CN102203885A

CN102203885A - 可控电抗器及其组装方法

Info

Publication number: CN102203885A
Application number: CN2008801326561A
Authority: CN
Inventors: 杨晓波; 张进
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2011-09-28
Also published as: WO2010063140A1

Abstract

本发明涉及可控电抗器及其组装方法。可控电抗器包括具有绕有主绕组和控制绕组的铁芯结构，该控制绕组用于控制铁芯结构的电感，铁芯结构包括具有由控制绕组环绕的控制铁芯的控制部件。该方法包括预组装具有绕有控制绕组201的控制铁芯200的控制部件20，然后堆叠多个预组装的控制部件20和非可控部件21来形成可控电抗器1的铁芯结构，由此简化具有横向DC绕组的可控电抗器的设计、组装。

Description

可控电抗器及其组装方法

技术领域

本发明涉及电力传输，特别涉及可控电抗器及其组装方法。

背景技术

作为在许多领域中廉价的解决方案(诸如无功补偿、电压调节、电能质量改善)，可控电抗器具有极高的市场潜力。其高速的调节能力(＜100ms)需要用于电流调节的高功率DC变换器，其会至少带来如下一项或多项缺陷：设计和组装困难、成本高、谐波含量高、无可控电抗器的辅助电源。就低速的调节能力(500-1000ms)而言，DC控制绕组需要明显低的功率但是其市场应用受到限制。

发明内容

因此，本发明的目的是提供简化具有横向DC绕组的可控电抗器的设计和组装。

根据本发明的实施方式，用于电力传输系统的可控电抗器包括绕有主绕组的铁芯结构，其可与电力传输系统连接，以及可与控制电源连接的控制绕组。通过在铁芯结构中产生可变磁场，控制绕组控制铁芯结构的电感。控制绕组环绕控制部件的控制铁芯，其自身也是铁芯结构的组成部分。因此，主绕组整体上环绕控制绕组，并且该两个绕组可以分别组装并且彼此独立。

根据本发明的另一个实施方式，控制绕组产生的磁场基本上垂直于主绕组产生的磁场。由此，抑制控制绕组中感生的AC电流纹波。

根据本发明的另一个实施方式，铁芯结构包括非可控部件，即通过施加控制磁场其电感不发生变化的部件。这些非可控部件包括传统磁性铁芯材料(诸如铁)的铁饼，或者在相邻控制部件之间的气隙。假设铁芯结构由气隙、控制部件和非可控部件构成，由此如果期望通过改变控制部件的体积来改变电抗器的控制范围，则气隙的体积或者非可控部件的体积应当相应地改变。因此，通过变化气隙的体积或者非可控部件的体积以及相应变化控制部件的体积，电抗器的控制范围是可变的。

根据本发明的另一个实施方式，控制绕组包括至少一匝环绕控制铁芯的绕组。随着环绕在控制铁芯上的绕组匝数的变化，尽管流过控制绕组的电流值不变，其磁场也会相应地改变。

根据本发明的另一个实施方式，用于电力传输系统的可控电抗器包括两组铁芯结构，每一组绕有可连接到电力系统的主绕组，以及串联或并联至控制电源的或分别连接至两个控制电源的两组控制绕组。因此，可减小可控电抗器的尺寸。

根据本发明的另一个实施方式，组装具有绕有主绕组和控制绕组的铁芯结构的可控电抗器的方法，控制绕组用于控制铁芯结构的电感，包括：预组装具有绕有控制绕组的控制铁芯的控制部件，然后堆叠多个预组装的控制部件和非可控部件来形成可控电抗器的铁芯结构。

附图说明

将结合如下附图和具体实施例详细说明本发明：

图1示出根据本发明具体实施方式的可控电抗器的结构；

图2示出根据本发明具体实施方式的铁芯结构的控制部件的结构；

图3示出根据本发明具体实施方式的控制铁芯中的合成磁通；

图4示出根据本发明具体实施方式、在不同控制电流的条件下铁芯结构的磁化曲线；

图5示出根据本发明具体实施方式的可控电抗器的结构；

图6A和6B示出根据本发明具体实施方式的可控电抗器的结构；和

图7示出根据本发明具体实施方式的可控电抗器的结构。

相同的标号表示相同的部件。

具体实施方式

图1示出根据本发明具体实施方式的可控电抗器的结构。如图1所示，可控电抗器1包括：绕有主绕组3的铁芯结构2和铁轭4。铁芯结构2的横截面为环形、椭环形或矩形，并且其包括控制部件。铁轭4的横截面为环形、椭环形或矩形，并且其用于闭合铁芯结构2的磁路。最好，可控电抗器1还包括安置于铁芯结构2和铁轭4之间的导磁板5，其降低磁路磁通的泄露。导磁板5的横截面为环形、椭环形或矩形，并且导磁板5由硅钢或者非晶合金构成。如图1所示，铁芯结构2与可控电抗器1的其他部件同轴安装，如导磁板5，但是铁芯结构2相对于导磁板5的其他位置也是可能的。比如，铁芯结构2可被安置于偏离导磁板5的轴的位置。

图2示出根据本发明具体实施方式的具有绕有控制绕组201的铁芯结构200的控制部件20的结构。如图2所示，控制铁芯200由诸如硅钢或者非晶合金一样的磁性材料构成。控制绕组201包括至少一匝环绕控制铁芯200。如图2所示，对于具有中心孔的环形控制铁芯，至少一匝的控制绕组201穿过中心孔，由此产生控制铁芯200中的环形控制磁场。对于多匝，控制绕组201需要较低的控制电流来产生相同的控制场并且由此需要较小的DC电源。最好，控制绕组201在环状控制铁芯的表面基本均匀分布。

通过彼此独立地模块化设计控制绕组201和控制铁芯200，即控制部件20，控制绕组201完全由主绕组3环绕并且这两个人绕组可以彼此独立地分别组装，由此可简化设计和组装可控电抗器的部件(诸如控制绕组和控制铁芯)并且降低其成本。此外，根据本发明实施例的可控电抗器可以单相电抗器的模式工作，因此便于运输。通过添加铁轭4，降低漏磁。

尽管参照图2详细地说明了控制部件20，其他的形式也是可能的。例如，控制铁芯200为螺旋形、U形、I形、E形、C形、罐形、EI形、EE形，并且控制绕组201的至少一匝环绕这些控制铁芯结构的一支臂，以便在控制铁芯200中产生合适的控制磁场。

最好，控制铁芯200可进一步包括用于容纳控制绕组201的槽，或者在临近的绕组之间的空隙填充绝缘材料或者冷却液。通过采用槽结构，可消除由于绕组线体积所带的来的气隙由此增加可控电抗器的控制范围。带有槽的该控制部件20的控制铁芯200的横截面与该控制铁芯200的其他部分的横截面不同，由此控制绕组201所产生的磁通密度延控制部件中的主磁通方向是可变的。

图3示出根据本发明具体实施方式的控制铁芯中的合成磁通。如图3所示，该铁芯结构2中，控制绕组201产生基本上与由主绕组3所产生的磁场正交的正交磁场。基于主磁通与控制磁通的上述相对方向，较少的来自主绕组3的磁通耦合到控制绕组201。

具体来说，在工作期间，控制电流被注入控制绕组201，以便改变可控电抗器1的等效电感。在控制部件20中，磁通具有两个分量：主绕组3的主磁通和与之基本正交的、由控制电流产生的控制绕组201的控制磁通。如图2所示，合成磁通以及磁路为螺旋形。同时，由于控制电流引起的饱和，控制铁芯200的磁导率下降。

考虑两种极端情况，控制电流非常大并且使得可控铁饼饱和并且控制电流等于零。当控制电流非常大时，可控铁饼深度饱和。控制部件20等同气隙。控制部件20的磁导率、长度和横截面决定电感。在上述情况下，其近似于固定值的电抗器并且电感也相似。

当控制电流等于零时，控制部件20是正常的铁盘。is normal iron disk.电抗器的铁芯没有任何气隙。铁芯的磁导率、长度和横截面决定电感，即控制铁芯200。在上述条件下，其近似于无负载的变压器并且由于硅钢的磁导率是传统并联电抗器的气隙的磁导率的数千倍，其电感非常高。

图4示出根据本发明具体实施方式、在不同控制电流的条件下铁芯结构的磁化曲线。如图4所示，给出四条磁化曲线A，B，C，D作为实例。随着控制电流Ic的增加，铁芯的磁化曲线穿越曲线A，B，C，D。在理想情况下，铁芯的工作点总处在磁化曲线的线性区。每条磁化曲A，B，C，D都具有线性部分。例如，磁化曲线从0延伸至H₁，磁化曲线B具有从0延伸至H₂的线性部分，磁化曲线C具有从0延伸至H₃的线性部分，并且磁化曲线具有从0延伸至H₄的线性部分。磁化曲线A的线性部分在磁化曲线A，B，C，D中是最窄的，而磁化曲线D的线性部分是最宽的。假设将磁化曲线A作为可控电抗器的工作曲线。随着磁场强度H的增强，其工作点将从线性部分移动到非线性部分，例如工作点H₅。根据电磁定律，当可控电抗器工作于其工作曲线的非线性部分时，产生谐波。因此，假如可控电抗器工作在磁化曲线A的H₅，则引起谐波。为了消除谐波，通过改变控制绕组中的控制电流值将工作曲线从A移动至D，其中点曲线D上的H₅处于线性部分，因此可控电抗器再次工作于线性部分。所以，可控电抗器的工作点再次落入线性部分并由此抑制谐波。

控制电源提供控制电流来向/从该控制部件20注入/抽取能量。通过采用双向变换器作为控制电源，考虑由主绕组中的AC电流所感生的AC电流，向控制绕组馈送双向电流以便抑制所感生的AC电流并且维持DC电流，加快响应。其他类型的控制电源也是可能的，例如用于向控制部件20注入能量的单向变换器。

图5示出根据本发明具体实施方式的可控电抗器的结构。如图5所示，铁芯结构2还包括具有非可控铁芯的非可控部件。非可控铁芯为环形或盘状，并且由诸如硅钢和非晶合金一样的磁性材料制成。布置控制部件20和非可控部21以便控制部件20中的控制铁芯200中的正交磁场的磁通密度的平均值高于非可控部件21中的非可控铁芯中的正交磁场的磁通密度的平均值。具体来说，如图5所示，铁芯结构2包括同轴交替布置的控制部件20和非可控部件21。通过采用上述铁芯结构2，的配置，降低漏磁。控制部件20相对于非可控部件21的其他位置是可能的。例如控制部件20的轴可偏离非可控部件21。此外，本领域的技术人员应理解它们可以具有不同的尺寸。

图6A和6B示出根据本发明具体实施方式的可控电抗器的结构。如图6A所示，铁芯结构2可包括位于铁轭4和控制部件20之间的气隙。如图6B所示，铁芯结构2可进一步包括位于控制部件20之间、位于非可控部件21之间或位于控制部件20和非可控部件21之间的气隙。通过采用如图6A或6B的一个或多个铁芯结构2，如果期望通过改变控制部件的体积来改变电抗器的控制范围，则气隙22的体积或者非可控部件的体积应当相应地改变。因此，通过变化气隙22的体积或者非可控部件的体积以及相应变化控制部件的体积，电抗器的控制范围是可变的。

上述实施方式设计具有一条腿的可控电抗器，即一个铁芯结构。图7示出根据本发明具体实施方式的可控电抗器的结构，其涉及具有两条腿的可控电抗器。如图7所示，可控电抗器1包括：第一腿和第二腿，即根据前述实施方式的铁芯结构2和另外的铁芯结构2’。例如，铁芯结构2绕有主绕组3并且包括控制部件。此外，与前述实施方式的铁芯结构类似，配置另外的铁芯结构2’。例如，另外的铁芯结构2’绕有另外的主绕组并且包括控制部件。控制部件包括绕有另外的控制绕组的另外的控制铁芯，用于控制另外的铁芯结构2’的电感。铁轭4a磁耦合第一腿的一端和第二腿的一端并且铁轭4b磁耦合第一腿的另一端和第二腿的另一端，以便铁轭4a，4b闭合两个铁芯结构2，2’的磁路，由此磁通通过铁轭4a，4b，铁芯结构和另外的铁芯结构2’。并且，主绕组3，3’彼此并联或者串联。通过采用两铁芯结构，因为可控电抗器的容量依赖控制部件的体积，所以可通过引入更多的控制部件并且保持可控电抗器的体积来提高可控电抗器的容量，例如，通过组合图1所示铁轭的两支腿并且用铁芯结构替代该组合的腿。即，通过采用两铁芯结构配置，可控电抗器的体积可减小同时保持其容量。

此外，控制绕组可彼此串联或并联，甚至可以由两个不同的电源供电。通过采用上述串联连接方式，可抑制控制绕组的电流波纹。

最好，将导磁板5，5’安置在铁芯结构2，2’和铁轭4a，4b之间，这减小从磁路的漏磁。

根据本发明的实施方式的组装具有绕有主绕组3和控制绕组201的铁芯结构2的可控电抗器1的方法，控制绕组用于控制铁芯结构2的电感，包括：预组装具有绕有控制绕组201的控制铁芯200的控制部件20，然后堆叠多个预组装的控制部件20和非可控部件21来形成可控电抗器1的铁芯结构。

虽然已参照本发明的某些优选实施例示出并描述了本实用新型，但本领域技术人员应当明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上对其做出各种变化。

Claims

1.一种具有绕有主绕组(3)和控制绕组(201)的铁芯结构(2)的可控电抗器(1)，该控制绕组用于控制铁芯结构(2)的电感，其特征在于：该铁芯结构(2)包括：具有由控制绕组(201)环绕的控制铁芯(200)的控制部件(20)。

2.如权利要求1所述的可控电抗器，其特征在于：在该铁芯结构(2)中，该控制绕组(201)产生基本上与由主绕组(3).所产生的磁场正交的正交磁场。

3.如权利要求2的可控电抗器，其特征在于：该铁芯结构(2)包括：具有非可控铁芯的非可控部件(21)，其中该控制铁芯(200)中的正交磁场的磁通密度的平均值高于该非可控铁芯中的正交磁场的磁通密度的平均值。

4.如权利要求3所述的可控电抗器，其特征在于该铁芯结构(2)包括：交替的控制部件(20)和非可控部件。

5.如权利要求3所述的可控电抗器，其特征在于：该铁芯结构(2)包括：位于两个控制部件(20)之间或位于控制部件(20)和非可控部件(21)之间的气隙(22)。

6.如权利要求1所述的可控电抗器，其特征在于：该控制铁芯(200)为环状，并且该控制绕组(201)包括：至少一匝环绕该控制铁芯(200)的绕组。

7.如权利要求6所述的可控电抗器，其中该绕组均匀分布。

8.如权利要求6所述的可控电抗器，其特征在于：该控制铁芯(200)包括：容纳该控制绕组的槽，或者在临近的绕组之间的空隙填充绝缘材料或者冷却液。

9.如权利要求5所述的可控电抗器，其特征在于：带有槽的该控制部件(20)的控制铁芯(200)的横截面与该控制铁芯(200)的其他部分的横截面不同。

10.如权利要求1或2所述的可控电抗器，其中该控制铁芯(200)的材料为硅钢或非晶合金。

11.如权利要求1或2所述的可控电抗器，其特征在于：该可控电抗器包括：双向变换器，用于向/从该控制部件(20)注入/抽取能量。

12.如权利要求1或2所述的可控电抗器，其特征在于包括：铁轭(4)用于闭合该铁芯结构(2)的磁路。

13.如权利要求1至8之一所述的可控电抗器，其特征在于：该可控电抗器包括：

另外的铁芯结构(2’)，其有另外的主绕组(3’)环绕；

另外的控制绕组，用于控制该另外的铁芯结构(2’)的磁通；和

铁轭(4a，4b)，用于闭合二组铁芯结构(2，2’)的磁路；

其中该另外的铁芯结构(2’)包括具有绕有另外的控制绕组的控制铁芯的另外的控制部件。

14.如权利要求12所述的可控电抗器，其特征在于：该二组主绕组(3，3’)彼此并联或者串联，并且该两组控制绕组彼此并联或者串联。

15.一种组装具有绕有主绕组(3)和控制绕组(201)的铁芯结构(2)的可控电抗器(1)的方法，该控制绕组用于控制铁芯结构(2)的电感，包括：

-预组装具有绕有该控制绕组(201)的控制铁芯(200)的控制部件(20)；并且

-堆叠多个预组装的控制部件(20)和非可控部件(21)来形成该电抗器的铁芯结构。