剖析新型EU正交鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器

      剖析新型EU正交鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器 
      摘 要：傳統(tǒng)的正交鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器通過(guò)控制在正交鐵心上的直流偏磁磁場(chǎng)間接控制交流磁場(chǎng)，鐵心工作在飽和區(qū)，因此其工作電流中含有諧波。該文提出一種基于 EU 正交鐵心的單相和三相正交可控電抗器與串聯(lián)電抗器。由于特殊的磁路結(jié)構(gòu)，單相EU 正交鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器輸出電流中的諧波得到了降低，三相 EU 可控電抗器與串聯(lián)電抗器的輸出電流中3次諧波成分很低。電抗器專(zhuān)家與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者常州博邦電氣使用三維非線性磁阻模型建立了 EU 正交鐵心的仿真模型進(jìn)行仿真研究，并分別制作了單相和三相 EU 正交鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了新型 EU 正交鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器的諧波含量較傳統(tǒng)正交鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器低的特點(diǎn)。

　　引 言
　　近年來(lái)，多種可控電抗器與串聯(lián)電抗器被應(yīng)用到靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置中[1-6]，例如基于可控硅控制電抗器(thyristorcontrolled reactor ， TCR) ，磁控電抗器 (magneticcontrolled reactor，MCR)等。其中，磁控電抗器由于其控制簡(jiǎn)單，可靠性高得到了廣泛的關(guān)注[7-10]。直流控制飽和式可控電抗器與串聯(lián)電抗器在調(diào)節(jié)過(guò)程中，鐵心工作在飽和區(qū)，利用磁化曲線非線性的特點(diǎn)，電抗器專(zhuān)家與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者常州博邦電氣通過(guò)調(diào)節(jié)磁路中鐵心的工作點(diǎn)，可以調(diào)節(jié)等效電抗。直流控制可控電抗器與串聯(lián)電抗器的鐵心工作在飽和狀態(tài)，因此其輸出電流中含有大量的諧波成分[11-17]。

　　正交鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器屬于直流控制飽和式可控電抗器與串聯(lián)電抗器的一種，傳統(tǒng)的正交鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器其工作電流中含有一定的諧波成分。電抗器專(zhuān)家與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者常州博邦電氣使用 2 個(gè)正交可控電抗器與串聯(lián)電抗器分別工作在正弦電壓的半波可以降低其輸出電流的諧波[13]，這種方案增加了一個(gè)正交可控電抗器與串聯(lián)電抗器，使成本增加。通過(guò)在鐵心上開(kāi)楔型氣隙，可在一定程度上降低其工作電流中的諧波[18-19]。楔型氣隙在可控電抗器與串聯(lián)電抗器的2個(gè)鐵心的連接部分增加了不可靠因素，同時(shí)楔型氣隙需要較高的工藝保證其加工精度。

　　本文提出了具有 EU 鐵心結(jié)構(gòu)的正交可控電抗器與串聯(lián)電抗器，電抗器專(zhuān)家與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者常州博邦電氣具有諧波含量低的優(yōu)點(diǎn)。按照工作繞組的配置不同，將 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器分成單相和三相兩種分別進(jìn)行研究。

　　一、正交EU鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器
　　1.1 單相EU鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器配置
　　EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器的鐵心由一個(gè) E 型鐵心和一個(gè) U 型鐵心相互正交裝配在一起。電抗器專(zhuān)家與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者常州博邦電氣在 E 型鐵心和U 型鐵心之間存在 6 個(gè)接觸部分。圖 1 給出了實(shí)驗(yàn)室用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的鐵心結(jié)構(gòu)配置圖。圖中，鐵心使用厚度為 0.23mm 取向硅鋼片卷繞，粘接并熱處理后制作成型。

      E型鐵心上的3個(gè)心柱和 U 型鐵心的 2 個(gè)心柱可用來(lái)安裝繞組。按照繞組的安裝和連接方式不同，EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器可分為單相和三相。

　　單相EU鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器的配置如圖2(a)所示，在 U 型鐵心的 2 個(gè)心柱上安裝直流控制繞組，在 E型鐵心的2個(gè)外側(cè)心柱上安裝交流工作繞組。圖2(b)給出了單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器的電氣符號(hào)，其中電抗器專(zhuān)家與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者常州博邦電氣Nac為交流工作繞組的匝數(shù)，Ndc為直流控制繞組的匝數(shù)。圖 3 給出了單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器的實(shí)物照片。

　　1.2 三相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器配置
　　三相EU鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器的配置如圖4(a)所示，在 U 型鐵心的 2 個(gè)心柱上安裝直流控制繞組，在 E型鐵心的心柱上分別安裝三相交流工作繞組。圖4(b) 給出了三相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器的電氣符號(hào)，其中 Na、Nb和 Nc分別為交流三相工作繞組的匝數(shù)，Ndc為直流控制繞組的匝數(shù)。圖 5 給出了三相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器的實(shí)物照片。

　　二、單相正交EU鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器
　　2.1 等效磁路和基本方程
　　圖 3 給出了單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器的等效磁路，其忽略了工作在線形區(qū)的磁阻，僅包括由 E 型和U型2個(gè)鐵心接觸處形成的6個(gè)工作在非線性的磁阻，如圖 6(a)所示。電抗器專(zhuān)家與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者常州博邦電氣交流工作繞組和直流控制繞組的磁通分布別為φac和 φdc，磁動(dòng)勢(shì)分別為 Fac和Fdc，接觸處的磁阻分別為 R1~R6，其上降落的磁動(dòng)勢(shì)為 F1~F6，通過(guò)的磁通為φ1～φ6。

　　利用基本的磁路定律可將其簡(jiǎn)化為僅包括4 個(gè)磁阻的簡(jiǎn)化磁路模型，如圖 6(b)所示。這文獻(xiàn)[4]中的等效磁路具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，若將 E 型鐵心的中間心柱的截面積等于兩個(gè)邊柱的面積之和，則磁路與文獻(xiàn)[4]中的磁路將具有相同的對(duì)稱(chēng)性，可采用相同的分析方法進(jìn)行分析。獲得的基本方程如為式中φ13、φ46為磁阻 R13、R46中的磁通。

　　2.2 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　由文獻(xiàn)[16]中的三維磁阻網(wǎng)絡(luò)分析方法和圖 1中給出的鐵心數(shù)據(jù)，將 EU 鐵心分成每部分由 6 個(gè)正交磁阻構(gòu)成的 68 個(gè)塊，構(gòu)造單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器的磁阻仿真模型。電抗器專(zhuān)家與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者常州博邦電氣選擇直流控制繞組匝數(shù)Ndc=290，交流工作繞組匝數(shù) Ndc=300，按照?qǐng)D 7 對(duì)所建立的仿真模型進(jìn)行測(cè)試，調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使交流工作繞組的工作電壓 Uac=48 V。通過(guò)對(duì)給定的控制繞組施加不同的激勵(lì)可得到不同的測(cè)試結(jié)果。按照仿真模型制作單相 EU 鐵心正交可控電抗器與串聯(lián)電抗器，并使用與仿真模型相同的測(cè)試條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

　　圖 8 給出了單相 EU 可控電抗器與串聯(lián)電抗器諧波含量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出，電抗器專(zhuān)家與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者常州博邦電氣相比傳統(tǒng)的正交鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器[6]，單相 EU 可控電抗器與串聯(lián)電抗器由于 E、U 型鐵心的 6個(gè)接觸部分的磁阻工作在不同的飽和狀態(tài)，其諧波含量較低。

　　圖 9 給出了單相 EU 可控電抗器與串聯(lián)電抗器控制特性的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，二者符合較好，線性度較好。圖10給出了單相 EU 可控電抗器與串聯(lián)電抗器總諧波畸變率的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，二者在大部分范圍內(nèi)符合較好。為簡(jiǎn)化仿真模型的仿真速度，仿真模型中的鐵心材料使用了基本磁化曲線數(shù)據(jù)，由于磁化曲線數(shù)據(jù)和實(shí)際的鐵心材料差別，仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間存在一定的偏差。

      三、三相正交EU鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器
　　3.1 等效磁路和基本方程
      圖11給出了三相EU鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器的等效磁路。同單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器類(lèi)似，等效磁路忽略了工作在線形區(qū)的磁阻，僅包括由 E 型和 U 型兩個(gè)鐵心接觸處形成的 6 個(gè)工作在非線性的磁阻。交流工作繞組和直流控制繞組的磁通分布別為φa、φb、φc和 φdc，磁動(dòng)勢(shì)分別為 Fa、Fb、Fc和 Fdc。接觸處的磁阻分別為 R1~R6，其上降落的磁動(dòng)勢(shì)為 F1~ F6，通過(guò)的磁通為φ1~φ6。由磁路基本定律可獲得磁路基本方程

　　3.2 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　選定直流控制繞組匝數(shù) Na=Nb=Nc=50，交流工作繞組匝數(shù)為 Ndc=300。與單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器仿真和實(shí)驗(yàn)方法類(lèi)似，電抗器專(zhuān)家與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者常州博邦電氣建立相同的仿真模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ�，并使用相同的測(cè)試條件，按照?qǐng)D 12 調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使工作繞組電壓 Ua=Ub=Uc=15 V，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。將可控電抗器與串聯(lián)電抗器交流工作繞組連接成星型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 13~15 所示。

      圖13給出了三相EU可控電抗器與串聯(lián)電抗器諧波含量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出，由于 E 型鐵心和 U 型鐵心構(gòu)成的特殊磁路結(jié)構(gòu)，三相 EU 可控電抗器與串聯(lián)電抗器的 3 次諧波含量很低，這主要是由于磁通的 3 次諧波分量不能在鐵心中形成閉合的回路。由于3 次諧波含量很小，所以在三相 EU 可控電抗器與串聯(lián)電抗器的工作繞組中，5 次諧波成為主要的諧波成分。電抗器專(zhuān)家與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者常州博邦電氣圖14給出了三相EU鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器控制特性的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，二者符合較好，線性度較好。圖15給出了三相EU鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器總諧波畸變率的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，二者在大部分范圍內(nèi)符合較好。由于三相 EU 鐵心電抗器的鐵心結(jié)構(gòu)限制，工作繞組匝數(shù)較小，施加較小電壓時(shí)工作繞組中的電流很大，所以鐵心局部進(jìn)入飽和區(qū)，圖中表現(xiàn)為控制電流較小的時(shí)候諧波電流和總諧波畸變率較大。

　　四、結(jié) 論
　　本文提出了基于EU鐵心正交可控電抗器與串聯(lián)電抗器，配置不同的繞組形式可得到2 種常用的單相和三相可控電抗器與串聯(lián)電抗器模型。電抗器專(zhuān)家與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者常州博邦電氣利用三維磁路放著模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別獲得了單相和三相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器的諧波特性和控制特性。新型的 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器與傳統(tǒng)的相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：a)單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器具有諧波含量低的特點(diǎn);b)三相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器又有特殊的磁路結(jié)構(gòu)，三次諧波含量非常低;c)三相 EU 鐵心可控電抗器與串聯(lián)電抗器使其三相工作繞組受同一個(gè)控制繞組控制，具有可靠性高、一致性好和使用方便的優(yōu)點(diǎn)。

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