ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при конструировании и изготовлении трехфазных или однофазных силовых трансформаторов и управляемых реакторов (компенсирующих, шунтирующих, токоограничивающих или дугогасящих).
Известно индукционное устройство, содержащее магнитопровод со стержнями и ярмами, обмотки и магнитные шунты, предназначенные для экранирования магнитных полей рассеяния и выполненные в виде прямоугольных пакетов электротехнической стали, установленных вертикально на стенках масляного бака устройства [SU 476612, МПК Н01f 27/34, 1973 г.].
Недостатком этой конструкции является низкая эффективность экранирования открытых торцевых участков обмоток, которые являются источниками магнитных полей рассеяния, вызывающих добавочные потери и нагрев стальных элементов конструкции и масляного бака, что снижает надежность работы устройства в целом.
Известно также индукционное устройство, содержащее магнитопровод со стержнями и ярмами, внутреннюю и внешнюю обмотки, коаксиально размещенные на стержнях магнитопровода и магнитные шунты, закрепленные на ярмах с перекрытием торцов обмоток [пат. RU 2221297, МПК Н01F 38/02, 29/02, 2004.]. Этот аналог выбран в качестве прототипа. В устройстве-прототипе магнитные шунты, перекрывающие торцы обмоток, состоят из четырех секторов, каждый из которых представляет собой шихтованный пакет стальных листов. Плоскости шихтовки пакетов секторов пересекаются между собой и с плоскостями шихтовки магнитопровода. Шунты закреплены с внутренней стороны ярем с образованием немагнитных (воздушных) зазоров между шунтами и ярмами.
Недостатком прототипа является наличие существенных вибраций конструкции и шума, обусловленных прохождением переменного магнитного потока по немагнитным зазорам между ярмом и шунтами. Следствием этого являются дополнительные потери, снижение срока службы и надежности устройства, а также ухудшение экологической обстановки в местах его эксплуатации. Еще одним недостатком прототипа является его низкая технологичность, обусловленная необходимостью выполнения магнитных шунтов из четырех (по числу секторов) шихтованных пакетов стали с различными плоскостями шихтовки.
Раскрытие существа полезной модели
Задача полезной модели - устранение указанных недостатков.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели - уменьшение вибраций, снижение шума, потерь, повышение надежности и срока службы устройства при обеспечении эффективного экранирования потоков рассеяния. Кроме того, конструкция устройства по полезной модели более технологична.
Предметом полезной модели является электроиндукционное устройство, содержащее магнитопровод с двумя или тремя стержнями и двумя ярмами, внутреннюю и внешнюю обмотки, коаксиально размещенные на каждом стержне магнитопровода, и два магнитных шунта, закрепленные на ярмах с перекрытием торцов обмоток, при этом магнитные шунты и ярма расположены на одинаковом расстоянии от торцов обмоток, плоскости шихтовки магнитных шунтов совпадают с плоскостями шихтовки магнитопровода или параллельны им, а каждый магнитный шунт включает установленные с обеих сторон ярма два продольных элемента, площадь, поперечного сечения каждого из которых лежит в пределах
9)
ст
м
ср.к.р.
где S - площадь поперечного сечения стержня, b - толщина магнитопровода, D - средний диаметр канала рассеяния, равный полусумме внутреннего диаметра внешней обмотки и наружного диаметра внутренней обмотки.
Приведенная совокупность признаков позволяет получить указанный выше технический результат в однофазных устройствах (с двумя стержнями) и в трехфазных устройствах (с тремя стержнями).
Полезная модель имеет развитие, направленное на дальнейшее повышение эффективности экранирования, которое состоит в том, что каждый магнитный шунт дополнительно содержит примыкающие к торцам ярма два поперечных элемента, площадь поперечного сечения каждого из которых лежит в пределах
При выходе за пределы, указанные в вышеприведенных выражениях, уменьшение площади поперечного сечения элементов шунта снижает его эффективность, а увеличение - ведет к неоправданному расходу стали.
Еще одно развитие полезной модели состоит в том, что поперечные сечения ярм имеют форму полукруга или полуэллипса, обращенного плоской стороной к стержням магнитопровода. Это позволяет дополнительно уменьшить потери, вызываемые магнитными полями рассеяния и повысить надежность работы устройства.
Развития полезной модели предусматривают два частных случая выполнения поперечных элементов шунтов, примыкающих к торцам ярма: с изоляцией от ярма немагнитным диэлектриком, например электрокартоном, или из шихтованых листов электротехнической стали магнитопровода (в последнем случае эти элементы шунтов формируются заодно со стержнями и ярмами).
Следующее развитие состоит в том, что части шунтов, перекрывающие торцы двух крайних обмоток, могут быть выполнены многогранными или закругленными по форме торцов обмоток. Это позволяет уменьшить расход стали и массу устройства без снижения эффективности экранирования полей рассеяния.
Еще одно развитие полезной модели, которое целесообразно использовать в случае его трехфазного исполнения, состоит в том, что магнитные шунты соединены между собой замыкающими элементами, установленными вдоль крайних обмоток. Это позволяет в частных случаях осуществления полезной модели дополнительно повысить эффективность экранирования.
Краткое описание фигур
На фиг.1, 2 и 3 изображено, в качестве примера, трехфазное электроиндукционное устройство: фронтальная, горизонтальная и профильная проекции соответственно. На фиг.4 показан торцевой элемент шунта, выполненный отдельно: а) вид сверху, б) вид сбоку. На фиг.5 - фрагмент фронтальной проекции, иллюстрирующий возможность выполнения торцевого элемента шунта заодно с магнитопроводом. Фиг.6 иллюстрирует выполнение частей шунтов, перекрывающих торцы обмоток, многогранными или закругленными. На фиг.7, 8 и 9 показаны соответственно фронтальная, горизонтальная и профильная проекции устройства, в котором шунты соединены замыкающими элементами. Поперечные сечения ярм, показанные на профильных проекциях (фиг.3 и 9), имеют с учетом развития полезной модели форму полукруга или полуэллипса, обращенного плоской стороной к стержням магнитопровода.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитии.
Устройство, показанное на фигурах, содержит магнитопровод из трех стержней 1 и двух ярм 2. На каждом стержне 1 коаксиально размещены внешняя обмотка 3 (как правило, первичная) и внутренняя обмотка 4 (как правило, вторичная). На каждом ярме 2 закреплен магнитный шунт, перекрывающий торцы обмоток, установленных на всех стержнях 1. Каждый магнитный шунт включает два продольных элемента 5, установленные вдоль ярма 2 с обеих его сторон. На фигурах показаны также поперечные элементы 6 шунтов. Плоскости шихтовки элементов 5 и 6 магнитных шунтов совпадают с плоскостями шихтовки магнитопровода, включающего стержни 1 и ярма 2 или параллельны им. Площади Ss и 8б поперечных сечений элементов 5 и 6 лежат в пределах, указанных в выражениях (1) и (2) соответственно.
Поперечные сечения ярм 2 имеют форму полукруга или полуэллипса, обращенного плоской стороной к стержням магнитопровода. (см. фиг.3 и 9).
Элементы 5, 6 магнитных шунтов и ярма 2 расположены на одинаковом расстоянии до торцов обмоток 3, 4. (см. фиг.1, 3, 7 и 9).
Частный случай выполнения поперечных элементов шунтов, примыкающих к торцам ярма, с изоляцией от ярма немагнитным диэлектриком 7, например электрокартоном, показан на фиг.1 и 7 (узел Б), а другой частный случай, предусматривающий выполнение этих элементов из тех же листов электротехнической стали, из которых формируется магнитопровод со стержнями и ярмами, иллюстрируют фиг.5 и 7 (узел С).
Части шунтов, перекрывающие торцы двух крайних обмоток, могут быть выполнены прямоугольными (см. фиг.2 и 8) либо многогранными или закругленными, повторяющими форму торца наружной обмотки 3 (см. фиг.6).
Магнитные шунты, перекрывающие противоположные торцы обмоток, могут быть соединены между собой замыкающими элементами 8, установленными вдоль крайних обмоток (см. фиг.7, 8 и 9).
Устройство работает следующим образом (на примере его использования в качестве управляемого реактора).
Три первичные внешние обмотки 3, размещенные на трех стержнях 1, соединяют между собой (например, в «звезду») и подключают к трехфазной электрической сети высокого напряжения. Три вторичные внутренние обмотки 4, размещенные на трех стержнях 1, соединяют между собой (например, в «треугольник») и подключают к трехфазному коммутатору, выполненному, например из встречно-параллельных тиристорных вентилей.
Для оценки воздействия магнитных потоков рассеяния работа электроиндукционного устройства может быть охарактеризована двумя режимами: холостого хода (х.х.) и короткого замыкания (к.з.), которые для. управляемых реакторов являются длительными рабочими режимами.
В режиме х.х. ток в обмотке 4 отсутствует, а по обмотке 3 протекает лишь ток холостого хода, определяемый потерями в стали магнитной системы реактора при выбранной величине индукции. В этом режиме магнитные потоки сосредоточены в стержнях 1, а потери от воздействия полей рассеяния относительно невелики.
ср.к.р.
к.р
В режиме к.з., характеризующемся более высокими дополнительными потерями, по обмоткам 3 и 4 протекают токи короткого замыкания. Создаваемые при этом магнитные потоки вытесняются из стержней 1 в воздушные промежутки между обмотками 3 и 4. Воздушный промежуток в каждой фазе представляет собой канал рассеяния, сечение которого имеет форму кольца со средним диаметром D и шириной b (см. фиг.2, 6 и 8).
Для того, чтобы магнитные шунты эффективно экранировали поток рассеяния, не допуская его попадания на нешихтованные элементы конструкции и стенки масляного бака устройства, магнитное сопротивление шунтов должно быть достаточно низким. Это обеспечивается выбором площадей 85 и 85 поперечных сечений элементов 5 и 6 по выражениям (1) и (2) соответственно. Выражения (1) и (2) могут быть получены из следующих соображений.
ср.к.р.
к.р
Общая площадь кольцевого сечения канала рассеяния каждой фазы равна π D b. Для крайней фазы это сечение можно условно разбить на три области. Первая область это часть кольцевого сечения, перекрываемая ярами 2, вторая область объединяет две части кольцевого сечения, перекрываемые элементами 5, а третья область это часть кольцевого сечения, перекрываемая элементами 6. Магнитный поток рассеяния также может быть представлен состоящим из трех соответствующих частей, пропорциональных площадям указанных областей кольцевого сечения. При этом первая часть потока замыкается через ярма, а вторая и третья - через элементы 5 и 6 магнитных шунтов соответственно.
м
к.р
м
ср.к.р.
м
к.р.
Площади первой и третьей областей одинаковы и приближенно равны b b, где b - ширина магнитопровода (и, следовательно, ярма), а площадь второй области равна оставшейся части общей площади кольцевого сечения (πD-b)b.
Исходя из изложенного и задаваясь одинаковыми или близкими значениями рабочих индукций в магнитопроводе и шунтах, а также полагая пропорциональность (или равенство) магнитного потока, проходящего (в режиме к.з.) в канале рассеяния, и магнитного потока, проходящего (в режиме х.х.) в стержне магнитопровода, можно получить следующие соотношения площадей сечений:
5
6
Выражения (1) и (2) могут быть получены из выражений (3) и (4) соответственно с учетом вышеизложенных допущений, а также ограничений на уменьшение площадей S и S (во избежание недопустимого снижения эффективности экранирования) и на их увеличение (во избежание неоправданного расхода электротехнической стали).
Таким образом, устройство по полезной модели обеспечивает как эффективное экранирование, препятствующее выходу потока рассеяния за пределы магнитопровода с шунтами, так и эффективное использование электротехнической стали.
Выполнение поперечных сечений ярм 2 в форме полукруга или полуэллипса, обращенного плоской стороной к стержням магнитопровода (см. фиг.3 и 9), позволяет стабилизировать магнитный поток в канале рассеяния в режиме к.з., выровнять длину магнитных силовых линий. При этом снижаются добавочные потери от радиальной составляющей потока рассеяния.
В случае раздельного выполнения ярм магнитопровода и поперечных элементов шунтов в местах их сопряжения из-за неточностей стыковки возможны замыкания шихтованных листов электротехнической стали, способствующие возникновению вихревых токов. Изоляция от ярма поперечных элементов шунтов, примыкающих к торцам ярма, немагнитным диэлектриком 7, например электрокартоном, исключает такие замыкания.
Эти замыкания также исключаются при выполнении магнитопровода и поперечных элементов шунтов из одного пакета шихтованных листов электротехнической стали.
Соединение магнитных шунтов между собой замыкающими элементами 8, установленными вдоль крайних обмоток (см. фиг.7, 8 и 9), позволяет уменьшить дополнительные потери от потоков нулевой последовательности, возникающих в трехфазном устройстве из-за не полной идентичности магнитных потоков центрального и крайних стержней магнитопровода.