением магнитной системы, что не позволяет независимо от соседних фаз изменять и стабилизировать напряжение каждой фазы и обеспечивать симметрирование напряжений фаз, а также делает невозможной диагностику каждой из фаз в отдельности при заводских испытаниях и текущей эксплуатации. Кроме того, масса активных и конструктивных материалов, а также габариты устройства завышены, т.к. их величина не является оптимальной. Эти недостатки существенно снижают функциональные возможности реактора-трансформатора прототипа.
Технической задачей заявленной полезной модели является расширение функциональных возможностей реактора-трансформатора.
мax
мax
мах
мах
н
в
н
в
po
н
в
н
в
po
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, достигается тем, что в трехфазный реактор-трансформатор с регулируемым насыщением магнитопровода, содержащий магнитопровод с шестью стержнями, по два стержня на фазу, наружную сетевую и компенсационную внутреннюю обмотки, регулировочную обмотку, расположенную на каждом стержне, разделенную на две части и подключенную к регулятору насыщения, введены шесть резистивных сопротивлений и выключатель. В регулировочной обмотке применена схема соединения в виде двойной звезды с общей средней точкой. Шесть резистивных сопротивлений соединены в схему двойной звезды с общей средней точкой и подключены параллельно регулировочной обмотке, а через выключатель - к упомянутому регулятору насыщения. Максимально допустимая величина резистивного сопротивления R соответствует условию R≤U/I, где U - максимально допустимое перенапряжение регулировочной обмотки, I - максимальный ток регулировочной обмотки. При этом соотношения размеров поперечных сечений обмоток находятся в пределах 1/8<(S-S)/(S+S)<2/5 и 1/8<S/(S+S)<2/5, где S - сечение наружной сетевой обмотки, S - сечение внутренней компенсационной обмотки, S - сечение регулировочной обмотки.
Предлагаемый трехфазный реактор-трансформатор поясняется чертежами. На фиг. 1 показана электрическая схема устройства. На фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 показаны поперечные разрезы наружной трансформаторной обмотки, внутренней трансформаторной обмотки и регулировочной обмотки.
A
B
C
a
b
c
n
n
n
н
в
po
В электрической схеме устройства (фиг. 1) содержатся наружная трансформаторная обмотка 1, выполняющая роль сетевой обмотки, и внутренняя трансформаторная обмотка 2, выполняющая роль компенсационной обмотки, а также регулировочная обмотка 3, выполняющая роль обмотки управления, которые размещены на шестистержневом магнитопроводе 4 в соответствии фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4. Регулировочная обмотка 3 соединена в двойную звезду с общей заземленной средней точкой. Наружная трансформаторная обмотка 1 подключена к трехфазной электрической сети U, U, U. К выводам u u, u внутренней трансформаторной обмотки 2 подключена нагрузка 6 активного R, индуктивного L, емкостного C или смешанного активно-реактивного характера. К регулировочной обмотке 3 с шестью резистивными сопротивлениям R5, соединенными в двойную звезду, через выключатель К подключен регулятор насыщения РН 7 - пофазно регулируемый источник постоянного напряжения. На фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 заштриховкой показаны в разрезе поперечные сечения всех трех обмоток. Сечение наружной трансформаторной обмотки 1 составляет S (фиг. 2). Сечение внутренней трансформаторной обмотки 2 - S (фиг. 3). Суммарное сечение каждых двух соседних регулировочных обмоток 3 каждой фазы обмотки составляет S (фиг. 4).
A
B
C
a
b
c
A
B
C
Устройство, выполненное в соответствии с формулой предлагаемого технического решения, работает следующим образом. При подключении устройства к сети U, U, U через трансформаторные обмотки 1 и 2 электроэнергия напряжением u, u, u, передается в нагрузку б как в обычном трансформаторе. При подключении регулировочной обмотки 3 через ключ К к регулятору насыщения РН 7 стержни магнитопровода 4 начинают насыщаться, и в устройстве начинает возрастать потребление реактивной мощности из электрической сети U, U, U. В результате устройство работает не только как трансформатор, но и как управляемый подмагничиванием реактор. Соединение фаз регулировочной обмотки 3 в три независимые ветви позволяет регулировать выдаваемую реактором-трансфоратором в каждой фазе независимо от соседних фаз, т.е. в отличие от прототипа осуществляется пофазное управление насыщением магнитной системы. Это позволяет независимо от соседних фаз изменять и стабилизировать напряжение каждой фазы, обеспечивать симметрирование напряжений фаз сети. Это особенно важно для сетей с резко неравномерной нагрузкой, например, для тяговых подстанций электроснабжения железнодорожного транспорта. В таких сетях (например, при работе электровозов) из-за резкого изменения нагрузки возникает необходимость быстрого снижения потребляемой реактивной мощности устройства. В связи с этим в целях расширения функциональных возможностей в устройство введен выключатель К, который отключает регулировочную обмотку 3 от регулятора насыщения РН 7, в течение короткого времени снижая реактивную мощность реактора-трансформатора до нуля. Однако в результате разрыва цепи постоянного тока в индуктивности на выводах регулировочной обмотки 3 возникают перенапряжения, величина которых ограничивается резистивными сопротивлениями 5. Максимально допустимое перенапряжение, возникающее в регулировочной обмотке 3 при отключении регулятора насыщения РН 7 ключом К, определяет верхний предел максимально допустимой величины резистивного сопротивления R:
мax
мax
где U - максимально допустимое перенапряжение регулировочной обмотки 3; I - максимальный ток регулировочной обмотки 3. Нижний предел допустимой величины резистивного сопротивления R зависит от допустимых потерь мощности в сопротивлениях R и их нагреву при номинальном режиме насыщения. Это нормируется для каждого реактора в зависимости от его мощности и требований в технических условиях. Введенное пофазное регулирование позволяет осуществить диагностику каждой из фаз в отдельности при заводских испытаниях и текущей эксплуатации, что позволяет расширить функциональную возможностей устройства в целом.
Отличительной особенностью устройства является то, что при соблюдении соотношения размеров площадей сечения обмоток
н
в
po
где S - сечение наружной сетевой обмотки, S - сечение внутренней компенсационной обмотки, S - сечение регулировочной обмотки, обеспечивается оптимальное снижение массы и габаритов устройства в целом. Нижний предел выражения (2) характерен для емкостного характера нагрузки, а верхний предел - для емкостного. Для смешанной активно-реактивной нагрузки целесообразно выбирать промежуточные значения диапазона выражения (2). Чем меньше номинальная мощность передаваемой нагрузки по отношению к номинальной мощности устройства, тем ближе к нижнему пределу выбирается значение выражения (3) и, наоборот, чем выше относительная мощность передаваемой нагрузки, тем ближе к верхнему пределу принимается значение выражения (3).
Работоспособность предлагаемого устройства экспериментально проверена на его физических моделях, а также путем математического моделирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Статический компенсатор реактивной мощности. Патент РФ №2510556. H02J 3/18. Дата подачи заявки: 05.09.2012. Опубликовано: 27.03.2014.
2. Источник реактивной мощности. Патент РФ №2410785. H01F 29/14. Дата подачи заявки: 18.01.2010. Опубликовано: 27.01.2011.