Реакторы, регулируемые устройствами РПН электромеханического типа, созданы сравнительно давно [11], однако не получили распространения в силу ненадежности переключателя ответвлений обмотки и отсутствия соответствующих автоматических регуляторов.
Реакторы с РПН необходимы прежде всего для настройки компенсации в режиме однофазного замыкания на землю, когда требуются высокие быстродействие и качество регулирования.
С появлением в последние годы быстродействующей коммутационной аппаратуры, в том числе тиристоров, был предложен ряд конструкций ДГР со ступенчатым регулированием [37, 56]. Несмотря на то что опытные образцы таких реакторов находятся в стадии экспериментальной проверки, их основные параметры и характеристики определены.
Конструкция реакторов с РПН в части магнитопровода и обмоток не имеет особых отличий от реакторов, регулируемых ступенчато устройствами ПБН, изготовление их соответствует традиционной технологии трансформаторостроения.
Эксплуатационные и технические характеристики реакторов с РНП полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ДГР. Выбор числа ступеней регулирования с учетом приведенного выше соотношения (IX. 1) обеспечивает необходимую точность настройки компенсации.
Использование в регулирующем устройстве реактора сравнительно дорогостоящих тиристоров требует выбора наиболее экономичных схемных решений без ущерба для технических характеристик. В связи с этим возникает вопрос оптимизации конструкции реакторов с РНП, на котором остановимся подробнее.
Ранее в работах, посвященных созданию новых ступенчато-регулируемых ДГР, эти вопросы детально не рассматривались. Реактор, описанный в работах [37, 56], содержит N ключей, коммутирующих основную и регулировочную обмотки, последняя состоит из включаемых последовательно и согласно секций, каждая из которых с помощью двух ключей может включаться или выключаться из общей цепи (рис. 60). Число витков в регулировочной секции обмотки выбирается в соответствии с рядом чисел геометрической прогрессии со знаменателем, равным двум. Этому решению, несмотря на неоспоримые преимущества перед схемами без разделения обмотки на гальванически не связанные секции, присущи и определенные недостатки.
Рис. 60. Схема ДГР с регулировочной обмоткой, разделенной на секции, коммутируемые двумя ключами.
Рис. 61. Схема ДГР с регулировочной обмоткой, разделенной на секции для грубого (I), среднего (II) и точного (III) регулирования.
Реактор по работам [37, 56] имеет сравнительно узкие функциональные возможности в части регулировочной характеристики, обусловленные тем, что число ключей должно быть только четным и соответственно число ступеней регулирования выбирается из ряда чисел 2N/2.
Для обеспечения определенной глубины регулирования при заданной величине расстройки компенсации потребуется неоправданно большое общее число ключей и дополнительных секций регулировочной обмотки.
В работе [74] предложено более удачное решение, предусматривающее разделение ключей и регулировочной обмотки на три группы (рис. 61) для «грубого», «среднего» и «точного» регулирования индуктивного тока. Подход к решению задачи оптимизации схемы ступенчато-регулируемого ДГР основан на правильных, по нашему мнению, предпосылках, однако число ключей в регулировочных группах и витковые соотношения строго не обоснованы.
В соответствии с методикой оптимизации трансформаторно ключевых структур [46], применимой к широкому классу исполнительных дискретно-регулируемых устройств, задача формулируется так: каким образом следует разделить на группы определенное число коммутационных элементов, чтобы получить максимум ступеней регулирования?
Введем следующие обозначения: N — общее число ключей; q — число групп, на которые разделены ключи и соответственно число секций в регулировочной обмотке реактора; ni — число ключей в ί-й группе; S и si — соответственно общее число ступеней переключения и число ступеней, реализуемых в i-й группе.
При последовательном соединении регулировочных групп общее число ступеней переключения о равно произведению всех Si, а общее число ключей N равно сумме ni, т. е.
Полагая число ключей в каждой группе одинаковым и учитывая то, что каждый ключ коммутирует одно ответвление, имеем
Величина л, соответствующая максимуму S, определяется из выражения
откуда п = е = 2,73, ближайшее целое п = 3.
Таким образом, разделение ключей на группы по три (N = 3i, где i=l, 2, 3, ...) обеспечивает максимум ступеней регулирования индуктивности реактора (рис. 62,а). Если необходимо оптимально разделить число ключей, не кратное трем, то в случае N = 3i — 1 в последней регулировочной группе следует оставить два ключа (рис. 62, б), а при N=3i+l в двух последних секциях — по два ключа (рис. 62, в).
Перечисленные случаи исчерпывают оптимальные варианты распределения ключей на группы для ступенчатого регулирования. Для наглядности укажем, что схема, представленная на рис. 60, при шести ключах имеет восемь ступеней переключения, а схема, приведенная на рис. 62, а, при тех же шести ключах имеет девять ступеней переключения. Преимущественно возрастает по мере увеличения числа ключей.
Важнейший параметр переключающего устройства — коэффициент использования ключей ξ, определяемый отношением числа ступеней регулирования к общему числу ключей, в описанном здесь техническом решении является максимально возможным. Для схем, показанных на рис. 62 и 60, соответственно имеем
Рис. 62. Оптимизированные схемы ДГР с регулировочной обмоткой, разделенной на секции, коммутируемые тремя ключами (а), одной (б) или двумя (в) секциями, коммутируемыми двумя ключами.
При прочих равных показателях уменьшение числа коммутационных элементов помимо чисто экономических выгод дает и существенные технические преимущества: уменьшаются масса и габариты реактора в целом; уменьшаются активные потери и установленная мощность тиристорного переключающего устройства; уменьшается суммарное падение напряжения на тиристорном переключающем устройстве и соответственно улучшаются условия работы автоматических систем настройки ДГР при малых напряжениях несимметрии электрической сети.
Важное значение для оптимизации схемы ДГР имеет правильный расчет витков в регулировочных секциях обмотки. Использование принципа выбора витков на основе геометрической прогрессии со знаменателем, равным двум [37, 56] или трем [46], не является оптимальным для схем регулирования индуктивного тока, так как не учитывает обратноквадратичную зависимость между током и числом витков обмотки реактора
(IX.2)
где Ιi и Wi — ток и витки обмотки, соответствующие i-й ступени регулирования; А — постоянный коэффициент пропорциональности (А-вит2.), учитывающий конструктивные особенности выполнения обмотки, взаимоиндукцию между секциями и пр.
Для нахождения числа витков в основной и регулировочной секциях обмотки сопоставим ряд (IX.1), определяющий необходимую регулировочную характеристику реактора, и ряд витков, реализуемый оптимальной схемой (см. рис. 62, а), в соответствии с уравнением (IX.2):
Как видно из ряда (IX.3), в общем случае число витков каждой регулировочной подсекции wm может принимать несколько значений. Однако приемлемыми являются только те из них, которые не противоречат условию: расстройка компенсации при переключении на соседнюю ступень регулирования не должна превышать заданное значение v. Это условие соблюдается, если для определения ωm последовательно берется то из уравнений ряда (IX.3), в котором конкретная величина wm встречается первый раз. Например, ω1 определяется из второго уравнения, ω3 — из четвертого.
Таблица 4. Основные характеристики оптимизированного ступенчато-регулируемого ДГР
Поскольку реально допустимая величина расстройки компенсации v<1, используя известное соотношение
(IX.5)
с достаточной для инженерных расчетов точностью получаем выражение для общего члена ряда (IX.4)
(IX.6)
В качестве примера приведем расчетные данные для реактора (см. рис. 62, а) с шестью коммутаторами, схема которого аналогична ДГР типа ЗРОМ или РЗДСОМ. Несложная даже для условий электросетевого предприятия реконструкция позволит устранить упомянутые недостатки ЗРОМ (см. параграф 1 настоящей главы).
В соответствии с рядом (IX.4) получим следующие относительные значения витков регулировочных секций обмотки (в долях полного числа витков): ω0 = 0,7067,
ω1= 0,0345, ω2 = 0,0362, ω3 = 0,1086 и ω4 = 0,1140 для основной обмотки, первой, второй, третьей и четвертой подсекций.
Рис. 63. Зависимости глубины регулирования индуктивности ДГР от числа секций обмотки, ключей и ступеней регулирования при V, равном 0,05 (1), 0,03 (2) и 0,01 (3).
В табл. 4 для каждой ступени регулирования приведены комбинации включения коммутаторов, суммарное число витков основной и регулировочной обмоток, ток и предельная расстройка компенсации.
Как видно из табл. 3, в процессе регулирования расстройка компенсации не остается постоянной, однако никогда не превышает заданной величины (5%). При разработке оптимального ступенчато-регулируемого реактора важно иметь обобщенную расчетную формулу, связывающую основные его параметры: максимальную мощность или ток; отношение предельных токов или кратность (глубина) регулирования; максимальную величину расстройки компенсации; число регулировочных секций или соответственно коммутационных элементов.
Максимальный ток реактора однозначно определяется числом витков основной обмотки.
Последовательным суммированием членов ряда (IX.6) получаем ряд для величин глубины регулирования Г, общий член которого с учетом (IX.5) имеет вид
(IX .7).
Выражение (IX.7) учитывает изменение величины расстройки компенсации в процессе ступенчатого регулирования. На рис. 63 представлены ступенчатые кривые, построенные по этой формуле для реальных значений расстройки компенсации v, глубины регулирования Г, числа секций обмотки т и соответственно числа ключей N и ступеней регулирования S, пользуясь которыми можно выбрать оптимальную для конкретных условий схему реактора.
Сравнение известных и рассмотренных в дайной главе новых схем ступенчато-регулируемых ДГР по основным параметрам (отношению предельных токов (глубине регулирования); точности регулирования; числу коммутационных элементов; коэффициенту использования коммутационных элементов) показывает неоспоримые преимущества последних.
