深度揭秘功率變換的可變電抗器

      一、引言
      可變電抗器作為電抗器的一個重要分支，它具有調節電壓和無功補償的功能，可用于電機的軟起動、風機和水泵的調速控制，也可用于礦熱爐的節能控制，其應用前景十分廣闊。

      本文研究了一種基于功率變換的可變電抗器，它是對傳統電抗器的一次結構性創新：它在傳統電抗器的基礎上附加了二次繞組，構成可變電抗變換器；一次繞組與負載串接構成一次阻抗串接電路；二次繞組與電力電子功率變換器并接。

      二、可變電抗器的構建及拓撲結構
      1．可變電抗器的構建
      可變電抗器由可變電抗變換器和功率變換器構成。通過智能控制器控制電力電子功率變換器改變可變電抗變換器二次側的電流，從而改變可變電抗變換器的一次側的電流，當輸入電壓不變時，實現可變電抗變換器二次阻抗的改變，從而實現可變電抗變換器一次阻抗的改變，實現可變電抗器的阻抗的可變。可變電抗器的結構圖如圖1所示：

      2．可變電抗器的拓撲結構
      可變電抗器的拓撲結構可以采用晶閘管反向并聯，并與可變電抗器并接。其拓撲結構如圖2所示。可變電抗器也可采用一對雙向IGBT管串接，并與可變電抗器并接，其拓撲結構如圖3所示：

      三、可變電抗器的阻抗變換機理
      本文重點對單相IGBT式可變電抗器(圖2a)的原理進行研究[3]。當可變電抗器的一次側輸入電壓時，其二次側的電壓設為UN（其最大值為UNm），若IGBT管采用PWM控制（PWM波均為A），則可變電抗器二次側電壓變為U2，其波形如圖4所示：將f用傅立葉級數展開得式中：將（1）式代入（2）式得由（3）式可知，中除包含基波外，還包含其它諧波，由于采用IGBT管（k值較大），電路中產生的諧波次數較高，通過可變電抗器的二次側電感和電容抑制諧波，高次諧波被抑制，U2中只須考慮基波，則二次側電流式中Z2 為二次側基波阻抗值，為基波阻抗角。設可變電抗變換器的一次側和二次側的匝數比為K,則根據電磁轉換原理有一次側電流則可變電抗轉換器一次側的阻抗的模（當D不等于0時）由（7）式可知，改變占空比D即可改變可變電抗變換器的阻抗。當D增大時，可變電抗器的阻抗的模減小；當D減小時，可變電抗器的阻抗的模增大。由此證明基于功率變換的可變電抗器的阻抗是無極可調的。

      四、可變電抗器在軟起動中的應用
      上述可變電抗器可應用于電機軟起動，采用該可變電抗器制作的智能固態高壓軟起動裝置實際運行效果良好。智能固態高壓軟起動系統結構框圖如圖7所示。
當電機起動時，合上K2,可變電抗器與電動機串接，控制系統控制可變電抗器，使其電抗值逐步由大變小，電動機兩端電壓逐步由小變大，當接近額定值時，合上K1，斷開K2，軟起動結束，電機以額定轉速正常運行。

      高壓軟起動器實際運行空載起動電流波形與直接全壓起動時電流波形如圖8所示。由以上圖可知電機直接起動時啟動時間短，約2s，電流最高達額定電流的6.4倍，且長時間電流達額定值的5.7倍；而軟起動開始電流幾乎是0，電流最大約達額定值的2倍，且啟動時間大大增長,約30s。可見電機軟起動性能比電機全壓起動性能大為改善，真正實現了起動電流小、起動沖擊力小、起動損耗少、諧波小的軟起動。

      五、結束語
      本文提出了一種可變電抗器，它是對傳統電抗器的結構上的創新，闡述了它的構建、拓撲結構、阻抗變換機理，采用該可變電抗器制作的軟起動器實際運行效果良好，經濟效益大。