ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ ВИТКОМ

Полезная модель относится к статическим электромагнитным устройствам, работа которых основана на использовании явления электромагнитной индукции, а основными элементами являются обмотки и магнитопроводы. Если устройство предназначено для использования в электрических цепях в качестве индуктивных сопротивлений, то его называют дросселем, а для силовой цепи - реактором.
Заявленная полезная модель является электрическим реактором с одно- или многостержневым магнитопроводом и может быть использована в стабилизаторах, в бытовых приборах с электродвигателями (например, стиральных машинах), в инверторах судового оборудования и в других устройствах, где имеются повышенные требования к вибрации и шумам.
Уровень техники
Известные статические электромагнитные устройства могут быть конструктивно выполнены самым различным образом. Например, в классификации реакторов по назначению упоминается около 40 видов [ГОСТ 18624-73 реакторы электрические.]
С точки зрения определяющих электромагнитных параметров, линейности вебер - амперной характеристики и показателей степени соотношений между параметрами основные виды конструкции реакторов можно объединить в четыре группы: реакторы без стали; с разомкнутыми магнитными системами; с магнитными системами с
зазорами и с замкнутыми магнитными системами. [Л.В.Лейтес. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. Москва «Энергия» 1981 г.]
В качестве аналога рассмотрим конструкцию реактора со стержневым ленточным магнитопроводом С-образной формы из стали электротехнической, с зазором [И.И.Белопольский, Е.И.Каретникова, Л.Г.Пикалова. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. Москва «Энергия», 1973 г., стр.71]
Сила притяжения в зазоре определяется по формуле
где
В - индукция в магнитопроводе или зазоре [Тл]
0
-6
μ - магнитная постоянная, равная 0,4π·10 [Гн/м]
2
S - сечение магнитопровода [м]
-4
2
2
-6
-4
Например, если В=1 Tл, S=20·10 м, то F=(1/2·0,4·3,14·10)·20·10=800 Н
Таким образом, сила притяжения магнитопроводов пульсирует в диапазоне от 0 до 800Н с удвоенной частотой переменного тока, протекающего по обмотке реактора (удвоенная частота обусловлена воздействием силы притяжения в каждый полупериод протекающего тока).
Если реактор имеет массу 10 кг, то вибрационное ускорение составит:
Это вызывает вибрацию и шум реактора, а также постепенно разрушает реактор механически.
Известно несколько решений снижения вибраций в электромагнитных устройствах. Одно из них - применение короткозамкнутых витков на части магнитопровода [Гордон А.В., Сливинская А.Г. Электромагниты переменного тока. Москва, «Энергия», 1967 г.]
В случае использования короткозамкнутого витка, охватывающего половину сечения сердечника магнитопровода, весь магнитный поток, создаваемый магнитодвижущей силой катушки, разбивается у зазора на два потока. Первый поток проходит через площадь q1, не окруженную контурами проводников. Второй поток проходит через площадь q2, окруженную контурами из проводников с малым омическим сопротивлением.
Эти потоки вследствие разности магнитных сопротивлений, имеющихся в пути их прохождения, сдвинуты по фазе. Причем магнитная сила притяжения векторно суммируется из двух, созданных первым и вторым потоками (см. фиг.1). Условия, при которых получают минимальные колебания следующие:
1) угол сдвига фаз должен стремиться к 90°;
2) омическое сопротивление контура должно быть определенным, так как от него зависит угол сдвига фаз;
3) отношение сечения q2 к q1 должно находиться в пределах 1-2 (обычно q1=q2);
Таким образом, при использовании короткозамкнутого витка уменьшается амплитуда колебаний мгновенной силы притяжения магнитопроводов в зазоре, а значит, уменьшается и вибрационное ускорение.
Известно исполнение электромагнитных устройств с короткозамкнутым контуром или витком из проволоки или узкой пластинки из меди или латуни в магнитопроводах переменного тока, например, в реле [Ф.А.Ступель. Реле защиты и
автоматики, Госэнергоиздат, 1948, стр.58]. Аналога же электрического реактора с короткозамкнутыми витками нами не обнаружено.
В качестве прототипа рассмотрим реактор, используемый в инверторе И-ПТКТ-60-230-21 для управления асинхронным двигателем мощностью 12,5 кВт, изготовленный в ЗАО «Новатор» по чертежам ПИГН 672163.002, разработанным в НИИ электромеханики г. Истра Московской области. Он состоит из стержневого ленточного магнитопровода из стали, имеет конструкцию, состоящую из двух подковообразных сердечников, собранных встык с зазором (конструкция - ПИГН 757254.003, лента - 0,08-ТО-ЭТ-3423 ГОСТ 214.27.4-78). Обмотка - медный провод на катушечном каркасе (ПИГН 686442.09.СБ). Масса реактора 6, 2 кг, рабочий ток 0-7,5 А. Рабочая частота тока реактора - 50 Гц.
Проведенные испытания на вибрацию показали, что этот реактор вибрирует на частоте 100 Гц (удвоенной частоте тока), и величина шума составляет 85,5 дБ. Таким образом, этот электрический реактор имеет недостаток - вибрацию пластин магнитопровода. Для некоторых видов эксплуатации, например, в судовом оборудовании, где высокие требования к уровню шумов, такой реактор использовать не следует.
Целью создания заявленной полезной модели является снижение вибрации электрического реактора путем конструктивного решения создания короткозамкнутого витка вокруг половины сечения магнитопровода путем механической доработки сердечника в части, расположенной около зазора.
Сущность ПМ
Предлагаемый электрический реактор с короткозамкнутым витком состоит из стержневого ленточного или пластинчатого магнитопровода, собранного с зазором из одной или нескольких пар сердечников, причем на каждый стержень магнитопровода
надета катушка в виде обмотки, намотанной на каркас, имеющий в середине отверстие, форма которого повторяет профиль сечения сердечника.
Хотя бы на одном из стержней сердечников снаружи имеются поперечные пропилы (как минимум - два), заполненные расплавленным металлом, который при застывании образует по каждому пропилу проводник, соединяющий между собой ленты или пластины магнитопровода.
Причем первый такой проводник располагается в сечении магнитопровода вдоль поперечной оси симметрии сердечника на торцовой поверхности стержня, разделяя его на две части, а второй- на лицевой стороне стержня сердечника ниже уровня сечения магнитопровода.
Сущность заключается в том, что два проводника, располагающиеся в поперечных пропилах шихтованного магнитопровода, в совокупности с токопроводимыми частями лент или пластин магнитопровода, заключенными в пространстве между ними, образуют на каждом сердечнике короткозамкнутый виток вокруг половины сечения.
Введение короткозамкнутого витка на стержневом магнитопроводе обеспечивает разделение магнитного потока на две части, сдвинутые в пространстве на расстояние, равное половине толщины сердечника, а во времени - на какой-то фазовый угол (в идеале - 90°). Это обеспечивает снижение виброускорения в n раз:
1
2
2
n=(ΔB/ΔВ), где
ΔВ1 - пульсация индукции до введения короткозамкнутого витка
ΔВ2 - пульсация индукции после введения короткозамкнутого витка.
1
(Например, если ΔB составляет 07 Тл, что является действующим значением от номинального в 1 Тл, а фазовый угол составляет 90°, то виброускорение может снизиться в 25,5 раз).
Перечень фигур чертежей
Фиг.1. Эпюры магнитной индукции и силы притяжения сердечников.
На эпюре наглядно показано пульсация магнитной индукции и соответственно, силы притяжения сердечников без применения короткозамкнутых витков (B1, F1) и с применением короткозамкнутых витков (В2, F2), где В - индукция в зазоре, a F - сила притяжения.
Фиг.2. Эскиз С-образного сердечника шихтованного магнитопровода с нанесенными пропилами для заполнения расплавом металла (или припоем). Здесь q1 - площадь сечения магнитопровода, не окруженная короткозамкнутым витком, a q2 - площадь сечения магнитопровода, окруженная короткозамкнутым витком.
Фиг.3. Конструкция двухстержневого электрического реактора с короткозамкнутыми витками (в разборе).
Осуществление полезной модели
Электрический реактор с короткозамкнутыми витками может быть изготовлен, например, на базе стержневого ленточного магнитопровода, состоящего из двух отдельных сердечников С-образной формы. Каркасы катушек должны быть выполнены в соответствии с размером сердечника. Число витков обмотки рассчитано по обычным известным методикам расчета с учетом выбранного магнитопровода и материала обмотки.
Для создания короткозамкнутых витков берут два выбранных С-образных сердечника.
На первом сердечнике 1 (фиг.2) ножовочным полотном или вулканитовым режущим диском делают пропилы глубиной 1-2 мм и шириной 3-5 мм в четырех
местах. По поперечной оси 2 сердечника 1 в сечении магнитопровода на поверхностях 3 обоих стержней делают первые пропилы 4. На лицевой стороне сердечника на каждом стержне также делают вторые поперечные пропилы 5 ниже уровня поверхности сечения магнитопровода на определенном расстоянии, например, 10 мм. Это расстояние предварительно подбирается экспериментально для каждого типа контура с помощью осциллографического контроля сдвига фаз двух потоков после заполнения пропилов свинцово-оловянным припоем, так как на угол сдвига фаз оказывает влияние активное сопротивление короткозамкнутого контура. Длина короткозамкнутого контура определяется, в основном, расположением вторых пропилов и толщиной магнитопровода, а активное сопротивление зависит от глубины, ширины пропилов, заполненных припоем, и проводимости материала магнитопровода и материала припоя. Например, проводимость железа равна 10,2 МСм/м, а олова - 8,33 МСм/м.
Конструкция в разборе такого электрического реактора представлена на фиг.3.
Пропиленные канавки заполняются обычной напайкой оловянно-свинцовым припоем. В результате образуются два первых проводника 6 и два вторых проводника 7. Лишний припой, выступающий за поверхность сердечника, снимают шлифованием.
На каждый из стержней первого сердечника надевают две подготовленные одинаковые катушки 8 с каркасом 9 и обмотками 10. Затем в прорези каркасов катушки вводят второй сердечник 11 до смыкания с первым сердечником 1 через прокладку, толщина которой определяет зазор в сечении магнитопровода. Скрепить сердечники можно с помощью клея или стягивающих шпилек, а зафиксировать катушку - с помощью клиньев.
После этого обмотка пропитывается компаундом окунанием всего собранного реактора в раствор компаунда, после застывания которого прочность изоляции
значительно увеличивается, а катушка прочно фиксируется на стержне магнитопровода.
Работа такого электрического реактора осуществляется следующим образом.
Электрический ток, проходя по обмотке катушки, создает в магнитопроводе магнитодвижующую силу, поток которой в месте зазора делится пополам. Одна часть потока проходит через сечение q1 (см. фиг.3), а вторая через сечение q2. Но это сечение q2 окружено короткозамкнутым витком, образованными полосками припоя и железными пластинками шихтованного магнитопровода. Длина витка определяется расположением второго проводника относительно поверхности сечения магнитопровода. Эта длина определяет угол сдвига фаз первого и второго потока относительно друг друга. Экспериментальным путем можно добиться максимального приближения этого угла к 90°, а значит максимально возможного снижения виброускорения.
Для проверки технического результата были проведены исследования двух электрических реакторов с с параметрами:
Индуктивность - 2,2 мГн
Номинальный ток - 7,5 А
Число витков - 153
Сечение магнитопровода- 12×10 м
Масса - 6,2 кг
Частота тока - 50 Гц
Первая катушка была изготовлена без напайки короткозамкнутых витков. Вторая катушка - полностью выполненная по вышеописанной технологии с напайкой короткозамкнутых витков.
Для испытаний применялись следующие приборы:
Анализатор спектра типа 2131 Na 111095;
Самописец в 1.12-октавной полосы типа 2313, № зав. 103531;
3
Трехкомпонентный датчик виброускорения типа 4321 N 1118215
Результаты исследований приведены в таблице:
Номер катушки
Частота виброускорения, Гц
Величина виброускорения(L), дБ
Пропускаемый ток, А
Примечание
первая
100
85,5
3,2
Без КЗ витков
вторая
100
12
1
С КЗ витками
вторая
100
62
3,2
С КЗ витками
Как видно из таблицы, наличие короткозамкнутых витков практически не влияет на потребленный ток. Величина виброускорения второй катушки (с короткозамкнутыми витками) уменьшилась на (85,5-62) 23,5 дБ.
Также были проведены испытания с большим током на другой катушке с параметрами:
Индуктивность - 0,388 мГн
Номинальный ток - 60 А
-4
2
Сечение магнитопровода - 16×10 м
Число витков - 37
Частота тока - 50 Гц
2
Эти испытания показали снижение виброускорения на 17 дБ Если учесть, что зависимость между виброускорением, в децибелах и виброускорением в м/с представляет собой следующее:
, где
L - виброускорение в децибелах;
2
А - абсолютное значение виброускорения (м/с);
0
-4
2
А - нормативная величина, равная 3·10 м/с, то в первом случае введение короткозамкнутых витков привело к снижению виброускорения в 15 раз, а во втором случае, при больших токах - в 7 раз.
Таким образом, конструктивное решение создания короткозамкнутых витков на электрическом реакторе с помощью пропилов на магнитопроводе с последующей заливкой их припоем позволяет обеспечить снижение вибрации реактора в несколько раз, а значит снизить шум и вероятность разрушения, вызываемые этой вибрацией.
Кроме того, это конструктивное решение позволяет не прибегать к другим методам уменьшения вибрации, например, к увеличению массы, что требует дополнительного расхода дорогостоящих материалов, а значит оно более экономично.
К тому же компактность конструкции созданного таким образом короткозамкнутого витка является дополнительным преимуществом, так как не требуется дополнительного изменения формы катушки, изготовленной для обычного реактора.