6.2 Реакторы

Реакторы представляют собой накопители электромагнитной энергии. На э. п. с. переменного тока применяют сглаживающие и переходные реакторы, индуктивные шунты в цепях ослабления возбуждения тяговых двигателей, на э. п, с. постоянного тока, кроме индуктивных шунтов — реакторы для устранения радиопомех, иногда реакторы для ограничения токов к.з.

Сглаживающие реакторы. Эти реакторы представляют собой инерционное звено в системах пульсирующего тока; они ограничивают переменную составляющую тока, снижают коэффициент его пульсации . Для получения необходимого значения индуктивность реактора на один тяговый двигатель

(6.2)

где — коэффициент пульсации напряжения, сравнительно стабиль¬ный при неуправляемых вентилях преобразователя: — выпрямленное напряжение в режиме холостого хода; — угловая частота основной гармоники тока; — индуктивность тягового двигателя почти постоянная при постоянном ослаблении возбуждения.

Если для каждой ступени регулирования напряжения const, зависимость имеет характер гиперболы. Как известно, динамическая индуктивность L = wdФ/dI.

Из уравнения (6.2) следует, что индуктивность реактора зависит от напряжения и при его ступенчатом регулировании на каждой ступени реактор должен был бы иметь различные характеристики, что сложно обеспечить. Поэтому стремятся получать характеристики вида const в возможно более широком диапазоне тока и без чрезмерного повышения массогабаритных показателей. Для электровозов наиболее целесообразна конструкция, приведенная на рис. 6.6, г, при которой можно регулировать воздушные зазоры, изменяя расстояние l, и тем самым изменять характеристики.

В качестве примера рассмотрим реактор типа РС-32 (рис. 6.7) электровоза ВЛ с радиально шихтованным сердечником. Сердечник 5 изолирован снаружи стеклопластиком толщиной 7 мм. Обмотка 2 намотана на узкое ребро, зазор между витками 4 мм. Сердечник и обмотка скреплены торцовыми гетинаксовыми плитами 1 с помощью четырех боковых шпилек 3 и одной центральной 4 из дюралюминия. Площадь поперечного сечения сердечника Sc определяется в зависимости от показателя При радиальной шихтовке, с ,

где ; — ширина шихтуемых листов стали, см; = 0,05см — их толщи-ил: — число листов каждого вида.

Число витков обмотки

(6.3)

где k 1,5 1,6 — коэффициент, зависящий от компоновки магнитной системы реактора; — индуктивность при номинальном режиме, мГн.

Длина сердечника определяется из условий размещения обмотки. Для снижения массы в торцах сердечников рассматриваемого типа иногда делают конические углубления, удаляя неактивную часть стали. Статическая или начальная индуктивность, т. е. индуктивность, создаваемая только потоками рассеяния, мГн,

.

где — средний диаметр обмотки, см (рис. 6.8); коэффициенты, зависящие соответственно от длины катушки и ее диаметра — коэффициент, учитывающий толщину намотки; 1 1,1—коэффициент, учитывающий влияние радиальной шихтовки сердечника.

Рис. 6.6 Магнитные системы сглаживающих реакторов:

а – двухстержневая; б – броневая; в – броневая с разомкнутыми внешними магнитопроводами; г – разомкнутая с регулируемым расстоянием l

Рис. 6.7 Общий вид сглаживающего реактора СР – 32 (а), схема радиальной шихтовки (б) и характеристика реактора (в)

Рис. 6.8 Расчетные размеры (а) и зависимости коэффициента от отношения размеров (б) при :

1 – а=0; 2 – а=1; 3 – а=2; 4 – а=3

Значение коэффициента , рассчитывают но формуле (размеры по рис. 6.8, а):

Значение определяют по кривой на рис. 6.8, б:

Эквивалентная длина воздушного зазора для рабочего магнитного потока реактора

Падение м.д.с. в этом зазоре и в сердечнике соответственно:

где В — магнитная индукция в стали сердечника; — зависящая от В магнитная напряженность.

М.д.с. и ток I в сердечнике зависят от индукции:

.

Задаваясь значениями В, можно получить магнитную характеристику реактора В(I), а по ней и динамическую индуктивность

, (6.4)

где В, — соответственно конечные приращения индукции и м. д. с. Переход к конечным приращениям необходим, так как нет точного математического описания магнитной характеристики. С приращением тока от до связаны граничные значения и приращения

.Зная их, можно по уравнению (6.4) определять значения относя их к средним значениям тока .

При полном насыщении стального магнитопровода индуктивность, мГн,

.

Для реактора РС-32 (а также для РС-52) расчетная характеристика, скорректированная по опытным данным, приведена на рис. 6.7, е. Возможность исполнения реактора по условиям нагревания обычно определяют исходя из удельной тепловой нагрузки где — мощность потерь продолжительного режима. Для сглаживающих реакторов обычно определяют только мощность электрических потерь в обмотках, Вт,

,

где — поперечное сечение проводника обмотки, м . Площадь , зависит от конструкции обмотки. В рассматриваемом случае

.

где — толщина медного проводника обмотки; — высота проводника, закрытая изоляцией.

При воздушном охлаждении

,

где , — соответственно температура и превышение температуры охлаждающего воздуха; — скорость воздушного потока, м/с.

Переходные реакторы. Такие реакторы предназначены для предотвращения к. з. секций обмотки трансформатора при ступенчатом регулировании напряжения на его вторичной стороне, а также для распределения тока между контакторами. Процесс переключения напряжения с до пояснен на рис. 6.9. Напряжение .

На этапах I и V переходный реактор ПР выполняет функции делителя напряжения: его активное сопротивление снижает влияние неравномерности переходных сопротивлений , контакторов, иключенных параллельно , iдо — активное сопротивление реактора.

Рис. 6.9 Последовательность переключения выводов трансформатора

Так как , ток практически делится между контакторами пополам. На этапах II и IV включается Лишь одно из плеч переходного реактора, и он создает некоторое дополнительное падение напряжения в цепи. На этапе III секция обмотки трансформатора с напряжением замыкается на переходный реактор; в образовавшемся контуре ток , где — э. д. с. замкнутой секции; , — полные сопротивления соответственно секции обмотки трансформатора и реактора.

Активная составляющая сопротивления не должна быть велика, так как от нее зависят электрические потери. Поэтому желательно увеличивать реактивную составляющую , особенно в начальный момент замыкания контура, когда реактор перемагничивается. Для получения высокой начальной индуктивности, от которой зависит , необходим безынерционный реактор, т. е. у него не должно быть стального сердечника. Именно такие реакторы применяют па отечественных электровозах. Индуктивность реактора, мГн,

L = 0,32 .

где — число витков катушки; R — средний радиус обмотки, см; h — высота шины, см; с — толщина намотки, см.

В качестве примера рассмотрим переходный реактор тина ПРА-ЗА (рис. 6.10), который составлен из двух реакторов (для обоих плечей обмотки), размещенных один над другим в одном блоке.

Рис. 6.10 Переходный реактор ПРА-3А (а) и схема соединения его обмоток (б)

Каждый из них состоит из четырех катушек 2 с зазором между витками 8 мм. Катушки скреплены каждая восемью бандажами из стеклоленты. Все изоляционные материалы класса F; реакторы пропитаны лаком. Для снижения потоком рассеяния в торцовых частях каждого реактора установлены экраны 4. Весь комплект установлен на плите 5 и прикреплен к пей шпильками 3. Сверху реактор закрыт пластиной 1.

Каждый реактор рассчитан на напряжение в цепи 146 В и напряжение изоляции 1,5 кВ; действующее значение тока 1270 А. Индуктивное сопротивление реактора 0,12 Ом, охлаждение реактора естественное.

При совместном расположении реакторов обоих плеч трансформатора между обмотками возникает взаимная индуктивность, увеличивающая их индуктивность:

где — число витков взаимодействующих катушек; — взаимная индуктивность между средними витками рассматриваемых катушек, мкГн:

;

где — коэффициент взаимной индуктивности, зависящий от расстояния между катушками, а также соотношения токов в них, т. е. от особенности мнимы регулирования напряжения.

Индуктивные шунты. Их используют для ослабления возбуждения тяговых двигателей, т. е. для ограничения чрезмерного вытеснении тока в цепь, шунтирующую обмотку возбуждения при неустановившихся режимах. Появляющиеся при этом толчки тока должны быть

где — номинальный ток двигателя; > 2 — коэффициент его конструктивной перегрузки.

Это условие выполняется при

где , — индуктивность соответственно шунта и обмотки возбуждения. — число последовательно включенных шунтируемых обмоток возбуждения; к= 0,6 0,7 — для электровозов, к = 0,6 0,8 — для электровозов.

Если используют только одну ступень ослабления возбуждения только одно значение коэффициента регулирования возбуждения (I), то желательно, чтобы магнитные характеристики шунта и дипгателя Ф (I) были подобны. При нескольких значениях необходима широкая зона токов, при которых постоянна индуктивность т. с. следует применять реакторы с большим воздушным затвором. Поэтому индуктивные шунты чаще всего выполняют с разомкнутыми и с Н-образными магнитными системами (рис.6.11). Чтобы не ограничивать наименьшее значение коэффициента необходимо иметь следующее соотношение между активным сопротивлением индуктивного шунта и обмоток возбуждения:

. (6.5)

Ток, на который рассчитывают индуктивный шунт, устанавливают исходя из анализа режимов продолжительного использования ослабления возбуждения в условиях эксплуатации. Если таких данных нет, то за расчетный принимают ток

Индуктивные шунты с разомкнутой магнитной системой, крестообразной или радиальной шихтовкой сердечника рассчитывают так же, как сглаживающие реакторы подобного типа. Условие (6.5) обычно выполняют, принимая для обмотки плотности тока не выше 2—2,5 А/м . Корректировка сопротивления в реакторах этого типа обычно затруднений не вызывает.

В магнитной системе Н-образной формы (рис. 6.11, б) необходимую площадь поперечного сечения сердечника определяют так же, как для сглаживающих реакторов; при квадратной форме сечения сердечника его сторона а = . По уравнению (6.3) определяют необходимое число витков обмотки w. Задаваясь плотностью тока А/м , а также коэффициентом заполнения обмоточного пространства , определяют общую площадь сечения меди и обмоточном пространстве и необходимую площадь его поперечного сечения Q, с .

Рис. 6.11. Индуктивные шунты типа ИШ-84 (а) с разомкнутым магнитопроводоми типа ИШ-406Д с Н-образным магнитопроводом (б):

1 - катушка, намотанная по спирали из двух алюминиевых шин (площадь сечении 8X60 ); 2 - цилиндр изоляционный; 3 - пластина асбестоцементная; 4 – экраны - пакеты электротехнической стали толщиной 0,5 мм; 5 - шпильки из дюралюминии; 6 - угольник; 7 - сердечник: 8 - прокладка

Обычно принимают b (1,9 2,0)a, соответственно воздушный зазор

2Q/(b — а) (2,0 4- 2,2) Q/a.

Для выбранной обмотки определяют среднюю длину витка , и ее сопротивление . При необходимости значение корректируют, изменяя площадь сечения проводника или форму обмоточного пространства, т. е. .

Начальная индуктивность

.

где , — индуктивность соответственно воздушного зазора и боковая. ( , — соответствующие магнитные проводимости; 1,2 1,3 — коэффициент магнитного рассеяния.

Исходя из размеров магнитопровода получим:

(0,45 0,5) (1,9 2) .

Основное значение имеет проводимость воздушного зазора. Боковая производимость зависит преимущественно от отношения толщины полки упорного угольника (если он стальной) к толщине f норма магнитопровода. При немагнитных угольниках боковая проводимость невелика, но она может существенно возрастать, что дает но , подбирая их, получить необходимую начальную индуктивность. Для определения динамической индуктивности выполняют обычный электромагнитный расчет системы и определяют ее по отношениям приращений или .