专利名称：磁控式可控电抗器的制作方法
技术领域：
本实用新型是电网中进行无功补偿的一种新型电气设备。
电力系统中进行无功补偿时所采用的最主要方式是进行电容器的投切，其投切的容量不是连续可调的，尤其是在高电压领域，因为造价高昂，电容分级投切的级数很少，无功功率的控制精度几乎没有，并且投切电容还产生很大的涌流，给它的实际应用带来很大的不便。目前采用的无功容量可以连续调节的装置是静止无功补偿器，它的控制器的电压等级与电抗器的电压等级是相同的，造价昂贵，且采用可控硅产生很大的谐波，需要另外增加一套滤波器来滤除谐波，总之是占地很大，控制很复杂，价格更是昂贵，从而影响了它的广泛使用，电网无功补偿中多数采用的还是电容投切的方式。
电网白天和晚上之间负荷变化很大，白天负荷高峰时容性无功缺口很大，而到了晚上由于线路本身可以产生无功，甚至会发生需要补偿感性无功的情况。现在电力系统中高压电容的投切一般为两级或四级，且实现自动投切比较困难，这是因为投切产生太大的冲击涌流，对投切开关及电容的损害都比较大，一天多次投切，开关的寿命有限，采用国外进口的专用开关，价格又十分昂贵，同样也存在寿命问题，一般都不自动投切，而是采用人工投切的方式。现在无人值守的变电站越来越多，无功补偿电容的投切是他们面临的一个非常棘手的问题。采用两级或四级投切，其无功容量的控制精度也几乎无从谈起，这些当然都会增加网损、降低电网运行的质量。
可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的。随着高磁感应强度及低损耗的晶粒取向钢带和高磁导率、高矩形系数的坡莫合金材料的出现，磁放大器以及饱和电抗器的理论及应用达到一个新水平，并且已引入到电力系统。普通磁饱和电抗器的主要缺点是控制直流的改变会导致结成三角形线圈内部电流的变化，过渡过程时间取决于三角形线圈时间常数，其数值较大，使响应时间变慢，无法满足快速调节的需要；另外就是有效材料消耗(3.0kg/kVA)和有功损耗(1.0％)较大，一般不可控的铁芯电抗器的有效材料消耗及有功损耗分别只有0.8kg/kVA和0.5％。由于这些缺点使传统的可控电抗器的推广应用受到了限制。俄罗斯曾提出可控电抗器“磁阀”的概念，并随后实现了绕组(工作绕组、控制绕组、补偿绕组)布置的全新结构设计与样品研制，使可控电抗器的发展有了一定的进展。但这种电抗器的致命弱点是为保证只有较小截面的磁阀段始终处于饱和，而其余部分不饱和，势必要增加其余部分铁芯截面的面积，使电抗器的有效材料用量增多，成本较高，且损耗增加、噪音增大。
本实用新型就是针对上述情况，以容量连续可调、减少谐波噪音、成本最低为目标研制的一种磁控式可控电抗器。
附
图1为三柱式可控电抗器的结构示意图附图2为四柱式可控电抗器的结构示意图附图3为四柱式交流激磁磁通路径(电源正半周时)附图4为四柱式交流激磁磁通路径(电源负半周时)附图5为四柱式直流激磁磁通路径(电源正半周且T1导通时或电源负半周且T2导通时)附图6为三柱式交流激磁磁通路径(电源正半周时)附图7为三柱式交流激磁磁通路径(电源负半周时)附图8为三柱式直流激磁磁通路径(电源正半周且T1导通时或电源负半周且T2导通时)附图9为磁控式可控电抗器控制原理框图附图10为可控电抗器控制系统原理接线总图本实用新型分为电抗器本体和控制电路两部分。电抗器的本体如图1和图2所示，采用的是对称的结构，其目的是保证在任何情况下磁路都是完全对称的，可以消除由磁路不对称所造成的损耗增加、噪音增加的不良影响；电抗器是单相电抗器，为三柱或四柱式结构，其中有两个分裂的铁芯柱，三柱式结构分裂铁芯柱在两边，中间为导磁用的铁芯柱；四柱式结构两分裂铁芯柱在中间，两边各有一个导磁用的铁芯柱。在各类可控电抗器中，磁阀式的其分裂铁芯柱上有一段或多段凹进去的部分，磁饱和主要集中于这部分，由于饱和过于集中，在大容量时制造起来有一定的难度；磁控式的则没有凹进去的部分，分裂铁芯柱上下的截面积是相同的，即饱和在整个分裂铁芯柱上都发生，铁芯截面积可以是完全相同的，也允许制造上有偏差，但分裂铁芯柱其最小处的截面积与最大处的截面积之比应该大于80％。每个分裂柱上都装有两个带中间抽头的绕组，四个绕组分别称为左上、左下、右上、右下绕组，每个绕组的三个出线编号为1、2、3，1为上出线，3为下出线，2为中间抽头，总共有12个出线端。其中左上1和右上1相连，左下3和右下3相连，分别接到单相交流电源的两端。左上3和右下1相连，并接到续流二极管的正极。右上3和左下1相连并接到续流二极管的负极。左上2接正向可控硅的正极，左下2接正向可控硅的负极；右上2接反向可控硅的负极，右下2接反向可控硅的正极。其中的可控硅、续流二极管及触发控制电路构成了可控电抗器的控制部分，通过控制可控硅的导通角就可以控制电抗器本身的直流磁通，从而就可以控制电抗器的容量。
电抗器可以为三柱式结构，也可以为四柱式结构，三柱式结构在工艺与成本方面有一些优势。对三柱式或四柱式结构，导磁铁芯柱、轭部可以设计为饱和的，以便为电抗器的容量做贡献，也可以设计为不饱和的，以减少饱和所带来的损耗的增加，所以导磁铁芯柱和轭部的截面积与分裂铁芯柱的截面积可以是相近的，也可以在一定的范围内变化，其中最小的截面积与最大截面积之比要大于50％，以在成本与损耗之间找一个合理的折中。
分裂铁芯柱上的绕组，其中间抽头部分的匝数与总匝数之比并不是5％不变的，而是随电压的变化而变化的，以保证绕组中的最大直流电流幅值与交流电流有效值相近，为最有效地利用材料，绕组中的最大直流电流幅值与交流电流有效值误差应在20％以内。
本实用新型在原来磁阀式电抗器的基础上进行了改进，其最显著的特点是可以减少材料的使用率，从而可以显著的降低成本；将饱和段加长可以避免磁力线在局部段过于集中的缺点，可以显著地降低振动和噪音，并且其容量调节范围宽、结构简单、成本较低，从空载到满载的调节率均可达到90％以上，可直接接于超高压线路侧。由于磁控电抗器的特殊结构，使它具有简单的结构、宽广的调节范围、较小的高次谐波、较小的有功损耗以及较快的响应速度。
以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。
1.运行状态不考虑晶闸管、二极管导通和关断的过渡过程，电抗器在一个工频周期的运行状态可分为①T1、T2不导通，此时电抗器就相当于一台空载运行的普通变压器，空载电流很小，电抗器容量最小；②当电源处于正半周时，晶闸管T1承受正向电压，T2承受反向电压，若T1被触发导通，电网电压经变比为δ的绕组自藕变压后，由绕组的下半段向电路提供直流控制电压，产生激磁偏流，四柱式结构交直流磁路分别如图3、图5，三柱式结构交直流磁路分别如图6、图8，两者合成即为实际磁通分布，这时左边分裂铁芯柱饱和；③当电源处于负半周时，晶闸管T1承受反向电压，T2承受正向电压，若T2被触发导通，同样可以提供直流控制电压和激磁偏流，而且直流控制电流的方向与状态2时完全一致，四柱式结构其交直流磁路分别如图4、图5，三柱式结构其交直流磁路分别如图7、图8，两者合成即实际磁通分布，这时右边分裂铁芯柱饱和。这样，在交流电源的一个工频周期内，晶闸管T1、T2的轮流导通起了全波整流的作用，二极管则起续流作用。由于直流控制电流的方向保持不变，改变晶闸管的触发导通角便可改变激磁偏流的大小，从而改变电抗器铁芯磁路的饱和程度，达到平滑调节电抗器容量的目的。
2.容量调节触发导通角α的工作范围为0～180度，当α等于0度时，晶闸管T1、T2轮流导通180度，这时产生的激磁偏流最大，磁路最饱和，磁路的磁阻最大，所需的激磁电流最大，电抗器容量最大；随着α的增大，晶闸管导通时间减少，激磁偏流减小，磁路饱和度降低，磁阻减小，激磁电流减小，电抗器容量减小；当α达到180度时，晶闸管不导通，无激磁偏流产生，相当于一台变压器的空载运行，电抗器容量最小。在任何情况下，激磁偏流所产生的磁通在两个分裂铁芯柱内方向相反，自行闭合。
3、控制装置电抗器的控制也举例说明，如图9、图10所示，被控制装置的电流和电压经过电流、电压互感器变为低电平的电压信号，然后进行A/D转换，A/D转换的频率随交流信号频率的改变而改变，根据交流采样的原理可以求出电压有效值和无功功率及功率因数，根据电压控制或功率因数控制或两者复合控制的原理进行数字PID调节计算，得出需要的可控硅的导通角来。电压互感器同时产生同步脉冲信号，用于可控硅的过零驱动，同步信号进入CPU的信号捕获端子，通过内部定时器产生一路PWM信号，进行反相，并经过脉冲变压器来驱动可控硅达到所要求的导通角。
本实用新型具有结构简单、成本低廉、控制性能优异等显著特点。
权利要求1.一种用于电网中进行无功补偿的磁控式可控电抗器，由对称的铁芯柱、轭部、绕组、二极管、可控硅和控制电路所构成；其特征在于所述的电抗器是完全对称的结构，其中有两个分裂的铁芯柱，每个分裂铁芯柱其截面积是相近的，最小处铁芯截面积与最大处铁芯截面积之比大于50％，每个分裂铁芯柱上装有两个带中间抽头的绕组，带抽头的绕组与可控硅及二极管相连。
2.根据权利要求1所述的磁控式电抗器，其特征在于所述的电抗器的分裂铁芯柱，其最小处截面积与最大处截面积的最佳比例范围为95％至100％之间。
3.根据权利要求1、2所述的磁控式电抗器，其特征在于所述的电抗器为三柱式结构，所有铁芯柱的截面积与两边轭部截面积是相近的，其中的最小截面积与最大截面积之比大于50％。
4.根据权利要求1、2所述的磁控式电抗器，其特征在于所述的电抗器为四柱式结构，所有铁芯柱的截面积与两边轭部截面积是相近的，其中的最小截面积与最大截面积之比大于50％。
5.根据权利要求1、2、3、4所述的磁控式可控电抗器，其特征在于所述绕组的中间抽头部分的匝数与总匝数之比是可变的，以保证绕组中的最大直流电流幅值与交流电流有效值相近，误差在20％以内。
专利摘要电网无功补偿所采用的最主要的方式都不是连续可调的,本实用新型采用的是一种新型的磁控式电抗器,可以产生连续可调的无功功率。本装置其形状是完全对称的,有两个分裂铁芯柱,每个分裂铁芯柱具有相近的截面积,其上装有两个带中间抽头的线圈,它们与两个反向连接的可控硅相连,产生可以控制的直流磁通;电抗器可以为三柱或四柱式结构,铁芯柱与两边的轭其截面积是相近的,通过饱和作用达到电磁控制电抗器容量的效果,比磁阀式可控电抗器成本要低,是现有无功补偿装置升级换代的产品。
文档编号H01F29/02GK2487085SQ0122919
公开日2002年4月17日 申请日期2001年6月26日 优先权日2001年6月26日
发明者刘有斌, 谢卫 申请人:刘有斌, 谢卫