磁控电抗器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种磁控电抗器，所述磁控电抗器包括：电抗器绕组，所述电抗器绕组包括铁芯和绕在所述铁芯周围的线圈，利用所述线圈的电流强度来改变所述铁芯的磁通；整流桥电路，所述整流桥电路的输出端与所述电抗器绕组中的线圈相连接，所述整流桥电路产生工作的电流并加载在所述线圈上，从而使得所述铁芯快速励磁，进而快速增加所述铁芯的磁通的容量。本发明的磁控电抗器可以实现快速励磁，且无需提高抽头电压和额外的励磁绕组。
【专利说明】磁控电抗器【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无功补偿的电抗器装置，尤其涉及一种磁控电抗器。
【背景技术】
[0002]磁控电抗器(Magnetically Controlled Reactor, MCR),作为静止式无功补偿装置的一种类型，起源于磁放大器和饱和电抗器，但在结构和性能上与饱和电抗器有本质区另O。磁控电抗器的技术是在前苏联得到突破，并于上个世纪末被引入国内，具有可靠性高、损耗低、占地少以及谐波污染小，控制容易等优点，被广泛应用于矿山、冶金及电力等行业中，已成为替代晶闸管控制电抗器的主要选择。
[0003]磁控电抗器的基本工作原理是通过控制电抗器绕组中的直流电流可以改变铁芯上的磁通,通过改变电抗器铁芯上通过的磁通从而改变铁芯的饱和度,从而改变电抗器的感值，以便实现输出无功功率的变化。为了以较小的电流实现较大的饱和度，磁控电抗器采用局部饱和技术，在整个励磁中有一段铁芯的截面积被减小，从而很容易达到磁饱和，而其他部分都处于线性区。这种方式大幅改善了电抗器的功耗、噪声和谐波性能指标。MCR的制造工艺和变压器基本一致，其成本、可制造性及可靠性均接近于变压器，维护简便，非常适合应用于电力系统等环境适应性要求 高的场合。磁控电抗器除了可用于电力系统以改善电网的输电能力、改善电网电压质量等，还可用于工业厂矿的无功补偿、电机软启动等，具有很大的推广应用价值。
[0004]目前MCR已经广泛应用于电力、矿山、冶金等行业，同时随着新能源行业的不断发展，在新能源电站中MCR型无功补偿装置也得到了广泛的应用。但随着电网对新能源行业并网要求的不断提高，无功补偿装置的响应时间指标要求越来越严格。而传统的MCR型无功补偿装置的励磁响应时间较长，越来越无法满足严格的并网要求。另外，随着应用范围的扩展，在面对快速波动负荷的现场，响应速度成为制约MCR发展的关键因素。
[0005]目前提高MCR响应速度的一种方式是提高本体抽头电压，但这种方式一方面只能提高快速励磁速度，而这种方式提高了对可控器件的耐压要求，削弱了 MCR的优势，降低了在超高压场合应用的优势。另一种方式则是通过额外增加一套绕组的方式来提高响应速度，然而这种方式增加了设备的成本以及制造复杂度，也不是较为理想的选择。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种磁控电抗器，可以实现快速励磁，且无需提高抽头电压和额外的励磁绕组。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种磁控电抗器，所述磁控电抗器包括:
[0008]电抗器绕组，所述电抗器绕组包括铁芯和绕在所述铁芯周围的线圈，利用所述线圈的电流强度来改变所述铁芯的磁通；
[0009]整流桥电路，所述整流桥电路的输出端与所述电抗器绕组中的线圈相连接，所述整流桥电路产生正向高压并加载在所述线圈上，从而使得所述铁芯快速励磁，进而快速增加所述铁芯的磁通的容量。
[0010]与现有技术相比，本发明提供的磁控电抗器可以实现快速励磁，而不需要提高抽头电压和增加额外的励磁绕组。经过实际验证，本发明的磁控电抗器的响应时间比现有的磁控电抗器的响应时间缩短了 3-10倍，整体响应时间可以缩短到30ms以内，能够满足新能源电站对响应速度的要求，适用于各种需要快速无功补偿响应的工业应用场合，例如，超高压电网、超高压现场及需要快速响应的现场等场合，可替代传统的TCR(晶闸管控制电抗器)型静止式无功补偿装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明实施例一提供的磁控电抗器的电路原理图；
[0012]图2为本发明实施例一提供的一种桥式半控整流桥的电路原理图；
[0013]图3为本发明实施例一提供的一种桥式全控整流桥的电路原理图；
[0014]图4为本发明实施例二提供的磁控电抗器的电路原理图；
[0015]图5为本发明实施例二提供的一种强迫关断电路的电路原理图；
[0016]图6为本发明实施例三提供的磁控电抗器的电路原理图；
[0017]图7为本发明实施例四提供的磁控电抗器的电路原理图。
【具体实施方式】
[0018]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0019]本发明提供的磁控电抗器是强迫有源励磁控制的单励磁绕组MCR型磁控电抗器，其强迫励磁控制的工作原理是:使用强迫励磁控制单元对电抗器绕组本体的直流电流进行直接控制，可以根据需要快速增加励磁强度，从而实现快速励磁。其中，强迫励磁控制单元通过整流桥电路和/或强迫关断电路实现，通过在整流桥电路或强迫关断电路中设置可控器件，并通过应用场景的控制系统的控制信号控制该些可控器件在不同状态下的通断状态，用以改变电抗器绕组的直流电，实现快速励磁。
[0020]实施例一
[0021]图1是本实施例提供的磁控电抗器的电路原理图，如图1所示，本发明的磁控电抗器包括:电抗器绕组和整流桥电路，整流桥电路的输出端直接与电抗器绕组中的线圈相连接，构成回路。
[0022]电抗器绕组包括两个铁芯，每个所述铁芯上绕有两组线圈，在一个铁芯上有线圈LA、线圈LD，在另外一个铁芯上有线圈LB、线圈LC。线圈LA出线端和线圈LB的进线端相连，线圈LC的出线端与线圈LD的进线端相连，四组线圈为交叉并联结构。每个所述铁芯上有一组线圈上设有第一抽头，在线圈LA的出线端引出第一抽头5，线圈LC的出线端引出第一抽头6,第一抽头5与整流桥电路输出的一端相连,第一抽头6与整流桥电路输出的另一端相连，构成回路。电抗器绕组利用通过线圈的电流强度来改变铁芯的磁通。
[0023]整流桥电路包括第一整流桥RBl和第二整流桥RB2。第一整流桥RBl和第二整流桥RB2的输出端并联，连接于输出端7和输出端8，输出端7和输出端8分别与电抗器绕组的第一抽头5和第一抽头6相连接。
[0024]第一整流桥RBl用于产生工作电流并提供给所述线圈，为所述电抗器绕组提供正常工作时的直流电。
[0025]第二整流桥RB2用于产生正向高压并加载在所述线圈上，从而使得所述铁芯快速励磁，进而快速增加所述铁芯的磁通的容量。
[0026]值得说明的是，第二整流桥RB2还可以用于产生反向高压并加载在所述线圈上，从而使得所述线圈的电流迅速减小，加速所述铁芯退磁。
[0027]第一整流桥RBl可以是桥式半控整流桥，也可以是桥式全控整流桥。第二整流桥RB2具体为桥式全控整流桥。
[0028]图2是本实施例提供的一种桥式半控整流桥的电路原理图，如图2所示，桥式半控整流桥包括隔离变压器Tl、可控器件S1、可控器件S2和两个非可控器件的二极管D3、二极管D4，其中可控器件SI和二极管D3串联，可控器件S2和二极管D4串联，并构成桥式整流结构。隔离变压器Tl副边绕组的两端分别接于可控器件SI和二极管D3串联的中间连接点、可控器件S2和二极管D4串联的中间连接点。可控器件SI和二极管D3串联的两端与可控器件S2和二极管D4串联的两端相连接，并与二极管Dl的两端相连，作为整流桥的输出端7和输出端8。其中，二极管Dl起保护作用，当然也可以在每一个可控器件上并联一个二极管。
[0029]图3是本实施例提供的一种桥式全控整流桥的电路原理图，如图3所示，桥式全控整流桥包括隔离变压器T2、可控器件S3、可控器件S4、可控器件S5、可控器件S6及二极管D2。可控器件S3、可控器件S4、可控器件S5、可控器件S6两两串联，构成桥式整流结构。隔离变压器T2副边绕组的两端分别接于可控器件S3与可控器件S5的中间连接点、可控器件S4与可控器件S6的中间连接点；可控器件S3与可控器件S5串联的两端与可控器件S4与可控器件S6串联的两端相连接，并与二极管D2的两端相连，作为整流桥的输出端7和输出端8。其中，二极管D2起保护作用，当然也可以在每一个可控器件上并联一个二极管。
[0030]可控器件可以但不限于采用可控硅、GTO (门极可关断晶闸管)/IGBT (绝缘双极型晶体管)、IGCT (集成门极换流晶闸管)或I EGT (电子注入增强栅晶体管)等开关器件。
[0031]各个可控器件的控制极与应用场景的控制系统相连接，控制系统通过给定的控制信号控制各个可控器件不同的通断状态。
[0032]在正常工作时，系统需要第一整流桥RBl提供直流的工作电流。此时，第一整流桥RBl上的可控器件需要导通，使得隔离变压器Tl能够连接至第一抽头5和第一抽头6，此时第二整流桥RB2不工作，其可控器件处于关闭状态。隔离变压器Tl为一个正常工作的电源，为磁控电抗器提供正常工作时的电压，以提供电抗器绕组的直流电。
[0033]如果第一整流桥RBl采用桥式全控整流桥，控制系统控制第一整流桥RBl中对角关系的可控器件的导通状态相同，即如果可控器件S4为导通状态，可控器件S5也为导通状态，反之亦然。控制系统通过控制第二整流桥RB2的可控器件的通断状态以输出直流电流。如果第一整流桥RBl采用桥式半控整流桥，可控器件SI和可控器件S2的通断状态相反。
[0034]当系统需要快速励磁时，第二整流桥RB2提供一个正向高压。此时，第二整流桥RB2上正向的可控器件需要导通，使得隔离变压器T2能够连接至第一抽头5和第一抽头6，而此时，第一整流桥RBl不工作，其可控器件处于关闭状态。隔离变压器T2为一个高压电源，当整流桥正向导通时，为磁控电抗器提供正向高压，促使电抗器的容量迅速上升，实现快速励磁。[0035]如果第二整流桥RB2采用桥式全控整流桥，第二整流桥RB2中对角关系的可控器件的导通状态相同，即如果可控器件S4为导通状态，可控器件S5也为导通状态，反之亦然。控制系统选择其中正向的那组可控器件导通，另一组为关闭状态，以控制第二整流桥RB2输出正向高压，使得输出的电流迅速增加，对电抗器本体的铁芯增加励磁，使得小截面铁芯迅速进入饱和，促使电抗器的容量迅速上升，实现快速励磁的作用。当控制系统检测到本体输入容量达到预期目标，第二整流桥RB2停止工作，第一整流桥RBl提供需要维持的励磁电流，完成快速励磁。
[0036]当系统需要快速退磁时，第二整流桥RB2提供一个反向高压。此时，第二整流桥RB2上反向的可控器件需要导通，使得隔离变压器T2能够连接至第一抽头5和第一抽头6，而此时，第一整流桥RBl不工作，其可控器件处于关闭状态。控制系统选择反向的那组可控器件导通，另一组为关闭状态，以控制第二整流桥RB2输出反向高压，当该反向高压加到电抗器绕组上，使得流经线圈LA、线圈LB、线圈LC和线圈LD的电流迅速减小到需要的值，完成快速退磁。
[0037]实施例二
[0038]图4是本实施例提供的磁控电抗器的电路原理图，如图4所示，本发明的磁控电抗器包括:电抗器绕组、强迫关断电路HS和整流桥电路。与实施例一的差别仅在于，本实施例还包括强迫关断电路HS，连接于所述整流桥电路的输出端与所述电抗器绕组的线圈之间，强迫关断电路HS用于在快速退磁时断开所述整流桥电路输出的电流，使得通过所述线圈的电流迅速减小，对所述铁芯迅速退磁。
[0039]图5是本实施例提供的一种强迫关断电路HS的电路原理图，如图5所示，强迫关断电路HS包括可控器件HS1、可控器件HS2、隔离变压器T3和缓冲元件HC2。
[0040]隔离变压器T3与二极管HDl和电阻HR相串联，隔离变压器T3副边绕组的一端连接二极管HDl的阳极，另一端连接电容HCl的一端，二极管HDl的阴极通过电阻HR与电容HCl的另一端相连接，电容HCl与可控器件HS2的阳极相连接，电容HCl的另一端与可控器件HSl的阳极相连接，并与所述整流桥电路的输出端7相连接，可控器件HSl和可控器件HS2的阴极相连接作为强迫关断电路HS的输出端5，可与线圈的第一抽头5相连接。所述整流桥电路的输出端8直接与强迫关断电路HS的输出端6相连接，输出端6与线圈的第一抽头6相连接。为避免退磁过程中的较高的反压，通过缓冲元件对高压进行吸收和缓冲。缓冲元件HC2的一端与二极管HD2的阳极相连接，二极管HD2的阴极与输出端5相连接，缓冲元件HC2的另一端与输出端6相连接。
[0041]可控器件可以但不限于采用可控硅、GTO/IGBT、IGCT或IEGT等开关器件。各个可控器件的控制极也与应用场景的控制系统相连接，控制系统通过给定的控制信号控制各个可控器件不同的通断状态。
[0042]缓冲元件HC2可以但不限于采用电容、电阻、避雷器或其他过压保护器，用以吸收和缓冲在退磁过程中产生的较高的反压。
[0043]当系统处于正常工作或快速励磁时，可控器件HSl处于导通状态，可控器件HS2处于关闭状态，相当于整流桥电路与电抗器绕组的第一抽头5和第一抽头6相连接，因而，在正常工作时，第一整流桥RBl的工作原理与实施例一中的工作原理相同，当系统需要快速励磁时，第二整流桥RB2提供一个正向高压的工作原理也与实施例一中的相同。[0044]当系统需要快速退磁时，可控器件HS2开始导通状态，使得隔离变压器T3在并联的可控器件HSl上施加很高反向电压，从而将可控器件HSl上流过的电流迅速减小到需要的值，此时再关闭可控器件HSl，完成快速退磁。此时，第二整流桥RB2可以提供反向高压用以配合强迫关断电路HSl进行快速退磁，或者也可以处于关闭状态。一般而言，隔离变压器T3的电压介于隔离变压器Tl的电压与隔离变压器T2的电压之间。
[0045]实施例三
[0046]图6是本实施例提供的磁控电抗器的电路原理图，如图6所示，本发明的磁控电抗器包括:电抗器绕组、强迫关断电路HS和整流桥电路。与实施例二的差别仅在于，本实施例所采用的电抗器绕组为非快速的普通的电抗器绕组本体，本发明对电抗器绕组所采用的具体形式并不作限制。
[0047]与实施例二相比，本实施例的电抗器绕组在线圈LA的中间还引出第二抽头1，线圈LD的中间引出第二抽头3，第二抽头I和第二抽头3之间接有可控器件MS1，在线圈LC的中间引出第二抽头2，在线圈LB中间引出第二抽头4，第二抽头2和第二抽头4之间接有可控器件MS2,且可控器件MSl和可控器件MS2的导通方向相反。在第一抽头5和第二抽头6之间还设有一个续流二极管MD。
[0048]可控器件可以但不限于采用可控硅、GTO/IGBT、IGCT或IEGT等开关器件。各个可控器件的控制极也与应用场景的控制系统相连接，在正常工作时，控制系统通过控制信号控制各个可控器件不同的通断状态。
[0049]当系统处于快速励磁或快速退磁时，两个可控器件及续流二极管处于失效状态，此时，具体的工作原理与实施例二相同，于此不再赘述。
[0050]实施例四
[0051]图7是本实施例提供的磁控电抗器的电路原理图，如图7所示，本发明的磁控电抗器包括:电抗器绕组、强迫关断电路HS和整流桥电路。与实施例二相比，本实施例采用的整流桥电路仅包括第一整流桥RBl。
[0052]此时，第一整流桥RBl作为可控整流桥，可以根据控制系统的指令，通过改变可控器件的导通角来控制输出电压。当隔离变压器Tl给第一整流桥RBl提供一个较高电源电压时，由于导通角的不同，可以使第一整流桥RBl输出较低的电压，从而维持较低的输出电流，使得电抗器工作在正常调节状态。当需要快速励磁时，改变导通角，可以使第一整流桥RBl输出较高电压，从而迅速输出大电流，使得电抗器输出容量迅速变化。当需要快速退磁时，利用强迫关断电路HS使得电流迅速减小到需要的值，或者，改变可控器件的导通角，可以使第一整流桥RBl输出较高的反向电压，从而迅速减小输出电流，使得电抗器迅速退磁。因而，在本实施例中，强迫关断电路HS也可以省略。
[0053]需要说明的是，为了提高磁控电抗器的安全性和稳定性，当采用一个整流桥作为可控整流桥时，可以通过增加电抗器绕组本体的外部绝缘措施来提高整个系统的安全性和稳定性。
[0054]本发明提供的磁控电抗器，是可应用于无功补偿、高压软起动器及其它应用磁控电抗器装置，可以实现快速励磁，而不需要提高抽头电压和增加额外的励磁绕组。
[0055]经过计算和实际验证，本发明的磁控电抗器的响应时间比现有的磁控电抗器的响应时间缩短了 3-10倍，整体响应时间可以缩短到30ms以内，能够满足新能源电站对响应速度的要求，适用于各种需要快速无功补偿响应的工业应用场合，例如，超高压电网、超高压现场及需要快速响应的现场等场合，可替代传统的TCR (晶闸管控制电抗器)型静止式无功补偿装置。
[0056]以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种磁控电抗器，其特征在于，所述磁控电抗器包括: 电抗器绕组，所述电抗器绕组包括铁芯和绕在所述铁芯周围的线圈，利用所述线圈的电流强度来改变所述铁芯的磁通； 整流桥电路，所述整流桥电路的输出端与所述电抗器绕组中的线圈相连接，所述整流桥电路产生正向高压并加载在所述线圈上，从而使得所述铁芯快速励磁，进而快速增加所述铁芯的磁通的容量。
2.根据权利要求1所述的磁控电抗器，其特征在于，所述电抗器绕组包括两个铁芯，每个所述铁芯上绕有两组线圈，四组线圈交叉并联，并与所述整流桥电路的两个输出端相连接。
3.根据权利要求2所述的磁控电抗器，其特征在于，每个所述铁芯的两组所述线圈之间还连接有可控器件，且两个所述可控器件的导通方向相反。
4.根据权利要求1所述的磁控电抗器，其特征在于，所述整流桥电路包括并联的第一整流桥和第二整流桥； 所述第一整流桥，用于产生工作电流并提供给所述线圈； 所述第二整流桥，用于产生正向高压并加载在所述线圈上，从而使得所述铁芯快速励磁，进而快速增加所述铁芯的磁通的容量。
5.根据权利要求3所述的磁控电抗器，其特征在于:所述第二整流桥还用于产生反向高压并加载在所述线圈上，从而使得所述线圈的电流迅速减小，加速所述铁芯退磁。
6.根据权利要求3或4所述的磁控电抗器，其特征在于:所述第一整流桥具体为桥式半控整流桥或桥式全控整流桥； 所述第二整流桥具体为桥式全控整流桥。
7.根据权利要求1所述的磁控电抗器，其特征在于:所述磁控电抗器还包括: 强迫关断电路，所述强迫关断电路连接于所述整流桥电路的输出端与所述电抗器绕组的线圈之间，用于断开所述整流桥电路输出的电流，从而使得所述线圈的电流迅速减小，加速所述铁芯退磁。
8.根据权利要求7所述的磁控电抗器，其特征在于:所述强迫关断电路包括第一可控器件、第二可控器件、隔离变压器和缓冲元件； 所述第一可控器件连接于所述整流桥电路的一个输出端与所述线圈的一个输入端之间； 所述第二可控器件与电容串联，并与所述第一可控器件并联连接； 所述隔离变压器的副边绕组经过第一二极管和电阻与所述电容相并联； 所述缓冲元件经过第二二极管与所述线圈的两个输入端相连接。
9.根据权利要求3或8所述的磁控电抗器，其特征在于:所述可控器件、第一可控器件或第二可控器件具体为可控硅、门极可关断晶闸管、绝缘双极型晶体管、集成门极换流晶闸管或电子注入增强栅晶体管。
10.根据权利要求8所述的磁控电抗器，其特征在于:所述缓冲器件具体为电容或电阻。
11.根据权利要求12所述的磁控电抗器，其特征在于:所述缓冲器件具体为过压保护器。
12.根据权利要求15所述的磁`控电抗器，其特征在于:所述过压保护器具体为避雷器。
【文档编号】H02J3/18GK103684164SQ201210364750
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月26日 优先权日:2012年9月26日
【发明者】王志泳 申请人:北京三得普华科技有限责任公司, 江苏三得普华智能电力技术有限公司