автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Магнитно-вентильные управляемые реакторы с предельным насыщением магнитной цепи (основы теории, принципы реализации, исследования, примеры исполнения)

Ц / I ! . > М

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЕРЯНЦЕВ Александр Михайлович

^ЙТНО-ВЕКШЛЬШЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ РЕАКТОШ С ЕРЭДДПЫШ НАСЫЩЕНИЕМ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ (основы теории, принципы реал5зации, исследовг'лш, примеры исполнения)

Спец^алы .ть 05.09.01 - ¡электрические машины

/ВГОРЕФЕРЛТ

диссертации на соискание ученой степени доктора техническая наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Алма-Атинском энергетическом институте,

Офацаальнио оппоненты: члеп-коррэспондент РАН, доктор технических наук, профессор Александров Г.Н.

доктор технических наук, профессор Кваноз-СмоленскиЁ A.B.

заслуженный деятель науки и ■ техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Сипайлов Г.А.

Ведущее предприятие: Всероссийски электротехнический институт (ВЭй)

Защита диссертации состоится " ,1'!" <сл>ч\<р ^'-3.199 в ауд. И" fчас. (у-'Мдш. на Уаседандд специа-

лизированного Совета Д 053.16.05 при Московском орде га Ленина и ордйяа Октябрьской Революции энергетическом институте.

Отзывы в двух экземплярах, заваренные печатью, просим направлять по адресу: 105835 ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д. 14, Ученей Совет МЗЙ.

С диссертацией моано ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "_"_199_г.

Ученый секретарь

специализированного Совета Д 053.16.05 к.т.н. дезвйт /Я

Е.М.Соколова

' 'uTK'J i

и 3

ОНПЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБ0Ш

-тдел

игьноьть проблем!. В электрических сетях практически >бого класса необходимо применение автоматически регулируемых >едств компенсации реактивной мощности. Однии из наиболее оф-зктивных и широко исполъзуешх устройств для управления реак-:впой га^исстыо являются различного тана статические кошен-аторы, принцип действия которых основан на изменении тока ан-уктпвного сопротивления последовательно вкличеншм тлристорным лотом. В процессе ьэогочисленных исследований, соверденствова-зя технических решений и конструкций возможности дальнейшего су-.естванпого улучшения параметров устройств данного класса рацтаческя исчерпаны. Таким образом, проблема создания глотни штог/дтичеекп управлявших индуктивностей. поперечного включения, ¡аботающах на иных принципах, в полной мере сохраняет свою ак-.■уальность.

Перспективным направлением в области создания автоматически регулируемых устройств поперечной жошенсации являются управляемые реакторн, работаазде на принципе ¡магнитного усиления, йроблещ создания ?.:ощзого управляемого подаагничпванием индуктивного сопротивления для электроэнергетики имеет давнпз историю. Серьёзные исследования, приведшие к созданию первых опытных образцов управляемых реакторов, проводились с начала тридцатое по 70-е годы (Э.Оридлендер, .К.Крашэр, Х.Беккер). В СССР разработка управляемых реакторов начата Либкиндом М.С. в начале 50-х годов (Э1Ш, г. Москва). Б дальивйаем сформировались научные коллективы в гг. Ленинграде (ЛПУ, ШИПТ), Таллине (ТГХУ), Кишинёве СКПИ), Аша-А1е (АЭИ) и других, организациях. Исследованиям как са:.шх управляемых реакторов, Tait и вопросами их применения занимаются отечественные учёные Александров Г.Н., Бавдав А.И., Баки U.A., Дорокко Л. И., Евдокунин Т.Д., Заславская Т.Б., Забудский Е.И., Кльиничтш В.В., Кулишп В.А., Кучу-моз Л.А., Лейтзс Л;В., Лурьо Л.И., Мишин В.И., Орлов B.C., По-келне В.Г., СЛавш Г.Л., Сорокин В.М., Соколов С.2., Ташпш-нен Ю.Ю.', Черновец Л.К., Лрпик Я.Я. и ьнсп;*- другое. Последние исследования применения управляемое реакторов в кемпактшве электрических сетях. линиях УЗН, СЗН выявил! нрчюдошалькуп целесообразность и предпочтительность нх использования но срав.ю-

1шю с альтернативными устройствами.

Из суцествующего разнообразия технических решений и вариантов исполнения перспективными являются управляемые реакто магнитно-вентильного типа. В основу их положена идея реалазац сильного, близкого к предельному, насыщения рабочих участков магнитной цепи в номинальном реише. В сочетании с принципом формирования потоков цодоапшчивания путём коммутации частей обмоток полупроводниковыми ключами, это открывает новые возмог ности по совершенствованию технических характеристик, радикал ному укучтени;о экономических показателей и определяет актуальность теш исследования.

!1елъ работу. Обоснование принципов создания высокоэффективных управляемых реакторов магнитно-вентильного типа с предельным насыщением магнитной цепи, исследование и разработка методов описания и расчета основных закономерностей процессов е них, выявление научно обоснованных путей оптимального проектирования и определение целесообразных схемотехнических реаеке и типов конструктивного исполнения для различных областей при-ыаненпя.

Основнмо задачи исследования:

- исследовать принцип действия, основные особенности работы и функциональные возможности управляемых реакторов гугнит но-вентилъного типа;

- с учётом общепринятых допущений построить математически модели для расчета магнитных потоков и м.д.с. в магнитной цепи токов и напряжений в обмотках активной части и ключах преобразователя, а также расчета внешних характеристик управляемого реактора как'элемента электрической схемы;

- разработать метод описания электромагнитного состояния, обосновать критерии и определить наиболее целесообразные реким насыщения магнитной цепи;

- разработать научно обоснованные принципы реализации, выбора электромагнитных нагрузок и оптимального проектирования управляема реакторов при заданных исходных данных и основных технических требованиях: диапазоне регулирования мощности, ури но нелинейных нагаявнин в потребляемом токе, быстродействии;

- разработать принципиальные схемы и основные типы испол-' нения управляема реакторов магнитно-вентильного типа однофазного и трехфазного исполнения в 'диапазоне мощностей

0,3...180 MB» A np:i классах напряжений 0,4...500 кВ;

- оценить достоверность выводов в провести алробац1.о результатов исследования при проектировании, изготовлении и испытаниях опытных образцов.

Основное положения. пьшоси.таа на зениту.

I. Целесообразность создания управляема реакторов на принципе сильного насыщения работах участков магнитной цепи, в номинальном ре.~:ш, близком к продельному, в сочетании со способом формирования управлязждос потоков подаагничиванпя путём коммутации часта глтков обмоток полупроводниковыми ключами.

?.. Результаты исследований принципа действия, функциональных возможностей и технико-экономических показателей управляемых реакторов магнитно-вентильного типа,

f 3. Метод описания и результаты исследования характеристик насыщения постоянным и периодически изменявдимася иагнлтнымн потока:,я электротехнической стали, подаагничиваемого участка, магнитной цепа в виде функций времени нахождения рабочей точки магпзгного потока в области технического насыщения кривой намагничивания.

4. Математические модели п результаты расчота потоков, м.д.с., токов а напряжений реакторов, основных режимов работы и внешних характеристик,

5. Принципы конструктивной реализации ькотштной цепи, ait- • тивной части, преобразователя н управляемого реактора в целом.

6. Новые технические решения и практические разработки макетных и опытных образцов.

Научная новизна и" значимость.

Впервые предложены, разработаны и апробированы на практике основные положения по созданию высокоэффективных, управляемых подаагшчиванием ферромагнитных устройств с сильнш, близким к предельному, насыщением участков магштной цепи, интенсивность использования электротехнической става в которых но менее чем на порядок превышает значения электромагнитных нагрузок,- рекомендуемых ранео для устройств подобного типа, что открывает ноше возыогностк по •ооверяонствовакив технических характеристик а радахальному улучшению экономических показателей управляе;,:ых реакторов.

Доказано, что универсальлоц мерой степс;л насщенпя магнитной цепи, достаточно полю характеризующей глчоссвеяиуа

картину электромагнитного состояния подмагничаваемоЗ стали, участка магнитной цепи и ферромагнитного устройства в целом, служат время нахождения рабочей точки потока в области насыщена за период частоты сети, з результате, на основе понятия угла насыщекшг кривой намагничивания, разработан универсальный метод описания регулировочных характеристик подмагначиваемых ферромагнитных устройств и выявлено, что комплекс основных технических характеристик и. экономические показатели управляемых реакторов однозначно зависят от степени насыщения магнитной цеш в номинальном реапыо, причём независимо от конкретного гипоиспол-нения и мощности, оптимальная совокупность этих показателей . обеспечивается в диапазоне меэду лолулределыгым и предельшы насыщением.

■IIa основа принципа формирования управляющих потоков под-магничгваняя путём периодически повторяющегося шунтирования часта витков ферромагнитной катушки полупроводниковыми ключами разработана теория работы, исследованы основные закономерности процессов, определены пути реализации и предложен ряд технических ранения управляемых реакторов нового типа - магнитно-вентильных, с предельным насыщением магнитной цепи, по электрической схеме, конструкции, функциональным возможностям и достигнутым технико-экономичоским показателям, не имеющих аналогов в отечественном к мировом электромашиностроении.

' Практическая данность и внедрение.

Использование новых научных полашшй, разработанных методов моделирования и применение результатов исследования позволяют выбрать рациональные схемотехнические решения, обеспечивающие оптимальную совокупность технических п экономических показателей управляемых реакторов магнитно-вентильного типа в широком диапазоне мощностей и классов напряжений, обладающих уменьшенным в 1,5 - 2,0 раза расходом активных материалов и потерь, улучшенными техническими характеристиками и расширенными функцпокакькша возможностями по сравнению с ранее известными устройствами.

Полученные результаты использованы:

- при проектировании, изготовлении, испытании и опытной эксплуатации трехфазного управляемого реактора магнитно-вентил кого типа.6,3 kB IC00 кВ-А (завод-изготовитель ЦПРП, Ленэнерго

- ряда опытных образцов дугогасяцях реактороз 6,3 + 10 кВ, 300 + 400 кЗ«Л (заводы-изготовители: MIO "Электрозавод''

им. В.В.Куйбышева г. Москва, с/п "Казэнергоремонт" г. Алма-Ата)»

- при формировании технических требований, проектирования, изготовлении и испытаниях макетных образцов фазы управляемого реактора 60 '.Е-А, 20 кВ (завод-изготовитель ПО "Электрозавод" им. В.В.фйбкаева г. Москва; л 6С Г.Э-А, 500 кВ (завод-изготовитель ПО "Залорслтрансформатор" г. Запорсссье);

- при исследовании комплекса статических и динамических характеристик и разработке технических требований на управляемые реакторы дая линий передачи 1150 кВ и ряда энергосистем (Ш1 и КМ "Зкергосетьпроект" г. Москва, КО "Энергосетьпроект"

г. Алма-Ата).'

* Работы по созданию магнитно-зентялынх управляемых реакторов с предельным насыщением магнитной цепи выполняются в соответствии о государственной (обцеададомической) програилой фундаментальных исследований до 20Ó0 г. "Коронное повышение эффективности энергетических систем", направление 2 - "Электрофизические проблемы создания новых эффективных- электротехнических и электроэнергетических устройств"; отраслевой научно-технической преградой Минэнерго СССР по проблема 01.06.10. "Дальнейшее повышение эффективности, надежности и управляемости электрических сетей и энергосистем ЕЭС СССР" на IS86-90 гг., задание 04.04. n I; межвузовской целевой комплексной программой ГЛшвуза СССР по проблеме "Экономия электроэнергии" на I9S6-S0 гг.,'раздел 02.08., C2.II.

Тома непосредственно соответствует плану научно-исслодова-тольских работ Алма-Атинского энергетического института.

1. Модернизация оборудования системы электроснабжения Усольского завода горного оборудования, компенсация реактивной мощности и оптимизация режима злоктропотробления, Отчёт о IJÍP (заалечатольный) / АШ ~ Л ГР 0IB400III2I; Шт.& 02870015680. -Алма-Ата, 1986.

2. Разработка и внедрение автоматической компенсации ёмкостных токов с примзцеинем дугогасяп'их реакторов мггнптно-полупроводникового тина. Отчёт о НИР (заключительные) / t\LY. -й ГР 018600Ш28; Шт. И 026S0015795. - Аат-Лга, .ISB3.

3. Разработка конструкции и авторский надзор за проект:;-

рованием и изготовлением однофазного модуля 60 MB-20 кЗ управляемого магнитно-вентильного реактора мощность» 540 ï.G3- А для электропередачи 1150 кВ. Отчёт о КИР (заключительный) / АЭИ -И ГР 01880025333; Инз. .'5 02300С44744. - Алма-Ата, 1989.

4. Создание макетного образца фазы управляемого аудирующего рогктора 525 кВ 60 ИЗ«Л.. Отчёт о ШР (заключительный) / . АЭИ - й ГР OI8SOOC5556I; 11нз. .'j 02910023425. - Алма-Ата, 1920.

5. Разработка и внедрение трехфазного магнитно-вентильного реактора (ТМВУР) дая регулирования реактивной мощности ПС "ТОПАР" АПЭС. Отчёт о КЯР (промежуточный) /'АЭИ - й ГР 0I8SC063295. - Алма-Ата, 1990..

6. Разработка и исследование, участие в изготовлении и пс-пыташях управляемых реакторов 540000/20, I8000Q/500 для ЛЭЛ-П50 КЗ. Отчёт о КС (промажуточный) / A3!! - Гг ГР 01900004991,-Алма-Лта, 1990.

Публикация и атробапкя. По теме диссертации опубликовано 59 работ, из них 18 авторских свидетельств.

Основные положения и разделы даосертации опубликованы в куриалах "Электричество", "Электротехника", "Электрические станции", Кзв. ВУЗов "Энергетика" и других, а такке докладывались и обсувдались на ряде сешнаров, конференций и симпозиумов. В частности: симпозиум "Управление в энергетике" ЧССР, г. Острава, 1981 год; "Проектирование и эксплуатация систем электроснабзе- . ни я проышлошшх предприятий" МДПТП, Москва, 1984 г. ; "Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей" , АН Эстонской ССР, г. Таллин, 1986 г.; "Проблемы преобразовательной техники" 1У Всесоюзная конференция, г. Киев, 1987 г. ; "Научная сессия К.Ш" НРБ, г. София, 1987' г. ; симпозиум "Эффективность применения управляемых реакторов в энергосистемах" ЛШ, г. Ленинград, 1989 г.; всесоюзная н-т конференция "Создание комплоксов электротехнического оборудования ...", г. Москва, БЭЛ им. В.П.Лошша, 1989 г.; международный симпозиум по электромагнитным полям в электротехнике, Англия, г. Лондон, 1991 г.

Результаты исследований проверены многочисленными практическими расчетами и экспериментальными данными физических моделей п опытных образцов.

Стгуктуш и объем таботк.Лиссертандя состоит из введения, иестк глав, заключения и приложений. Список литературы с од ортит

185 наименований, Объем 218 страниц машинописного текст?, 72 странщы рисунков и 73 страницы приложений.

Основное содестялта работы.

В главе первой праведен анализ состояния исследований и разработок управляемых подмагничиванием шунтовых реакторов, оценены перспективы их применения, Определены основные причины одорзивающио широкое использование ранее известных управляемых реакторов несмотря на острую, потребность в различных областях влэктроэцергетийи, Сформулированы принципа создания управляемых реакторов магнитно-вентильного типа о предельным насыщением магнитной цепи. Определен круг вопросов и задачи исследования.

Проблемы связанные о применением азвеотных типов устройств поперечной компенсации реактивной мощности, а такхэ тенденции, в развитии схем передач и распределения электрической энергаи вызвали в последние года новую волну интереса к управляемым реакторам, работающим на принципе магнитного усиления. Многочисленные и тщательные исследования технических и экономических показателей управляемых реакторов, их функциональных возмол-ностей показали, что в значительной части случаев они обладают оптимальной совокупностью характеристик для повышения пропускной способности передач, регулирования напряжения путем управления реактивной мощностьи в электрических (.згях, ограничения коммутационных перенапрязений и компенсации ёшсостшх токов заикания на пемлнз. Сцепка потенциальной потребности, проведенная радом научных и проектных организаций показывает, что уде сейчас в.электрических сетях класса 110-220 кВ требуется установка управляемых реакторов- сушарной мощностью порядка 8. ..10 КЗ»Л с последующим вводом ещё около 3.« .5 ГВ-А в год. Особенно неблагополучное пояснение с управлением реактивной^ мощностью сложилось в сетях Среднеазиатского и Сибирского регионов, где. по условиям эксплуатации использований -известных устройств поперечной компенсации в большинство случаев сильно затруднено. Очень остро стоит проблема управления реактивной мощностью s длинных линиях СВН, УВН и линиях о повылонной пропускной способностью. Таким образом, 'освоение и широкое применение управляемых реакторов представлйетоя одним из ваюта направлений в' развитии энёргосистем на современном этапе.

В течете более чем полувековой истории попыток создания управляемых реакторов, работающих на принципе магнитного уси-' ления, предлагались самые разнообразные схемотехнические и конструктивные решения, на том или шок этапе исследований казавшиеся наиболее перспективными для применения. К настоящему времени известны сотни статей и изобретений, посвященных этой проблеме, разработано несколько вариантов классификаций по характеру подмагничивания, типам конструкции, метода:.! подавления нелинейных искажений. В терминологическом стандарте определены три основных типа подмагничивания управляемых реакторов: продольное, кольцевое, поперечное. В конструктивном отношении различают управляема реакторы с вращающимся полем, стеряневые реакторы трансформаторного типа и реакторы с ортогональным расположением сетевой и управляющей обметок. Практически зео описанные выше варианты исполнения управляемых реакторов бшш апробированы в широком диапазоне мощностей г. классов напряжений от физических моделей порядка десяти кВА, до опытных образцов мощностью в десятки мал для различных областей применения. В целом результаты не вызывают сомнения в перспективности широкого использования управляемых реакторов и возможности их организации производства на современных электротехнических предприятиях.

В то же время анализ результатов исследований показывает, что возможности создания высокоэффективных устройств поперечной компенсации, работающих на принципе магнитного усиления, исчерпаны далеко не окончательно. Так, в известных разработках управляемых реакторов номинальный решил, как правило, обеспечивается при возможно меньшем насыщении подмагничиваемых участков магнитной цзпп. В результате, практически во всех известных конструкциях управляемых реакторов используется лишь незначительная часть регулировочного диапазона стали кале нелинейного элемента. Отсюда вытокает даа следствия: во-первых, высокий расход элект-ротехзтческой стали на единицу регулируемой мощности, а значит и повышенный расход электротехшшеекпх материалов на изделие в целом; во-вторых, сильные искажения в форме м.д.с. как в номинальном .режиме, так и во всем диапазона регулирования, требующие специальных мер по их устранению, что независимо от заложенного принципа подавления высших гармоник ещё на 30-40 % увеличивает

затраты на устройство. Практически не изученными оказались Taiu.cs вопросы работа управляемого реактора как электротехнического комплекса, состоящего из нелинейных элементов двух типов: собственно ферромагнитной катушки и источника подмагничивания. Однако организация эксплуатации опытных образцов показала, что реализация цепочки "реактор-преобразователь-трансформатср преобразователя" значительно усложняет и удоротает проект установи:'управляемого реактора на подстанции и, что самое главное, является само по себе достаточно сложной технической проблемой. В настоящее время это является основной причиной сдергивающей широкое использование управляемых подмагничиванлем реакторов.

В результата анализа ссстоязия проблемы разработок и применения ранее известных устройств сформулированы пути создания ь'лгнзтно-вентзлышх управляемых реакторов с гроделышм насыщением магнитной цепи (МВУ?). В сснову их реализации положена идея сильного, близкого к предельному, насыщения рабочих участков магпитопровода в номинальном режиме и принцип формпровашш и управлеш1Я потокам подлагничивания путём последовательного, периодически повторяющегося, шунтирования части витков обмоток полупроводниковыми клпча'.п, lia осново изложенного подхода и при непосредственном участия автора реализованы разнообразные схемотехнические ревения. Некоторые из них приедены на рис, I. В целом 1.1ВУР представляет собой сочетание ферромагнитного устройства (активная часть) и полупроводниковых кличей (преобразователь). Активная часть содержит магнитную систему с двумя самостоятельным; контурами замыкания магнитных потоков на '¡¡азу и секционированную обмотку постоянно-порекзнного тока. Ключи преобразователя подключаются к ответвлешпл commit обмоток по-луфаз. От известил ранее управляемых реакторов МВУР отличаот отсутствие источников подмастшчлвания, упрощенная схема обмоток и конструкции активней части, практичомэт полное использование стал;* насыщаемых участков г.итнптной цегш.

Втогэя глаза посвящена исследованию принципа действия и главным особенностям работы, основным закономерностям процессов и функциональным возможностям '.ШУР.

Во избегание частностей, качествонксл картина работы рассмотрена на примере упрошенной расчетной схемы фазы (рис. 2) при следующих допущения/:

- напряжение источника питания синусоидально по фор; .э;

- активное сопротивление сбмоток, потери в магнитопровсде схеме преобразователя незначительны;

- вентилышо ключи преобразователя идеатыше;

- поток, создаваемый сетевой обмоткой, полностью связан виткам! обмотки управления;

- вебер-амперная характеристика магнитных сердечников меет кусочный характер:

Г 0 ; при 1Ф|< ;

\(Ф" ; "Г" >Ф, .

■де * ф - тмгущее значение потока в сердечнике; ф| - поток гасыщенш; - магнитное сопротивление сордочзшка при его

юлном насыщении ( ^ = ).

Из анализа кагдого из трех основных состошшй схемы (см. рис. 26) а обобщения полученных результатов вытекают следующие /равнения, определяющие закономерности изменения магнитных потоков, м.д.с. и токов:

¿иЛ

и = + =[-1 * ЫгЦ^*

где и„ - амплитуда напряжения, приложенного к выводам обмотки; и> - угловая частота сети; - количество витков сетевой обмотки; - количество витков обмотки управления;

, Ф», . Р« - мгновенные значения потоков п м.д.с. получ'лз;

Ь * дV/- - относительное количество витков обмотки шунтируй,;оо клпчшд1 преобразователя? - мгноЕогаго'э зггачошю тегл фазы; Ц , 1«о, 1*,, и» - мгновенное значение тока управления и ключей преобразователя.

Ли* it* et

Vi -rrl-f-

! "1: — - i—i— :i±

rtr

3 lQ3u а Управления 1» ¡,щур.

Первые два уравнения (I) описывают закон изменения потоков полуфаз. 11х правая часть наряду о синусоидальной составляющей содержит управляющее напряжение:

и»= тга (2)

Кошсретный еид функции зависит от реяима работы ключей преобразователя, порядка и последовательности чередования их проводдЩих состояний, что косвенно задано коммутационной функцией.

{I; замкну? XI;

0; замкнут КО; (3)

-I; замкнут 1С2;

Зо характеру воздействия шунтирование части витков обмотки лстивной части оквивалонтно увеличению мгновенного значеш1я приюченного напряжения к коммутируемым секциям полу фазы на зели-шпу, пропорциональную' ¿(-(-¿)*1 с одновременным умешсешюм га ту >ло величину напряяишя на некоглутируемых секциях другой юлуфазы. В результате, несмотря на синусоидальность прилоден-юго к обмотке реактора напряжения, в магнитопроводе активной :астп возникают потоки подмалшчпвапия, регулируете по скорос-,тл и знаку приращения. Характерные временные диаграмм графиков апрянешй и токов реактора, вычисленные по уравнениям систе-ы (I), поясняют сказанное (рис. 3). До тех пор, 'пока посгояп-ая составлявшая в графике IIч больше нуля, идёт процесс нарас-аиия токов. Бра отрицательном значении.постоянной составляющей вторая часть графика) насыщение риактара с точением времени мснкяается. Вторая пара у равней;!;: систеш (I) определяет 5 а-эномерность изменения токов фазы Ц и управления реактора, вднй из которых содержит по две составляющих. Первые состав-тюгзю совпадают с классическими уравнения?,а, «шсившащш/а тока дросселях насыщэш1я,' подаагнлчлваемыа от отдельного источшнса. > физической сути, они являются токами намагничивания активной юти, причина появления и изменения которых заключается в на-одэшш полуфаз постояниыгл и переконныд пстсками Вторыо сос-излаощие токов пропорциональна 3(1-5)"' и носят в общем с-\7-.а скачкообразный характер. Их появление обуслср,1Д[.о- работой шей К1 и'К2 шзившдах дяскротяоо пзмояепво ко.4япо'С5ва сат-в. полуфаз, причём состевлящал тока фазы носит зйакоперздан-

1шй характер и является входным током преобразователя. Таким образом, магнитно-вентильныэ управляемые реакторы представляют собой управляемые саыоподаагничпванием индуктивные сопротивления. Кяючи преобразователя, работая как коммутаторы со:щий обмоток активной части, осуществляют преобразование электрической энергии сети в магнитную энергию контура управления или наоборот, что в коночном итоге и обеспечивает изменение насыщения и индуктивности реактора.

Основная и глазная функция управляемых реакторов, в том числе магнитно-вентильного типа, заключается в своевременном изменении своего индуктивного сопротивления в соответствии с полученным управляющим сигналом. В то ке время известно, что всем типам управляемых реакторов присуща инерционность изменения потоков подааишчивания. Интегрируя перзые два уравнения (I) и, анализируя характер изменения потоков Ф, и Ф, в конечных разностях, получаем, что минимальное время перехода ¡.ПЗУР от холостого хода к номинальной мощности, выраженное через количество периодов частоты сети, равно:

. п = -1_.-$*.= } . ф» (4)

** л«« * а ¥он •

где ф*н - номинальный поток подмагничивания, отнес енный к потоку основной гармоники полуфазы фт ; Нот», ~ '-¡аксималь-ное значение постоянно;! составляющей управляющего напряжения, приведенное к амплитуде напряжения сетевой обмотки.

Полученное выражение является исключительно важным соотношением, определшсвдм быстродействие реактора и показывающее, что независимо от схемы преобразователя и конструкции активной части, время его перехода от холостого хода к номинальному режиму, или наоборот, пропорционально значению номинального потока подмагнпчивштя и обратно пропорционально количеству витков, шунтируемых ключам преобразователя. Так, исследовшшя прове-дошше рядом авторов показывает, что при быстродействии порядка 0,33 с управляемые реакторы успешно решают проблему устойчивости работы электропередач. Из расчетов по (4) следует, что при частоте сети | = 50 Гц, время перехода Г,ПЭТ от режима холостого хода до номинального равное 0,33 секунды, может быть * обеспечено при б = 0,015...О,03. Анализ характерных режимов

."лгнитной цепи, проведешшй с помощью двух последних уравнений зистеми (I) показал, что любой из установившихся режимов работы МВУР представляет собой комбинацию двух, из трех возмогших, состояний магнитной цепи:

- ненасыщенное: мгновенные значешш потоков в сердечниках обеих полу фаз мэшдло их потоков насыщения, магнитная проводимость цепи н индуктивность фазы стремятся к бесконечности)

- насыщенное: мгновенное значение потоков в сердечшнсах больше потока насыщения, индуктивность фазы минимальна и экви-валеитна индуктивности обмоток реактора, насыщаемые участки магнитной цепи которого замещены немапштной средой (например, воздушными зазорами))

í - полунасыщенноэ: мгновенное значешш потока в одной из полу<Таэ превышает значение потока насыщения, а в другой нет, индуктивность (Тазы принимает промежуточное значегаю меаду насыщенным и полунасьщешшм состоящем.

До тех пор, пока потек подмагничивалпя отсутствует или настолько мал, что магнитная цепь реактора всё время находится в ненасыщенном состоянии, значения м.д.с, токов и их приращошШ незначительны и они практически отсутствуют (рашш холостого хода). По море увеличения потока подмагнпчппання в реакторе возникает роглм, характеризующийся неизменны., во времени состоянием магнитной цепи: ка-адый из сердечников фазы одну половину периода насыщен, а другую нот. В результате, всё время индуктивность фазы характеризуется подунасшдвннш состоянием. Но физическому смолу это .режим полупредельного насыщения. В тех случаях, когда переменная составляющая полностью смещена в область технического насыщения кривой намагничивашш, установившийся режим работы реактора также характеризуется неизменным во времени состоящем магнитной цепи - насыщенным. Этот решил по сути своей является предельным рсаамом, поскольку наступает прекращение дальнейшего регулирования формы я величины м.д.с. фазы, за счёт подмагничивания. Характерной особенностью списанных выше трех режимов является неизменность з точении периода частота сети индуктивности £асы реактора. Откуда следует, чго при синусоидальной форме прилояенного наяряг.зння, форма м.д.с. фазы такко еануоовдальнп. В остальном мноясств'1 устгловигсчшзл режимов форма токов и и.л.с. полуфаз от.гпазгел от синусоиды, причём процесс регулирования ослячячи гл л.<\ фя.:ж сспровсж-

IU

P Г*ГТ1^ ^ ** Г! P»* И

\ r /

I...vn: ¡1

..... r-.^

i-:;;:./';i Li IM UI i ij .i ¡"1

f'i: ,■' " •]., i.J l ,7; ; з

1ггП'-7.|

IiÜLij!.;; V

Üii'Ü.'Jüt^'J

1ГЧГ"—i-rinpf^nf]

IfVub'yt-'i*.

iX......

LeirJ^t

ем ¡« hp» Lj

f/iii'.iXvi^'niOT

tr,.". :

[КА !f

L

а) б) в) г)

• Рис. 4. Осциллограммы тока фазы 1т и тока управления п;

различных режимах насыщения магнитной цени: а) г.к холостым ходом и полупредолышм режимом; б) полу1 дольный режим; в) мозду полупредолышм н продолы режимом; г) прсдслышп реглм.

дается искажениями, характеризующимися постепенным переходом пилообразной (до полупределыюго релика) к уплощенной форме (поело полупродельного режима). Причём, как видно из графиког осциллограмм (рис. 4), именно в реглшах сильного насыщения фс ма м.д.с. существенно улучшается и в диапазоне молод полупре-дольным и предельным режимам: мало отличается от синусоиды.

D третьей главе разработан метод описания регулировочных характеристик участка магнитной цопи как нелинейного элемента обоснован целесообразный диапазон насыщения в номинальном роя мо, рассмотрен способ формирования кривой м.д.с. с уменьпешш! уровнем проявления нолинейшх искажений.

Качественные характеристики и размер графика м.д.с. учас магнитной цопп, при одновременном воздействии переменного и п< тоянного потоков, однозначно зависят от времени нахождения рабочей точки результирующего потока в области насыщения кривой „ намагничивания (см. рис. 4). На основании этого в 1;ачсстве koj честпешюй мори степени насыщения принята длительность насыщсп

ного состояния под-мапшчнваемого V чт-ка за период часлли сети, численно равная углу насыщения кривой намагничивания (рис.5),

п Ф=агссоэ , (5)

I .

где Ф, , Ф0, - соответственно, потоки насшдения, подоагничп-вшгая п основной гармоника рассматриваемого участка.

Использование параметров Ф позволяет в универсальном виде описать закспо-эность изменения гармонического спектра м.д.с. РД Ч> _ Ч» со-4 Ч>) ;

с* < Г^1а1к±11 _ ¿1дй±1)1£-] , <6)

ь1 = иГ1 ГП 1м ]'

р„*=р (Фт И^,)"1' - относительное значение м.д.с. к-ой фмоиики; - базовое значение м.д.о. равноо амплитуда

,д.с. основной гармоника рассматриваемого участка в режиме пря-з.чьного насыщения.

Система (6) в обобщенном гаде описываот рогуларовочшго ха-актерпотшя участка магнитной цепи как нелинейного элемента, о тех пор, пока нл одаа точка мгновенных значений потока но пр-э-шаот потока насыщения Ф8 , и.д.о. "требуемая для ого создания означитольна, магнитная цепь нонасыщона, Ч> = 0, я андуктип-ость реактора максимальна. Другой крайний рожам наступает при ;о.таом насыщении участка, когда рабочая точка потока постоянно аходится в области насыщэаля, при этом Ч*3 эт . Токугзш злячо-шям ^ от 0 до от соответствуют все нрог-'о™утсч)шо состояния. I ростом ч> постоянная составляющая Р. и оспояная гармоническая

-ч> о ч

зо. 5. Определение оллчоствонпоЗ мери трдени наенщепия одаагшзчп васмог о частка через зна-:елие угла паешцо-ая Ц>..

20 й

монотонно нарастают. Высшие гармоники изменяются по колебательному закону, описываемому разностью двух гармонических функций с частотами 1+"! и 1-1, где I - порядок гармоники. Количество нулей функции равно порядку высшей гармонической. Количество экстремумов на единицу меньше. Графики постоянной составляющей, основной и некоторых высших гармоник показаны на рис. 6. Закономерности изменения интегральных показателей нелинейности! м.д.с. искажения и коэффициенты гармоник приведены на рис. 7.

Метод анализа электромагнитных процессов на основе понятия угла насыщения позволил в обобщенном вида описать гармонический спектр м.д.с. насыщаемого участка, и на основе простых аналитических выражений, рассчитать статические регулировочные характеристики, получить основные соотношения между исходными данными, особенностями геометрического исполнения, электромагнитными нагрузками и степенью насыщения участков магнитной цепи в номинальном режиме. В результате анализа данных взаимосвязей выявлоно, что угол является также критерием подобия качественной картины процессов, происходящих в магнитной цепи управляемых реакторов, независимо от особенностей их конкретного типоис-полнояия и непосредственно определяет целый рад критериев входящих в функцию затрат активной части и преобразователя. При этом с позиций минимума расхода активных материалов на обмотки и эффективности подмагкичиБания в номинальном режиме, целесообразным является полупредельное насыщение. По минимуму нелинейных искажений и потерь от высших гармоник предпочтительнее режим предельного насыщения. Поэтому оптимальное сочетание показателей реактора достигается при номинальных значениях угла насыщения, лежащих в пределах 90° < Ч*м < 180°.

Режим продельного насыщения магнитной цепи позволяет снизить максимальные значения м.д.с. искажения по отношению к номинальному значению основной гармоники до 0,03 в трехфазных управляемых роакторах и до 0,07 в однофазных, что в большинство случаев отвечает требоганиям допустимого уровня нелинейных искажений (см. рис. 7). Однако, в ряде случаев к форме потребляемого тока управляемого реактора, например, при использовании его в качестве дугогпсящой катушки, предъявляются повышенные требования. Благодаря знакопеременному характеру изменения гармоник в кривой м.д.с. в процессе подмагничивания (6), существует воз-

0.8 0,6 0,1 0,2

iv //

б;

е;- / "ч

л г N

0.08

¿Т ВТ I ЙГ 53 ГС

Т У 2" "У 5

0,06 0.06 0.01| 0,02 о

-0.02 -0.01( -0,0В

-0,0 а

/

/ \ /

> \\ Й //

■ \ /

1 V у

/ ч>

0 \ Я С ■■ У 1 -у ¥

ол 0,3 о,г

он

кг 1 v игр

к ГА К

(у

— — 1 л—

г

б)

Рис. 6. Графики амплитуд некоторых гармоник м.д.с. подмагничиваемого участка.

Рис. 7. Характеристики искажения формы кривой м.д.с. подмагничиваемого участка:

а) действующие значения искажений фазного п линейного тока;

б) коэффициенты гармоник.

можность полного подавления высшей гармоника произвольной кратности в заданной точке насыщения и ослабления в.окрестностях этой точки, если в каздой из полуфаз насыщать но один, а два последовательно расположенных участка с различная поперечными сечениями и длиной. Так, на рис. 6 приводеш результаты расчета третьей гармоники м.д.с. при подмагничиванип и двух последовательно расположенных участков (пунктирная кривая). Видно, что

0,0} 0,02 0,0-1 о

-0,01 -0,02 -0,03

0,02 0,01 0

-0,01 -0,02

0,020 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005

Е. 6

£ И 1 < »! I

! ! Г ---

1 ] \ 1

/1/ к г* * /

У7т /

К 1

а)

N |Д\ \ v

V/ V/

1_ ^

б)

Р* 1 Л / > л1

/

• • IX ! \

> < 1 1 1 1 /

и 11 / \

/ 1 / » л

о.и 0,10 о,оа

0,05

с.оч 0,02

Игл £

N1 —-

----

< IV _V

1 : ^ £ ¥ ¥ *

2.0 1,6 1.г 0,6 о,*, о

г)

осе

0,07

О,Со

0,05

0.05 0.02 0,01

Иг<р

А /

¥

л

1 \

! X

д)

¿3. ъ

1,Ь

1,0 0,8 0.6 0,ц о.г о

" ? * т Т Т 31

• в)

Рас. 8. Графики изменения ы.д.с. пятой (а) и седьмой (б)

х^рмоники, м.д.с. искажения прямой и обратной последовательности нечетной кратности (в) коэффициентов. гармоник линейного (г) и фазного тока (д):

.....- двух последовательных участков,*

— ~ - - одного участка.

реэультируюцал амплитуда третьей гармоники в диапазоне между полупредолышм и предельным родимом резко уменьшилась по орав- . нению с насыщением одного участка и в её графике появилось ещё одно нулевоо значение. Уменьшение амплитуды третьой гармошнш объясняется тем, что начиная с I? = 90° третья гармоника одного участка уже меняет свой знак, а в другом участко процесс насыщения только начинается и третья гармоника нарастает. В результате, третьи гарггошнш участков находятся в противофазе и в значительней степени компенсируют друг друга. Числешше расчеты показали, что путем соответствующего подбора параметров подмаг-ничивасмых участков мо.тло уменьшить проявления и других гармоник (рис. 8а, б). При этом наибольший эффект подавления достигается, когда магнитные сопротивления в насыщенном состоянии равны друг другу (рис. 8в). Наряду с эф^зктом подавления нелинейных искажений в форме м.д.с. фазы, насыщение двух последовательно включенных участков м.д.с. вызывает также ускоренное нарастание основной гармошнш, что расширяет длапазмг слабых искажений в форме потребляемого тока и повышает эффективность подмагничивштя реактора (см. рис. 8г, д).

В четвертой глзво рассмотрены нршщипы конструктивно!! реализации и пути оптимального проектирования управляемых реакторов магнитно-вентильного типа, методы электромагнитного расчета активной части при заданной степени насыщения магнитной цепи и определения исходных данных для выбора параметров схе-ог п конструкции преобразователя.

Используя понятие угла насыщения 4х , выражение для удельной реактивной мощности насыщаемого участка магнитной цепи моя-по представить в виде

гдо р,* - относительное значение м.д.с. основной гармоники (6); ф* = фп- ф~1 - амплитуда потока основной гармоники отнесенная к потоку насыщения; Кр - коэффициент выпучивания магнитного потока из подмагничиваемого участка при полном ого насыщении; 9Ге = 7,85 • кЯ кг/м3 - плотность электротехнической стали; В5= 2 Тл - ориентировочное значение шщупоти насыщения электротехнических сталей.

Б режиме предельного насыщения, когда F/ = I поток основной гармоники равен потоку насыщения Ф* = I, а воздушный канал между обмоткой и участком пренебрежимо мал по сравнению с сечением участка (КР= I):

qmai - со в* - а ГО fe] ■

Таким образом, интенсивность использования электротехнической стали может, в пределе, достигать исключительно высоких значений. С одной стороны это указывает на хорошие потенциальные возможности применения электротехнических сталей в качестве высокоэффективных регулируемых подмагничиванием нелинейных элементов. С другой стороны, о учётом реальных значений параметров входящих в (7), режиму предельного насыщения соответствуют .• удельные электромагнитные нагрузки (индукция магнитного потока основной гармоники на холоотом ходу равна индукции насыщения стали, а напряженность магнитного поля в номинальном режиме составляет 0,1,..1,1 ыА/м), нижний предел значений которых находится на уровне показателей самых мощных трансформаторов и шунтовых реакторов и, не менее чем на порядок, превышает значения рекомендуемые ранее для управляемых реакторов. В результате становится ясно, что практически единствещшм путём реализации конструкции магнитной цепи с насыщением близким к предельному, является выполнение рабочих вон в виде участков уменьшенного поперечного сечения ограниченной длины так, чтобы часть магнитной системы оставалась ненасыщенной во всех режимах работы устройства от холостого хода до номинального (рис. 9). Из возможного разнообразия вариантов, формирование участков уменьшенного сечерчя целесообразно осуществлять путем послойного чередования листов неодинаковой длины (рис. 10). В таком "распушенном" участке удачно решаются вопросы теплооъема за счёт резкого возрастания площади контакта материала участка с охлаадаЬщей средой. В то же время предложенный способ реализации магнитной цепи позволяет сохранить в целом конструкцию активной части подобной конструкции силовых трансформаторов.

Основная особенность проектирования управляемых реакторов рассматриваемого типа заключается в определении размеров и параметров активной частя о учётом заданной степени насыщения

Рис. 9. Конструкция фазы активной части МВУР.

т-ош

â

/

Ш

4

□ □ Q=D

»M мой

Рис. 10. Принцип йормировашш и конструкция стержня с одним (а) или двумя последовательными (Ö) участками уменьшенного сечения.

Рис. II. Характер магнитного поля в сторетювой золе; а) пасщсн один оторвет (Л" I); б) пасщены оба стсрзия № I а Л 2).

магнитной цепи в номинальном рекиме. При проектировании управляемого реактора относительно малой мощности, в котором длина участков уменьшенного сечения заведомо и значительно меньше длины стерэш и высоты обмоток, вначале рассчитываются й оптимизируются размеры магнитопрсвода и параметров обмоток, а потом уне определяются размеры участков уменьшенного сечения, обеспечивающие заданный угол насыщения % в номинальном редкие. Методика определения размеров участков уменьшенного сечения ь этом случае целиком и полностью базируется на уравнениях системы (6). С увеличением мощности реактора до десятка ¡.13-А в фаза целесообразным становится вариант исполнения магнитной цепи с насыщением всего стерам. В этом случае проектирование целесообразно начинать с расчета стернневой зош (рис. II), Анализ электромагнитных процессов мощного управляемого реактора с раздольной сетевой и управляющей обмотками показал, что в течение периода частоты сети картина электромагнитного процесса в стержневой зоне соответствует Либо деухобмоточноыу трансформатору, либо шунтовому реактору с подразделенной обмоткой, а длительность этих состояний а условия перехода от одного к другому определяются углом насыщения Качественная картина характера_ изменения токоз в сетевой и управляющей•обмотках по мере насыщения в целом имеет тот ко характер, что и в решеторе с совмещенной обмоткой. Однако заметное вытеснение потока в канал мавду сетевой и управляющей обмотками сказывается на соотношении токов полупродельного Тип и предельного 1ша» регшла насыщения реактора

где |_о , .1 ? - соответственно индуктивности сетевой л управляющей обмоток при замене сгс-даюй немагнитной средой.

В результате на критерий соответствия геометрических раз-моров и параметров стергневой зоны, заданной степени насыщения магнитной цепа в номинальном регааё оказывает влияние но только , но а и а Ц :

(8)

гда LH - номинальная индуктивность fCBTP.

Принципиально, отбор вариантов могло организовать на осново ке-посредственного решения уравнения (9) относительно Однако, с учётом технических возможностей современных вычислительных средств, данное соотношение проще использовать в качество дополнительного ■ технического критерия в целевой функцш расчетных затрат при- простом переборе всех возможных комбинаций.

Еа основе изложенных выло подходов разработаны методики и проведена оптимязациошщо расчеты управляемых реакторов магнитно-вентильного типа. Показано, что реализация peseiwa насыщения порядка М'н = 90°... 150° обеспечивает положительный эффект как по ве'соигл показателям, та:: а по потерям, начиная с самых ¡.алых мощностей устройств. Наиболее полно пологснтедъшэ свойства режима предельного насыщения проявлялся при мощности управляемого реактора порядка десяти ?1В> Л в фазе и более, когда длина участка уменьшенного поперечного сечения становится равно;: длине стотгаш. Е результате, уделышо показатели расхода электротехнических материалов и потерь практически не уступают показателям аналогичных по мощности и классу напряжения двухобмоточ-?iix трансформаторов.

Исходные данные для выбора ключей преобразователя также юлностью зависят от рскпмов работы а конструкции активной части, гри этом икала серийно выпускаемых тиристоров позволяет обеспе-ить требуемое быстродействие реактора (порядка 0,33 с) практи-[ески любой единичной мощности в фазе (до 300 !,Ш-А) при исполь-ювании в-качестве кляча только одного полупроводникового при-юра. Б результате,' это делает возмоглым исполнение активной астл и преобразователя в виде единой конструкция.

Пятая главз посвящена вопросам математического моделирова-ия управляемых реакторов магнитно-вентильного типа.

Специфика электромагнитных процессов, сопровождающихся глу-оким насыщением рабочих зон магнитной цепа определила необходимость использования для описания средней кривой намагничивания ;шерболической функции типа

19 В*= В - Bj' - относительное мгновенное значение индукции;

- относительное мгновенное значение напряженности; '. j^mQ* - коэффициента аппроксимации:.

Коэффициент и характеризует крутизну изгиба в области перехода от начального насыщенного участка к насыщенной части кривой. Коэффициент ^и^ - отношение угла наклона начальной кривой к углу наклона асимптоты насыщения. Их вычисление но требует дополнительной информации кроме данных приведенных в ГОСТ па электротехнические стали. Такие свойства самой функции как асимптотическое приближение к прямым, при б*—0 и Б*-*-оо, наличие аналитических выражений для первой и последующих производных, удобство вычислений обратных значений позволяют использовать её также в качество базы для описания нелинейных параметров схемы замещения магнитной цепи управляемого реактора. В результате магнитная проводимость д^,,,, цепной схемы замещения стерневой зоны (рпс. 12), соответствующая кагштюй проводимости пространства охваченного произвольно выбранным токовым слоем какой-либо из обмоток активной части, может быть представлена в виде' суммы магнитных проводимостей, количество членов которой равно количеству участков различного поперечного сечения стержня

где N - количество участков различного поперечного сечения стержня; - магнитная проводимость пространства, когда р

участков стержня замещены немагнитной средой; в -

относительный максимум рого члена суммы; (] ./■••«> - магнитная проводимость пространства охваченного к™ чековым слоем при полно!; закеке стержня немагнитной средой; - магнитная проводимость пространства охваченного к шл токовым слоем, когда все его участки ненасыщены; - магштный поток трубки,

охваченной кшл токовым слоем, отнесенный к потоку насыщения рого участка стержня.

Все параметры, входящие в выражение для расчета магнитной проводимости (II), имеют точный физический смысл и могут быть рассчитаны либо теоретически, непосредственно из данных конструкции активной части, либо определены экспериментально для уже изготовленного образца. Так, из показанного на рис. 13 результата расчета эквивалентной вебер-ашерной характеристики для стерзи'ш с треия участкам различного поперечного сечения наглядно видно, что задача расчета углов ншелона к&здого из трах

анейных участков кривой сводится к определению магнитных про-глае;,-.остей пространства охваченного обмоткой при различных тупенях насыщенности стерння и является типовой задачей расче-а поля иунтошх неуправляемых реакторов. Не вызываем затруднена и расчет точек перегиба результирующей кривой (зго потоки аевденпя соответствующих участков магнитной системы). Кроме

Фс

-си-

о - о

-о

Рш)

Рио. 12. Расчетная Рис. 13. Характерные ступени насыщенности гхеиа замещения стерння с участками различного соченля

гтеряневой зоны. (I, П, Ш) и его эквивалентная характерис-

тика,

того, какдому члену суммы (II) соответствует функция типа (10) (пунктирные кривые I, П, О на рис. 13), в неявном виде отраяао-щая влияние особенностей геометрического исполнения того или иного участка стеркня на результирующая характеристику. В конечном итоге, это позволяет резать вопросы синтеза магнитной цепи с заданными свойствами.

На основе разработанного мотода расчета параметров схем замещения а с учетом уравнений электромагнит пого состоягтя (6) разработана уточнешюд математическая модель газы магнитно-вентильного управляемого реактора с предельным насыщением магпнтной

цели, учитывающая характерные особенности исполнения конструкции.

Расчеты динамических и статических характеристик основных типоисполнений .'¿ЗУ? (см. рис. I) в широком диапазоне исходных данных и для различных областей применения полностью подтвердили основные теоретические результаты диссертации отражающие но только основные качественные закономерности процессов, но в большинстве случаев, достаточно точно олределящие количественные параметры и характеристики устройства. Так, выражение для оценки быстродействия получено без учёта потерь по неограниченному нарастанию переходного процесса, а результаты расчета по более точной модели и эксперимент дают практически те se самые значения. Практически не влияет на качественные и количественные результаты расчета гармонического состава токов и регулировочных характеристик применение уточненных аппроксимирующих выражений вместо кусочно-линейной аппроксимации. Б полной мере сохранились результаты и выводы комплексного анализа электромагнитного состояния управляемого подмагничиванием ферромагнитного устройства в функции угла насыщения Ф и при использовании более строгих схем замещения, учитывающих особенности геометрического исполнения ьагнитопровода и обмоток.

В то ré время разработанная математическая модель значительно расширяет возможности исследования и позволяет получить белое точные данкыо по всем основным режимам работы управляемых реакторов магнитно-вентильного типа. Например, расчет пароходных процессов выявил возможность организации регулирования мощности реактора с помощью не более чем фиксированных 'значений углов регулировшшя преобразователя: с(х* - холостого хода, с^н -но;.л!нального; форсированного наброса (о( = 0) и сброса ( d =■ зг ) мощности. Данный алгоритм управления позволяет произвести отработку управляющего сигнала по любому закону баз перерегулирования, но в тоае время с полным использовалием.динамических возможностей реактора (рис. 14). При этом разрешающая способность отработки сигнала рассогласования не превышает долей процента от номинального тока ШТ.

Р шестой главе приведет характерные примеры примене1шя полученных результатов, позволяющие оцешггь, с одной стороны, достоверность теоретических положений и еыводоз настоящей работы, ас другой стороны - эффективность разработанного типа

Рис. 14. Пример управления током фазы ГЛВУР 60000/20 при

фиксированных углах рогулировшшя преобразователя.

управляемых реакторов, как средства компенсации реактивной мощности и народнохозяйственную значимость ¡IX применения в энергетике.

Управляемый реактор Г.ГГР 1000/6,3 выполнен на заводе ТЗРЗ ЦПРП "Ленонерго" и предназначен для регулирования мощности конденсаторных установок промыленного предприятия. Реактор выполнен в виде трех однофазных модулей, расположенных в отдельных баках. Каждая из фаз выполнена по схеме рис. 1а. Схема соединения фаз. - трруголышк. Магнптопровсд фазы состоит из двух замкнутых сердечников с участками уменьшенного сочетая в стержнях. Участки уменьшенного сечения выполнены рассредоточенными в радиальном направлении в соответствии с рпс. 9. Индукция участков уменьшенного сечения на холостом ходу В,маБ, «2 Тл . Номинальная степень насыщения = 120°. При разработке Г.ТГР 1000/6,3 задача минимизации массогабариткых показателей и потерь не являлась самой главно!:. Конструкция активной части выбрана из соображений экспериментально'} проверки особенностей рсаыма насыщения подмагничиваемкх участков цеп::, близкого к предельному. Однако, положительные свойства этого режима обеспечили за-

\

метноэ сниаоние глассогабаритных и улучшение технико-экономиче-сккх показателей по сравнению с аналогам:.

По заказу ряда энергосистем Минэнерго КазССР изготовлено несколько партий дугогасящкх реакторов двух модификаций. В основу их разработки положены -следующие принципы:

- совмещение сетевой и управляющей обмоток в одной обмотке переменно-постоянного тока;

- предельное насыщение основного и полупредельное насыщение дополнительного участков магнитной цепи з рекиые номинального подаагнпчивания;

- общая компановка активной части и преобразователя в общей баке.

Сопоставление приведенных показателей с данными управляемых подаагничиванвем дугогасящих реакторов других типов показывает, что в части расхода активных материалов и потерь реакторы .магиитно—вентильного типа как ьшнимум в 1,5 + 2,0 раза экономичное. Дополнительным экономическим преимущество:.: данных реакторов является отсутствие токов лодмагничпвания в нормальных режимах работы сети, в то время как остальные устройства требуют постоянного расхода энергии на подг-агничиванио» Следует отметить тагахе большую глубину регулирования по току, несмотря на высокое значение индукции основной гармоники в насыщаемых участках.

В результате конкурсного рассмотрения предложений по соз-дшшю макетных образцов фаз управляемых реакторов 60000/20 и 60СОО/500 для линии 1150 кВ, за основу приняты технические предложения получешше в настоящей диссертации. Шэковольтный -вариант выполнен по схеме с совмещенной обмоткой (см. рис. 1а), а высоковольтный - по схеме с раздельными обмотками (рис. 1г). ].!акотныэ образцы фаз спроектированы и изготовлены на Ш0 "Электрозавод" (МВУР-60000/20) и ПО "Запорожтрансформатор" (РОДЦУ-СССиО/БОО-У1). Как следует из таблицы проекты выполнена в соответствии с рекомендация;,а настоящей работы. Расхоаденпя в данных проекта и оптимальных расчетных параметрах реактора в основном определены технологическими соображениями,

К настоящему времени макетный образец МВУР-60000/20 готовится к испытаниям на МПО "Электрозавод". Макетный образец РОДЦУ-60000/500-У1, изготовленный ПО "ЗапороЕтрансфориатор" успению выдергал комплекс заводских испытаний в- соответствии с техническим заданием.

Таблица

Сопоставление оптимальных расчетных . параметров и проектных далнкх активных частей макетных образцов управляемых реакторов 60000 хВ*А

Тип ректора

Параметр ! ГЗУР-6СССС/20 1РСДЦУ-6ССОО/500У1

¡рекомсн-! .'дация ! проект ¡рекомен-! проект ! дация !

, Индукция основной гармоники в стерпне на холостом хода [Гл] 2,0 1,93 2,00 1,66

, Нсминатьнач плотность,, ' тока в обмотках [А/мм ] 3 р 3,72 2,23 2,38

, Угол насыщения ррад.эл] 120° 114° 90° 90°

, Стержень М

- диаметр 0,56 , 0,560 0,67 0,63

- длина 1,143 1,330 1,753 1,600

. Сетевая обмотка р.:]

- идрина 0,272 0,262 0,152 0,180

- кару.жный диаметр 1,164 1,ЗСЗ 1,594 1,860

. Масса активных материалов СеоЗ 28542 33020 55232 66400

- обмоток 5С02 5920 13547 15832

- магннтопровода 22690 27100 41685 70568

- сторжней 4001 4241 8754 9225

. Потери [кВт]

- холостого хода 73 64 75 60

- ни.анатьнке 306 4С8 441 441

¡. 1.!опность холостого хода И 0, С5 0,05 0,05 0,003

Таким обратом, использование полученных в настоящей работе юзультатов позволило разработать технические требования, лрсектирозать и изготовить реактори по электрической схеме, ¡онструкции, шушсцпоналыпы.; возмажнсстям и достигну ты:,1 технпко-1кономпчсским показателям, но име:о:цпе аяатогов з отечественном I мировом электрсмаз-ппостроенип.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе решена вазяая народнохозяйственная проблема создания мощной, управляемой подмагничивациом индуктивности для электроэнергетики. Предлозены, исследования к доведены до промышленного освоения ыунтирукцие управляемые реакторы магнитно-вентильного типа с предельным насыщением магнитной цепи, обладающие улучшенными экономическими показателями, оптимальной совокупностью технических характеристик, простои и надедной конструкцией.

. Б ходе выполнения исследований получены следующие основные результаты:

1. Предлозены, разработаны и апробированы на практике основные полодзкия по созданию высокоэффективных управляемых подаагничиваниеы ферромагнитных устройств с сильным, близким к предельному, насыщением участков магнитной цепи, интенсивность использования электротехнической стали, в которых не меное чем на порядок нревыпаот значения электромагнитных нагрузок рекомендуемых ранее для устройств подобного типа, что в сочетании с принципом формирования управляющих потоков подмагничивания путём пунтирования части витков ферромагнитной катушки полупроводни>-ковыма ключами, открывает новые возможности по упрощению схемотехнических рекештй, совершенствованию технических характеристик и радикальному улучшению экономических показателей управляемых реакторов. ...

2. Ка основе комплексного исследования физических процессов разработана теория работы и показало, что реакторы магнитно-вентильного типа представляет собой управляемые самолодмаг-ничиванлем индуктивности. & активная часть, с одной стороны, выполняет '"-ункцшо яодмагнпчиваемого ферромагнитного устройства, а с другой, трансформатора связи преобразователя с электрической сетью. Ключи преобразователя, работая как коммутаторы частей витков обмоток, осуществляет регулируемое по мощности преобразование электрлчзской энергии сети в магнитную энергию контура управления или наоборот, что в конечном итоге и обес-почивас-т изменение насыщения магнитной цепи и, следовательно, индуктивности реактора.- Скорость изменения насыщения магнитной цепи пропорциональна относительно:^ количеству витков контура; управления б , шунтируемого ключами преобразователя и обратно

пропорциональна отношению значений номинального потока подмаг-ничавакпя и потеть основной гармоники. При 3= 0.015...0,03, время перехода реактора от холостого хода-к номинальному режиму обеспечивается не более чем за 15...20 пераодов частоты сети, а относительная-мощность преобразоватоля не превышает 5...10 %.

3. Доказано, что во всем диапазоне регулирования от холостого хода до предельного насыщения, основные характеристики электротехнической стели, участка магнитной цепи и активной части управляемого реактора в целом, являются функциями угла насы-' щения кривой намагпачЕБакая Фн , который количественно равен относительно:^ времени нахавдения рабочей точки магнитного потока в области насцщенля кривой намагничивания за полупориод частоты сети. Режиму холостого хода соответствует значение

V = 0, полу предельному ре:;л;.»у Ф ■• SO3, а предельному Ц> = 180°. Эффективность яодмагкдчпвания, характер проявления нелинейных искатаниЗ, расход материалов на активную часть однозначно зависят от ' значения угла насыщения магнитной цепи в номинальном режиме 1?н и независимо от конкретного типоисполнения управляемого реактора, оптимальное сочетание показателе:": достигается в диапазоне, границы которого соответствуют полу предельному ( Vm = 90°) и предельному ( 1?и i 180°) насыщению.

4. Разработан обобщенный аналитический метод расчета характеристик намагничивания, как функций угла насыщения и на основе детальных исследований возможностей подавления нелиней- . пых искажений в форме м.д.с. обоснована целесообразность выпол-неяия насыщаемой части магнитной цепи в виде двух последовательных участк.ов с- различными поперечными сечениями и длиной. Установлены взаимосвязи между их Геометрическими размерами, обеспечивающие наилучшее и. достаточное подавление заданных гармоник спектра м.д.с. для случаев однофазного и трехфазного исполнения управляемых реакторов.

5. Сфор^лированы принципы конструктивной реализации магнитной цепи с участкам уменьшенного поперечного сечения ограниченной длины, позволяющие устранить негативные последствия высоких электромагнитных нагрузок в зоне насыщения и сохранить , одновременно, конструкцию активной части подобной конструкции силовых трансформаторов или шунтовых неуправляег.кх реакторов. Получены выражения, учитывающие взаимосвязи :.:с.тлу наенцаемш.л участками мапктной цепи; индуктивностью и взаим-

шм расположением обмоток, на основе которых разработаны метода расчета и определения оптимального исполнения активной части и управляемого реактора в целом.

6. Предложен ряд оригинальных технических рэзокий по принципиальной схеме, конструкции активной части, преобразователя и общей компановке управляемых реакторов магннтпо-вен-тнльного типа с продольным насыщением магнитной цепи с радикально уменьшенным, не мокое чем в 1,5,..2,0 раза, расходом электротехнических материалов и потерь по сравнении с аналогичными устройства",а. Наиболее полно положительные свойства управляемых реакторов данного типа проявляются при мощности порядка десяти ИЗ»А в <Т.азе и более, когда длина участка умзпьсеыного поперечного сечения становится равной длине стержня. В результате' удельные показатели расхода злектротех-¡нических материалов и потерь практически не уступает показатели.; аналогичных по мощности и классу напряжения двухобыоточ-цых трансформаторов. Например, в интервале мощностей

50. ..ICO .'.2- А, глас с с напряжений 20. ..500 кВ и в зависимости от варианта конструктивного исполнения, расход материалов . находится в пределах 0,5..Л кг/квар при номинальных потерях 5...10 Бт/кзар, при'мощности преобразователя не превышающей • 10 % от номинальной мощности устройства.

7. Па. основе уравнений электромагнитного состояния разработана математическая модель управляемых реакторов магнитно-вентильного типа и осуществлена её программная реализация, позволяющая рассчитать широкий комплекс статических и динамических характеристик и подучить уточненные результаты по всем основным режимам работы. Выполненные с помощью математических моделей исследования дали удовлетворительное совпадение с мкогочасл. шки практическими расчетами и экспериментальными данными фззических моделей и опытных образцов.

8. По результатам исследований разработаны технические требования, изготовлен, испытан и апробирован ряд опытных образцов управляемых реакторов различного назначения, в том числе макет фаз ы ?0ДЗ'-6000и/50Э-У1 не имеющий аналогов по совокупности технических характеристик и достигнутым экономическим пег.азатеяям, простоте электрической схемы и конструкции.

Полученные даппио подтвердили достоверность и практиче-

скую ценность получению: в настоящей работе теоретических положений, выводов г, рекомендаций, возможность изготовления на современных электромашиностроительных предприятиях и це-лесообразнооть использования в электрических сетях управляемых реакторов магнитно-вентильного типа, с предельным насыщением магнитной цепи.

Основные работ:-:. опубликованные по теме дисовтэтзгст ;

1. Брякцсв A.M. Магнитно-вентильные упраздняемые реакторы с предельны:.: насыщением шгнктной цепи: Учебное пособие. -Алма-Ата: ЛЭИ, IS92. - 63 с.

2. Брящез A.M., О.Горачек.О возможности применения ферромагнитных регуляторов реактивной мощности с подмагкичкванием в схемах фильтро-ксмпепсецнонкых станций // Управление в энергетике: Сб. докл. - ЧССР. Острава, 1982. - С. 2IO-2I3.

3. A.c. S72605 СССР, кл. H 01 F 29/14. Трехфазный управляемый реактор / E.H.Бредовой, А.М.Брянцев (СССР). Опубл. 07.11.82. Бш. й 41. - 3 с. : кл. - 2.

4. A.c. S39597 СССР, кл. II 01 Р 29/14. Электрический реактор ,с нодмагничиванием / А.М.Брянцев (СССР). Опубл. 15.01.83.

Бил. .\Ь 2. - 4 с.: пл. - 2.

5. A.c. 993344 СССР, кл. H 01 F 29/14. Дроссель насыщения / А.М.Брянцев, Е.Н.Бродовоп (СССР). Опубл. 30.01.83.

Вел. В 4. - 3 с. : ил. - I.

6. A.c. I0I4050 СССР,' кл. H 01 F 29/14. Трехфазный управляемый реактор / А.М.Брянцев, И.И.Леонов, И.Д.Лис, С.Е.Соколов (СССР). Опубл. 23.04.83. Вол. й 15.- - 4 е.: ил. '- 2.

7. A.c. I0SIIP0 СССР, кл., H 01 F 29/14. Злектроиндукционное устройство / А.М.Брянцев (СССР). Опубл. 15.12.83. Бол.

й 46. - 3 с.: ил. - X. I. Брянцев A.M., Бродовой E.H., Мозжерпн B.II. О возможности применения магнитко-тиристорных регуляторов в схемах статических тпристорных компенсаторов // Ковач техника в электроснабжении промышленных предприятий: Сб. докл. -M., IS83. - С. 75-79. 9. Брянцев A.M., Мозжерин В. Н., Трофимов Г. Г. • Система управ-лош:я батарея:.^ конденсаторов в схеме электроснабжения предприятия с минимизацией перетоков реактивной мощности между узлам: нагрузок // Проектирование- и эксплуатация систем электроснабжения промышленных предприятий: Матер.

семинара. - М., 1984. - С. 67-69.

10. Ерянцев АЛЛ,, родовой E.H., Леонов И.И., ?.!озяерин E.H. Магнитно-тиристорный .регулятор реактивной мощности для энергетических систем // Исследование специальных электрических машин и мадшно-вентильных систем / Т1Ш. - 1984.

11. A.c. 1096708 СССР, кл. Н 01 Р 29/14; Н 01 0 3/18. Магнитный регулятор реактивной мощности / АЛл.Брянцев, В.Н.Моз-жерин (СССР). Опубл. 17.06.84. Бал. £21. - 3 е.:

ил. - I.

12. Ерянцев АЛ.!. Магнитно-тиристорный рогулятор реактивной мощности // Электротехника. - 1984. - JS 10. - С. 59-62.

13. A.c. II85255 СССР, гл. G Ol R 19/06. Датчик активного (реактивного) тока / А.М.Брянцев, Б.Н.Мозжерин (СССР). Опубл. 15.10.85. Бил. й 38. -4с.: ил. - 4.

14. A.c. II647S5 СССР, кл. И 01 Р 27/34; Н 01 Г 29/1. Эшст-роиндукционное устройство / А.М.Брянцев (СССР). Опубл. 30.06.85. Вол. Й 24. - 4 е.: ил. - 2.

15. Дрянцев АЛ.!., Кодовой Е. Н. Аппроксимация основной кривой намагничивания сильнонасыщенных' ферромагнитных устройств // Кзв. ВУЗов. Энергетика. - 1985. - Д 4. - С. 50-52.

16. Брянцоа А. U., Бродов ой E.H., Гордеев С. А., Мозаерин В.Н. Еагнитно-тиристорюе устройство дая компенсации реактивной моцности // Ферромагнитные устройства в энергетических системах /ЭШН. - IS35. - С. 75-84.

17. A.c. 1224946 СССР, кл. Н 02 Р 13/12. Устройство для управления однофазным реактором с подмагшчиваниеы. / А.М.Брян-

' цов, Е.Л.Бредовой, С.Л.Гордеев, В.НЛЛозжерин (СССР). Спубл. 15.04.86. Бол. & 14. - о е.: ил. - I. 16. Ерянцев Л.М., Бредовой E.H., Леонов К.И., Гордеез С.А. Спосоо коррекции формы кривой тока трехфазных управляемых ферромагнитных устройств // Изв. ВУЗов. Электромеханика. -1986. - J5 6. - С. 85-89.

19. Бряшдев А. 1.1. Дсдмагкичиваемые ферромагнитные устройства с предельны:.! насыщением участков магнитной системы // Электричество. - 1986. - & 2.

20. Ерлкцов А.',!., Бродовой E.H., Гордеез С.А., Леонов К.И. Констр^вдя и основные показатели магнптно-тирпсторного рег^л-ггора мощкость;э 25 :.!вар напряжением НО кВ // Качеств! и потери электроэнергии в электрических сетях / КазПТИ. -

1986. - С. II5-I24.

21. Воянцоз Л."., Моа-эргл З.Н., Соловьёв Г.П., Плеханов В.Л. Автоматический регулятор для управления мощностью конденсаторных установок предприятия // Промышленная энергетика. - ISS6. - Гл II.

22. A.c. 1278987, гл. Н 01 ? 29/14. ".Гагнитно-тпристорпый регулятор реактивной мощности / А.М.Бэянцев, Е.Н.Бродовой, С.А.Гордеев и др. (СССР). Опубл. 23.12.£6 . Вол. JS 47. -3 с.: пл. - 3.

23. Ерянцов А.М., Вродозой З.К,, Леонов И. И. Однофазный управляем;! реактор // Исследование специальных электрических малдн и машинно-вентильных систем / TIE. - 1987. -С. 49-54.

24. A.c. I4C000S СССР, кл. Н 02 Я S/08, 3/16. Устройство для измерения ёмкости сети под рабочим напряжением / А.М.Врян-цзв, Е.Н.Бредовой, Н.Д.Дарвин. Опубл. 15.05.89.

Бал. IG. - 3 е.: пл. - I.

25. A.c. 1494057 СССР, кл. Н 01 ? 29/14. Трехфазное магнитно-полупроводниковое устройство / А.!.1.Бряпцез, Е.Н.Бродовой, В.А.лраснсплЕцов. Опубл. 15.07.89. Еол. J3 26. - 3 с.:

пл. — j. 1

26. Ерянцов А. И. Основы теории Магнптяо-Боптплыгьзс управляемых реакторов с продольным насыщением магнитной цепи // Эффективность применения управляемых реакторов в энергосистемах: Тез. докл. - Л., 1939.

27. Врянцев А. IL, -Красноппвцез В. А. '."дтсматпческоо моделирование электромагнитных переходных процессов маиштно-веп-тильного управляемого реактора с предельны:.: насыщением магнитной цепи // Электрические гл^пш п аппараты /

- КазПГЛ. - IS89. - С. 16-19.

28. Вряпцев А.!.!., Вродовой S.U., Гордеев С.А., Леонов И.'Л., "оз^орлн В.К., Соловьёв Г.П., Благодыров З.й., Лысов S.A. ^агпитно-вонтплышй управляемый реактор для статического компенсатора реактивной мощности // Электротехника. -1990. - Ь 7. - С. 18-22.

23. Црянцев А.':.'.., Лис II.Д., Краснопивцев З.А., Глгчежссз U.A. Удтсматзческоо описание управляемого реактора магкигно-вептильного типа как элемента энергосистема в промышлеп-ных програ-.г^а:; расчета режимов энергосистем // Изв. ВУГоб.

Энергетика. - 1990. - & 8. - С. 43-45.

30. Еродовой Е.Н. | Врянцев A.M., Кльикг.чнпн В.В., Лис К.Д., !'озсер::н В.Н., Впситик О.А., Славин Г. А. Перспективы применения магнитно-вентильных управляемых реакторов'в энергетических системах // Электротехника. - 1991. - JS 2. -С. 2-4.

31. Ерякцев АЛ.'., Вродевой Е.Н., Гордеев С.А., Краснопив-цев З.А., Козяерин В.Н. Расчет основных характеристик фазы магнитно-вентильного управляемого реактора GO Ш«А 20 кВ // Электротехника. - 1991. - & 2. - С. 29-35.

32. Врянцев А.!.!. Основные уравнения и характеристики магнитно-вентильных управляемых решсторов с сильным насыщением магнитной цепи // Электротехника. - 1991. - .'5 2. - С. 24-28.

33. M.A.Biki, Е. li.Brodovoi, А« К. Bryant в ev, Yu.L.Chizhevsky, l.V.Ioiteo, A.I.Lurie. Electromagnetic process in highpower controlled reactors // International Symposium on electromagnetic Fields in electrical engineering. ISEP-91. England.

Подписано к печати 15.02.92 г. Заказ £ 124 Печ.Л.2,5 Тираж 100 Бесплатно.

СтпечЕтано нз ротапринте Алма-Атинского энеэгетического института, г, Алка-Ата ул.Космонавтов 126