Силовая электроника №4'2011

Управляемые дроссели и реакторы с совмещенными стержнями-обмотками

Казаков Владимир

Казаков Олег


В связи с началом производства калиброванной эмалированной ленты из тонкой фольги электролитического железа (ООО «Элекромашина», г. Кемерово) становится возможным серийное производство электрических машин и других электромагнитных устройств с совмещенными стержнями-обмотками с применением этого материала. Описанная в [1, 2] конструкция новых сверхкомпактных устройств с совмещенными ферромагнитными стержнями-обмотками, когда стержни сердечника одновременно выполняют функции всех или одной из обмоток, обеспечивает двукратное уменьшение их массо-габаритных показателей, потерь энергии, себестоимости, а также, благодаря снижению бросков тока перемагничивания, повышенную надежность. Характеристики нового магнитно-мягкого материала: максимальная магнитная индукция Bmax = 2,1 Тл; относительная магнитная проницаемость μ выше 240 000–500 000; удельное сопротивление ρ = 0,093 мкОм·м; толщина фольги dж = 5–50 мкм.

Наиболее простая в исполнении конструкция электромагнитных устройств с совмещенными стержнями-обмотками (трансформаторов, автотрансформаторов, реакторов, дросселей, статоров и якорей электрических машин) имеет несимметричный токоотвод от внутренней клеммы каждого стержня-обмотки [12]. Этот провод охватывает вертикальное сечение стержня-обмотки, и поэтому кроме электромагнитной системы, которую назовем рабочей согласно направлению рабочего магнитного потока, или параллельной, образуется также нежелательная электромагнитная система, перпендикулярная рабочей. На рис. 1 схематично показана конструкция реактора с совмещенными ферромагнитными стержнями-обмотками. При оптимальных конструкциях эффективное сечение перпендикулярной магнитной цепи Sc⊥ больше, чем эффективное сечение рабочей магнитной цепи Sc||, а эффективная длина lc⊥, равная средней длине окружности рабочего сечения стержня-обмотки, меньше, чем эффективная длина рабочей магнитной цепи lc||. Поэтому перпендикулярная магнитная цепь более чувствительна к охватывающим ее ампер-виткам, т. е. при одинаковых значениях ампер-витков (∑IN) напряженность намагничивающего поля в перпендикулярной магнитной цепи будет больше:

 Основные компоненты активного элемента управляемого реактора с ферромагнитным сердечником

Рис. 1. Основные компоненты активного элемента управляемого реактора с ферромагнитным сердечником: a) общий вид; б) вид в вертикальном разрезе; c) вид сверху без ярем (1 — стержни-обмотки; 2 — ярма; 3 — силовые выводы стержней-обмоток; 4 — размагничивающие витки перпендикулярной электромагнитной системы; 5 — выводы управления размагничивающими витками; 6 — инвертор слоев, обеспечивающий транспозицию слоев стержней-обмоток; 7 — диэлектрический зазор магнитной цепи реактора)

Если при работе ферромагнитного материала создаются условия его намагничивания как в условно-параллельном, так и в перпендикулярном ему направлении, то с учетом взаимного влияния векторов магнитных проводимостей перпендикулярной и параллельной магнитных цепей выявляется следующая связь между значением полной относительной магнитной проницаемости μ и значениями ее проекций μ|| и μ на параллельное и перпендикулярное направления: μ|| = (μ2–μ2)1/2.

Ток I1⊥ электрической цепи перпендикулярного намагничивания равен первичному току I1|| электрической цепи рабочей электромагнитной системы, включенной последовательно с ней, и, в основном, ограничен полным электрическим сопротивлением x1|| цепи рабочей электромагнитной системы, на порядок превышающим полное электрическое сопротивление x1⊥ цепи перпендикулярного намагничивания. В устройствах преобразования электрической энергии, например в новых трансформаторах с низкими потерями, ток I1⊥ равен току Iμ намагничивания сердечника или приблизительно равен току Iхх холостого хода, а в новых дросселях и реакторах — рабочему току. Поэтому возникающее питание электрической цепи перпендикулярного намагничивания, присущей электромагнитным устройствам с совмещенными стержнями-обмотками, осуществляется от источника тока, параметры которого являются параметрами электрической цепи рабочей электромагнитной системы. Следовательно, введение в перпендикулярную систему короткозамкнутых витков с минимальным сопротивлением, что обеспечивает в этих витках полный ток I2⊥I1⊥, снизит перпендикулярное намагничивание сердечника до минимума. В устройствах, где перпендикулярное намагничивание нежелательно, например в трансформаторах, для полного устранения нежелательного перпендикулярного намагничивания стержня-обмотки устанавливается нерегулируемый короткозамкнутый виток с минимальным омическим сопротивлением. Перпендикулярное размагничивание в таких устройствах обеспечивает высокую магнитную проницаемость сердечника в направлении рабочего магнитного потока, т. е. малый ток холостого хода и низкие электрические потери устройства.

Однако возможность регулирования цепью перпендикулярного намагничивания представляет интерес для использования этого явления в компактных управляемых дросселях и реакторах с ферромагнитным сердечником. Регулирование сопротивлением цепи вторичных размагничивающих витков или обмоток перпендикулярного намагничивания, гальванически развязанных от рабочих электрических цепей реактора, обеспечивает более чем десятикратный диапазон изменения сопротивления дросселя или реактора. При проектировании необходимо учитывать, что для обеспечения оптимальных режимов работы переключающих или плавно регулирующих схемных компонентов в электрических цепях перпендикулярной электромагнитной системы, например контактных узлов, транзисторов, симисторов и тиристоров (триаков), требуется подобрать достаточное целое количество размагничивающих витков (т. е. N2⊥≥1), которое обеспечивало бы оптимальное напряжение между выводами этих компонентов.

Очевидно, вводимые размагничивающие КЗ-витки относятся к перпендикулярной электромагнитной системе, т. е. находятся в плоскости продольного сечения сердечника, не пронизываемой рабочим магнитным потоком Ф|| трансформатора, реактора или иного устройства новой конструкции, не охватывают этот магнитный поток и не оказывают на него прямого влияния. Введение КЗ-витков в рабочую электромагнитную систему в плоскости поперечного сечения сердечника, пронизываемой рабочим магнитным потоком Ф||, вызвало бы рост первичного рабочего тока I1|| устройства. В отличие от этого ток I1⊥ перпендикулярной магнитной системы ограничен параметрами рабочей электромагнитной системы, включенной последовательно с ней, и не может быть больше I1||. Аналогично рассмотренному в [34] методу, наведенный ток I2⊥ размагничивающих КЗ-витков перпендикулярной электромагнитной системы уменьшает ее полный ток ∑I = (I1⊥N2⊥I2⊥), снижая намагниченность сердечника в направлении, перпендикулярном Ф||. Это увеличивает магнитную проницаемость μ|| сердечника в направлении потока Ф||, увеличивая его индуктивность xL = x1||, и, следовательно, даже уменьшает ток I1|| = I1⊥.

Введение цепи перпендикулярного управления питаемой синхронным переменным током индуктивностью электромагнитного устройства наведенным током от внутреннего токоотвода стержня-обмотки вызвано конструктивной необходимостью. Это не усложняет конструкцию устройства, а предоставляет при необходимости возможность, например, линеаризации входных и проходных ВАХ устройства путем подключения нелинейных или управляемых коммутирующих компонентов к выводам введенных витков перпендикулярного размагничивания и может быть использовано при создании измерительных и силовых прецизионных схем.

Наиболее полно влияние перпендикулярного намагничивания на рабочую магнитную проницаемость μ|| сердечников рассмотрено в [56]. Однако введение цепей управления индуктивностью перпендикулярным магнитным полем в этих электромагнитных устройствах привело к существенному усложнению конструкции их сердечников, обмоток и схем питания по сравнению с обычными трансформаторами и реакторами.

Расчет сопротивления электрической цепи перпендикулярного размагничивания ферромагнитных сердечников электромагнитных дросселей и реакторов

Уменьшение полных ампер-витков ∑I = = (I1⊥N2⊥I2⊥) перпендикулярного намагничивания, т. е. магнитной напряженности Н = ∑I/lc⊥, уменьшает индукцию B перпендикулярного магнитного поля, что эквивалентно пропорциональному уменьшению относительной магнитной проницаемости μ. Согласно упомянутому выше ограничению тока I1⊥, на первой стадии расчета полагается, что I1⊥ = I1|| = Inom = const. Тогда для синусоидального напряжения сети управляющий размагничивающий ток будет равен:

где ЭДС — ЭДС электрической цепи перпендикулярной системы, полное электрическое сопротивление x2⊥ которой на первом этапе расчетов принимается равным резистивному сопротивлению r2⊥:

Уравнение (1) позволяет оценить параметры компонентов управляющей силовой схемы.

Независимо от уравнения (1), полагая равноправность рабочей и перпендикулярной электромагнитных систем, определяем приблизительное значение относительной магнитной проницаемости сердечника в перпендикулярной электромагнитной системе (рис. 2):

 Соотношение составляющих магнитной проницаемости

Рис. 2. Соотношение составляющих магнитной проницаемости в ферромагнетике (μ|| — относительная магнитная проницаемость в направлении рабочего магнитного потока; μ — относительная магнитная проницаемость в перпендикулярном направлении; μ — относительная магнитная проницаемость вдоль спирали полного магнитного потока в стержне-обмотке: μ = (μ||22)1/2, при предварительном расчете μ считается константой)

Индуктивное сопротивление дросселя или реактора будет изменяться согласно уравнению:

где: L|| — индуктивность дросселя или реактора; N* — эффективное (кажущееся) количество рабочих витков.

Эффективное количество рабочих витков N* из-за неполного охвата рабочего магнитного потока витками совмещенных стержней-обмоток отличается от реального количества N витков этих стержней-обмоток и определяется формулой [2]:

где: Dint — диаметр осевой полости стержня-обмотки; Dext — наружный диаметр рулона стержня-обмотки.

Приведем в качестве примера результаты расчета регулируемого реактора с ферромагнитным сердечником. Параметры реактора: xL = 2 Ом; Iном = 250 А; напряжение сети U = 10 кВ; частота сети f = 50 Гц. Параметры материала стержня-обмотки: Bmax = 2,1 Тл; относительная магнитная проницаемость μ = 240 000; удельное сопротивление ρ20 °С = 0,093 мкОм•м; коэрцитивная сила Hc = 0,5 А/м; остаточная индукция Bs = 0,1 % от Bmax.

Благодаря контейнерной изоляции с направленным конвективным охлаждением не требуются большие воздушные изоляционные зазоры в конструкции, поэтому вес нового реактора составляет менее половины от веса подобных неуправляемых реакторов обычной конструкции, т. е. не превышает 67 кг. Напряжение на ключах управления изменяется в диапазоне 40–5 В при изменении управляющего размагничивающего тока от 0 до 250 А. Это позволяет регулировать сопротивление реактора от 0,5 до 5 Ом.

Выводы

  • Благодаря применению нового материала достигается существенное двукратное уменьшение размеров и потерь управляемого дросселя или ректора.
  • Гальванически изолированная цепь управления реактора, не усложняя конструкцию устройства, позволяет использовать недорогие силовые компоненты для регулирования в широком диапазоне значения индуктивности дросселя или реактора.

Литература

  1. Казаков В. В. Еще раз о преимуществах MTS-трансформаторов // Компоненты и технологии. 2006. № 11.
  2. Вафин Ш. И., Казаков О. В., Казаков В. В., Немцев Г. А. Новые классические трансформаторы с оптимизированной блочной конструкцией. Описание и теоретическое обоснование // Энергетика Татарстана. 2008. № 4(12).
  3. А. с. № 1347025 (РФ), кл. G 01 R 19/00 Преобразователь тока в напряжение / Е. В. Сидиряков, Ю. Я. Лямец, В. Н. Козлов // Бюл. 1987. № 39.
  4. Патент № 2067330 (РФ), кл. H01F27/36, H01F38/22 Преобразователь тока в напряжение / Е. В. Сидиряков, В. Ф. Ильин, Ю. Я. Лямец // Бюл. 1996.
  5. Розенблат М. А. Магнитные усилители. М.: Советское радио. 1956.
  6. Дроздов А. Д. Электрические цепи с ферромагнитными сердечниками в релейной защите. М.: Энергия. 1965.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_04_10.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо