ТРЕХФАЗНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ РЕАКТОР

Область техники
Полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использована, например, в качестве шунтирующего реактора в статических компенсаторах реактивной мощности линий электропередачи.
Уровень техники
Регулирование напряжения на линии электропередачи осуществляют за счет компенсации ее реактивной мощности, для чего шунтируют линию управляемыми реакторами, функционирующими в качестве регуляторов реактивного тока.
Известен управляемый реактор, магнитопровод которого выполнен в виде двух стержней, на каждом из которых размещены первичная и вторичная обмотки, причем первичные обмотки соединены параллельно, а вторичные последовательно [US 84837497]. Для регулирования индуктивного сопротивления на первичной стороне включен двунаправленный ключ на тиристорах с фазовым управлением. Реактор обеспечивает плавное регулирование тока через первичную обмотку при низком уровне гармоник с порядковыми номерами 5, 7, 11, 13. Однако параметры ключа должны соответствовать напряжению первичной обмотки, что при напряжении более 100 кВ приводит к необходимости использовать большое число последовательно соединенных мощных тиристоров, существенно недогруженных по току.
Известен выбранный в качестве прототипа управляемый реактор, содержащий в каждой фазе магнитопровод, стержнь которого разделены на продольные части, одна из которых выполнена с зазором. На стержне магнитопровода размещены сетевая обмотка и управляющая обмотка, к которой подключен ключи управления. Управляющая обмотка охватывает часть стержня без зазора, а сетевая обмотка охватывает весь стержнь. К обмотке управления подключен тиристорный ключ [RU 2297062].
Для компенсации гармоник, генерируемых при фазовом управлении тиристорным ключем, в прототипе применен многозвенный фильтр с использованием компенсационной обмотки, объединенной с дополнительной последовательной обмоткой, что существенно увеличивает установленную мощность реактора и его инерционность.
Сущность полезной модели
Техническим результатом полезной модели является снижение уровня генерируемых гармоник без увеличения установленной мощности и инерционности реактора.
Предметом полезной модели является трехфазный управляемый реактор, содержащий в каждой фазе магнитопровод с двумя стержнями, разделенными на продольные части, одна из которых имеет зазор, двухсекционные сетевые и управляющие обмотки, размещенные на стержнях, трехфазные ключи управления, подключенные к управляющим обмоткам, при этом секции сетевой обмотки охватывают стержень и соединены параллельно, секции управляющей обмотки охватывают часть стержня, не имеющую зазора, три секции управляющих обмоток, размещенные на магнитопроводах разных фаз, соединены в звезду, а три другие - в эквивалентный треугольник.
Развития полезной модели предусматривают использование различных схем соединения трехфазных ключей управления: оба ключа могут быть собраны по схеме звезда или треугольник, один ключ может быть собран по схеме звезда, а другой - по схеме треугольника.
Это позволяет выбрать для реализации ключей тиристоры с параметрами, подходящими в частных случаях.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитий
Фиг.1 иллюстрирует конструкцию фазных магнитопроводов реактора, а фиг.2 - электрическую схему трехфазного реактора.
На фиг.1 представлен двухстержневой магнитопровод 1. Стержни 2 и 3 разделены на две продольные части 4 и 5. Часть 4 выполнена с зазором, а часть 5 - без него. На стержнях 2 и 3 размещены двухсекционные сетевые и управляющие обмотки: Сетевая обмотка состоят из двух секций 6, а управляющая из секций 7 и 8. Секции 7 и 8 охватывают части 5 стержней 2 и 3 соответственно, не имеющие зазора. Каждая секция 6 охватывает один из стержней 2 или 3 целиком (т.е. обе его части 4 и 5).
На фиг.2 показано, что секции 6 каждой фазы соединены параллельно, секции 7 разных фаз - в звезду, секции 8 разных фаз - в эквивалентный треугольник. Все секции 6 имеют равное число витков. Отношение числа витков секции 7 к числу витков секции 8 определяется эквивалентным преобразованием звезды в треугольник и равно . К соединенным в звезду секциям 7 подключен трехфазный управляющий ключ 9 на тиристорах, а к соединенным в треугольник секциям 8 - трехфазный управляющий ключ 10. Управляющие ключи 9 и 10 могут быть выполнены на тиристорах и собраны по схеме звезда или треугольник.
Сетевые обмотки из параллельно соединенных секций 6 предназначены для подключения к трехфазной сети и могут быть собраны, например, по схеме звезда.
Реактор работает следующим образом.
Ток в каждой из параллельных секций 6 определяется величиной тока и числом витков размещенной на том же стержне (2 или 3) секции (7 или 8) управляющей обмотки. В свою очередь, токи в секциях 7 и 8 регулируются фазой угла включения ключей 9 и 10 соответственно.
Если ключи 9 и 10 закрыты, ток в секциях 7 и 8 отсутствует и магнитный поток, формируемый напряжением на секциях сетевых 6 обмоток, проходит главным образом по частям 5 стержня, не имеющим зазора.
В случае, если управляющий ключ 9 или 10 открыт и проводит ток, магнитный поток из части 5 соответствующего стержня переходит в часть 4 с немагнитным зазором. Это происходит за счет того, что намагничивающая сила, создаваемая током секции (7 или 8) управляющей обмотки в части 5 стержня, уравновешивается намагничивающей силой, создаваемой током соответствующей секции 6 сетевой обмотки, а в части 4 стержня намагничивающая сила секции 6 сетевой обмотки уравновешивается только магнитным сопротивлением, которое определяется величиной немагнитного зазора. Поэтому соотношение токов в секции 7 или 8 управляющей обмотки и в соответствующей секции 6 сетевой обмотки определяется отношением их числа витков, а величина тока - размером немагнитного зазора в части 5 стержня.
Если ключи 9 и 10 находятся в открытом состоянии в течение всего периода переменного тока, магнитный поток из части 5 (без зазора) стержней 2 или 3 практически полностью вытесняется в часть 4 (с зазором), и вся намагничивающая сила прикладывается к немагнитному зазору.
В этом режиме падение напряжения на управляющих ключах близко к нулю в течение всего периода, поэтому магнитный поток в стержнях магнитопровода определяется напряжением сети и имеет форму основной гармоники. Соответственно такую форму имеют намагничивающие силы, создаваемые токами сетевой и управляющей обмоток, и поэтому токи в сетевых обмотках реактора имеют только основную гармонику и в них отсутствуют составляющие высших гармоник.
Если управляющие ключи включаются в фазе периода переменного тока, отличной от нуля, и проводят ток не полную часть периода, магнитный поток стержня из части 5 вытесняется в часть 4 с немагнитным зазором только на интервале открытого состояния соответствующего управляющего ключа, а на интервале его закрытого состояния магнитный поток стержня остается только в части 5. Соответственно, длительность тока в управляющей обмотке, его форма и величина основной гармоники определяется соотношением длительности проводящего и непроводящего состояний управляющего ключа, и чем меньше длительность проводящего состояния, тем меньше величина основной гармоники.
Если управляющий ключ проводит ток не полную часть периода, форма тока в нем отлична от синусоидальной формы, и соответственно в токах управляющих и сетевых обмоток присутствуют высшие гармоники. Величина их зависит от фазы включения управляющего ключа и может существенно превышать допустимый уровень в 3%. Наибольшую величину имеют пятая и седьмая гармоники, уровень которых к номинальному значению основной гармоники может достигать 7%.
В каждой из параллельных секций 6 токи имеют пятую и седьмую гармоники, причем амплитуды этих гармоник в параллельно соединенных секциях 6 одинаковые, а направления противоположны. При векторном сложении они компенсируют друг друга и не попадают в общий ток сетевой обмотки реактора.
Такой эффект достигается за счет того, что токи в разных параллельных секциях 6 сетевых обмоток определяются состоянием ключей 9 и 10, подключенных к секциям 7 и 8 управляющих обмоток, соединенным по разным схемам: в звезду и в эквивалентный треугольник.
При одинаковых формах токов в обмотках 7 и 8, задаваемых фазой включения управляющих ключей 9 и 10, в сетевых токах реактора пятая и седьмая гармоники отсутствуют полностью при симметрии геометрических параметров и напряжений сети. Суммарный показатель гармонических искажений THD (Total Harmonic Distortion) не превышает 2%. Основной вклад в него вносят одиннадцатая и тринадцатая гармоники. Остальные гармоники (семнадцатая и выше) влияют на этот показатель незначительно.
Суммарная установленная мощность управляющих ключей равна номинальной мощности трехфазного реактора. При одинаковых схемах трехфазного соединения требуемые параметры управляющих ключей одинаковы. Устройство малоинерционно: время изменения тока реактора от тока холостого хода (ключи 9 и 10 выключены весь период) до тока короткого замыкания (ключи 9 и 10 включены весь период) не превышает 10 мс.