CN102360734A - 智能型楔入式平滑可调电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能型楔入式平滑可调电抗器的设计方案，及电抗值的计算方法。该电抗器由主体部分和控制部分构成。主体部分包括一个带单气隙或双气隙的固定铁芯、绕组线圈和置于铁芯气隙处的滑动模块。其特征在于该长方体滑动模块由两个紧密粘合的形状大小完全相同的四面体构成，两个四面体分别由导磁材料和非导磁材料制成。当滑动模块上下移动时，铁芯气隙处的导磁部分与非导磁部分体积比例改变，即交流磁通路径上的磁阻改变，从而电抗值大小发生变化。由于滑动模块的特殊构造，可实现电抗值的平滑调节。控制部分采用了步进电机结合单片机的控制方式，计算速度快，抗干扰能力强。本发明具有低振动、低噪声、成本低、重量轻、结构紧凑等特点。

Description

智能型楔入式平滑可调电抗器

技术领域

本发明主要涉及到电网中应用广泛的可调电抗器，用于限制短路电流、无功补偿和移相等。

背景技术

电抗器是一种重要的电气装置，在电力系统中广泛的应用于限制短路电流、潜供电流、工频过电压、消除发电机自励磁、限制操作过电压、线路容性充电功率和平波等。电抗器按特性来分，可分为固定电抗器和可控电抗器。固定电抗器是指在工作过程中电抗值保持不变的电抗器，而可调电抗器是指在工作过程中可以根据实际需要改变电抗值的电抗器。

随着电力系统的不断发展，对电抗器的性能要求越来越高，在许多场合希望电抗器的电抗值可实时调节或控制。如用于配电网中自动消弧线圈的电抗器、用于大型电机无极软启动的启动电抗器、用于故障限流的可控串联电抗器、用于超(特)高压输电线路限制容升和无功补偿的并联高压电抗器等，都需要根据运行工况实时调节控制。

高压可调电抗器的出现已有几十年历史。由于弱电流工程的发展，电力工程师很早就认识到采用高压谐振电路对大电容试品进行交流试验的可能性。20世纪40年代末期，英国弗兰梯公司采用动圈式低压电抗器并联升压变压器的方法得到设备所需的高压可调电抗器。到了60年代末期，美国专家Stanley G.Peschel提出一种新的高压可调电抗器原理，并于1970年获得美国专利。这种原理是通过连续调节磁路中的间隙长度来得到连续变化的电感。它一出现就成为新型交流谐振试验系统的核心设备。目前以调节磁路间隙长度为调感原理的高压可调电抗器已广泛用于GIS、电缆、电容器、大型发电机等大电容电力设备的交流试验。同时，它也作为一种新型消弧线圈应用于电力系统中。Peschel提出得间隙可调高压电抗器需要采用精密机械传动装置，工作可靠性也不是很强。人们设想通过改变交流磁通路径上的磁导去实现电感的调节，1975年苏联制成了一台6KV、600KVA的静态高压电抗器就是这种设想的成功尝试。

传统的间隙可调高压电抗器的基本工作原理简单说来，就是设置动静两块铁芯，通过移动动铁芯来改变动静铁芯之间的空气间隙，从而改变磁导，实现电感的调节，但是此种方法具有一定的局限性：由于需要移动动铁心来改变空气间隙，使得系统的噪音和振动都比较大，对系统的运行可靠性也会产生一定程度的影响。

发明内容

本发明针对上述空气间隙可调电抗器的缺陷，设计了一种基于改变铁芯的磁阻来实现电感值可调的电抗器，利用导磁材料与非导磁材料联合制成的滑动模块，可实现电感的平滑调节，且具有低振动、低噪声的特点。

本发明采用的技术方案为：

当操作人员按下开机按钮，系统初始化，提示输入需要得到的电抗值，根据输入的电抗值，计算机系统通过计算得到滑动模块需要向上(下)移动的距离值，将处理得到的结果送入步进电机的微机控制单元，发出控制指令，使功率驱动单元驱动步进电机动作，拉动滑动模块运动到指定的位置，从而得到需要的电抗值。

作为本发明的进一步改进：

本发明所采用的滑动模块由导磁材料和非导磁材料组成，如图2(c)所示，阴影部分为非导磁材料制成，对等的另一部分是导磁材料制成，两个滑块用轴串接，相对位置固定。滑动模块在向上拖动的过程中，非导磁部分所占的空间逐渐增大，导磁部分所占的空间逐渐减小，阻碍磁通，使得电感值减小。滑动模块向下拖动时，结果与此相反。这样通过调节滑动模块的位置，可以方便调节对应的电抗值。值得一提的是，采用非导磁材料和导磁材料各占一半的滑动模块设计，在滑动模块匀速拖动过程中，非导磁部分和导磁部分是均匀变化的，从而可以平滑调节电抗值。

本发明采用步进电机控制滑动模块的移动。步进电机本身由微机控制单元，功率驱动单元和步进电动机组成，可以连接计算机系统，用计算机集中控制电机的运动。将所需要得到的电抗值输入到计算机中，由计算机根据提前编写好的程序，完成运算，得到滑动模块需要移动的距离，即步进电动机正转或者反转的圈数，然后将数据送入步进电机的微机控制单元控制步进电动机的运动，由于采用了计算机来控制，使得操作更为简便快捷。

本发明具有下述优点：

本发明与已有的技术相比，具有自身的优越性。首先，以往拖动动铁心来改变空气间隙调节电抗值的方法，振动和噪音大，且由于机械惯性，控制精度不高。本发明采取滑动模块这一独创性的器件，使得电抗值能可以平滑改变，并且固定铁芯，大大的减小了振动和噪音，使得系统更为稳定。其次，采用计算机来控制步进电机拖动滑动模块运动，能使得操作更为可视化，更为简捷。

附图说明

图1为本发明装置的基本结构图；

图2为本发明装置在某一工作时刻的基本机构图和对应滑动模块位置图；

图3为本发明装置的类比电路图；

图4为步进电机驱动控制器；

图5为专用芯片构成的步进电机驱动系统；

图6为本发明的流程图。

具体实施方式

图1为本发明装置在某一工作时刻的基本机构和对应滑动模块位置示意图，考虑此专利有双滑块和单滑块两种形式，以下分情况做讨论：

1、双滑块形式：设滑动模块停在图2(a)所示位置，滑动模块放大图如图2(c)所示，计算其参数，设左右铁芯对称，总长度均为l/2，有效截面积为S，线圈匝数W匝，主磁通φ。忽略边缘效应时其类比电路如图3(a)所示。根据滑动模块放大图所示，可近似求得非导磁材料间隙δ为δ＝(b+d)/2，因为滑动模块本身的体积在整个电抗器结构中所占比例很小，所以用此种方法估算，误差在容许的范围之内。滑块初始位置如摘要附图。假设步进电机拖动两个滑动模块均运动了距离f，b＝tanθ·f。已知铁芯横截面边长为g，可得d＝tanθ·(f+g)，所以得到 $\mathrm{\δ}=\frac{\tan \mathrm{\θ}\·f+\tan \mathrm{\θ}\·(f+g)}{2},$ 可得滑动模块导磁部分的磁路长度 $\mathrm{\γ}=a-\mathrm{\δ}=a-\frac{\tan \mathrm{\θ}\·f+\tan \mathrm{\θ}\·(f+g)}{2},$ 所以可得 $R_{m1}=R_{m2}=\frac{1/2+\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}S}$ (μ_r为铁芯及滑动模块导磁材料的相对磁导率)， $R_{01}=R_{02}=\frac{\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{x}S}$ (μ_x为非导磁材料的相对磁导率)， $E_m=W\stackrel{\·}{I}$ (

为线圈电流)，根据类比电路可得： $E_m=W\stackrel{\·}{I}=(R_{m1}+R_{m2}+R_{01}+R_{02})\·\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}=(\frac{1+2\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}S}+\frac{2\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\μ}}_o{\mathrm{\μ}}_{x}S})\·\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}.$ 整理可得 $\frac{W\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}{\stackrel{\·}{I}}=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_{0}S}{l/{\mathrm{\μ}}_r+2\mathrm{\γ}/{\mathrm{\μ}}_r+2\mathrm{\δ}/{\mathrm{\μ}}_x},$ 则该电抗器电感为 $L=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_{0}S}{l/{\mathrm{\μ}}_r+2\mathrm{\γ}/{\mathrm{\μ}}_r+2\mathrm{\δ}/{\mathrm{\μ}}_x},$ 实际铁芯的相对磁导率μ_r很大，非导磁材料的相对磁导率μ_x很小，所以l/μ_r+2γ/μ_r远小于2δ/μ_x。所以可简化得： $L=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{x}S}{2\mathrm{\δ}}$

考虑空气的漏磁通产生的附加电感Ls以及非导磁材料间隙边缘效应使S的增大，总的电感L_∑可以表示成： $L_{\mathrm{\Σ}}=\mathrm{Ls}+\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_x(S+1.3\mathrm{\δ}\sqrt{S})}{2\mathrm{\δ}}.$ 漏感Ls可由下式计算： $\mathrm{Ls}=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0{S}_s}{l_s}.$ 式中：Ss——漏磁通等值面积， $S_s=\frac{\mathrm{\π}}{3}({{2R}_1}^2+{R_2}^2)-S/K_d;$ l_S——漏磁通等值长度， $l_S=\frac{H}{1-2(R_1-R_0)/\mathrm{\πH}},$ R₀、R₁、R₂、H分别是铁心标称外半径、绕组内、外半径和高度，Kd为铁心叠片系数。整理可得电感值计算公式：

$L_{\mathrm{\Σ}}=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0[\frac{\mathrm{\π}}{3}(2R_1^2+R_2^2)-S/K_d][\mathrm{\πH}-2(R_1-R_0)]}{\mathrm{\π}{H}^2}+\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_x\sqrt{S}[\sqrt{S}+0.65\tan \mathrm{\θ}\·f+0.65\tan \mathrm{\θ}(f+g)]}{\tan \mathrm{\θ}\·f+\tan \mathrm{\θ}(f+g)}$

2、单滑块形式：

由于上述对双滑块形式的情况做了比较详细的参数计算和公式推导，在这里主要介绍单滑块情况的不同，当滑动模块停在图2(b)所示位置，滑动模块放大图如图2(c)所示，类比电路如图3(b)所示，可以看到，双滑块中的Ro2由铁芯材料代替，Ro1保持不变，这样再计算的时候，非导磁间隙长度调整为双滑块情况的一半即可，双滑块情况中磁阻为Ro2的滑块由同样大小的磁阻为R_m3得铁磁材料所代替，由于在单滑块情况下，Rm1、Rm2、Rm3实际可以看做一个整体，作为一跟铁芯的三部分，所以可以先计算出Rm1+Rm2+Rm3的值作为铁芯导磁材料的磁阻值，可得 $\mathrm{Rm}1+\mathrm{Rm}2+\mathrm{Rm}3=\frac{1+a+\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}S},$ $R_{01}=\frac{\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{x}S},$ 下面的计算步骤和原理同双滑块情况，在此不再赘述，最后得到的电感值为： $L=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{x}S}{\mathrm{\δ}}.$ 同样考虑空气的漏磁通产生的附加电感Ls以及非导磁材料间隙边缘效应使S的增大，总的电感L_∑可以表示成：

$L_{\mathrm{\Σ}}=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0[\frac{\mathrm{\π}}{3}(2R_1^2+R_2^2)-S/K_d][\mathrm{\πH}-2(R_1-R_0)]}{\mathrm{\π}{H}^2}+\frac{{2W}^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_x\sqrt{S}[\sqrt{S}+0.325\tan \mathrm{\θ}\·f+0.325\tan \mathrm{\θ}(f+g)]}{\tan \mathrm{\θ}\·f+\tan \mathrm{\θ}(f+g)}$

从上式可以看出，随着滑动模块的向上抽出，f逐渐变大，δ逐渐变大，使得电感变小，即电抗值变小，这就可调电抗器的基本原理，此发明中滑动模块的的设计，使得非导磁部分的变化是均匀的，即δ的变化是均匀变化的，使得电抗值也随之均匀变化，有利于保持系统的稳定性，减少噪声。

需要注意的是得到的电感L是根据一个绕组的情况计算的，如有两个绕组同时工作，当他们的关系是串联时，电感为2L_∑；当他们的关系是并联时，电感为1/2L_∑。

图3为本发明装置的类比电路图，将磁路类比电路，图3(a)中把两个铁芯的磁阻分别看做是电阻Rm1、Rm2，把非导磁材料部分的磁阻看做是电阻Ro1、Ro2；图3(b)中把两边的铁芯磁阻看做是电阻Rm1、Rm2，把非导磁材料部分的磁阻看做是电阻Ro1，把取代双滑块情况中下面滑块的铁磁材料磁阻看做是电阻Rm3。把磁通看做电流，把磁动势看做电动势，按电路的方法等效计算，求得电感值。

图4所示为步进电机驱动控制器基本构成，步进电动机不能直接接到工频交流或者直流电源上工作，而必须使用专用的步进电机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的两个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。

图5为使用L297和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电动机驱动系统。L297是步进电机控制器，用来产生两相双极性驱动信号(1、2、3、4)与电机电流设定，L298是用来驱动步进电机的电力输出，由于采用双极性驱动，因此电机线圈完全利用，使步进电机可以达到最佳驱动。其控制过程：在输入面板中设置电抗值，所需数值输入微机中通过程序处理，对L297发出相应控制信号(时钟信号、正反转信号、复位信号及使能控制信号)，L297芯片产生相应信号控制L298发出两相双极性驱动信号设定电机电流，从而改变滑动可调部分的位置，驱动滑块部分至微机程序计算位置，从而达到所需电抗值的实现与可调节。

图6为本发明的流程图，当按下开机按钮，系统初始化，提示输入需要得到的电抗值，根据输入的电抗值，计算机系统通过计算得到滑动模块需要向上拖动的距离值，将处理得到的结果送入步进电机的微机控制单元，发出控制指令，使功率驱动单元驱动步进电机动作，拉动滑动模块运动到指定的位置，从而得到需要的电抗值。

Claims (4)

1.一种智能型楔入式平滑可调电抗器，包括连接步进电动机和滑动模块的中心轴(1)、铁芯(3)、绕组线圈(5)、滑动模块、步进电机(7)和单片机控制部分(6)，滑动模块置于铁芯气隙处，与铁芯紧密贴合。其特征在于滑动模块由导磁部分(2)和非导磁部分(4)构成，这两部分形状大小完全相同且紧密粘合，滑动模块可在铁芯气隙处上下移动。单片机控制部分(6)连接步进电机(7)，通过步进电机(7)控制移动滑动模块的位置，从而改变电感值大小。

2.根据权利要求1所述的智能型楔入式平滑可调电抗器，其特征在于：当滑动模块上下移动时，铁芯之间的导磁部分(2)与非导磁部分(4)体积比例改变，即交流磁通路径上的磁阻改变，使得电感值大小发生变化，同时由于滑动模块的特殊构造，可实现电抗值的平滑调节。

3.根据权利要求1所述的智能型楔入式平滑可调电抗器，其特征在于：滑块的初始位置如摘要附图，测量一些参数值如铁心标称外半径R₀、绕组内半径R₁、外半径R₂、高度H和匝数W等，根据计算公式可以算得电感值。对于带双气隙的电抗器，同时移动两个滑动模块时(摘要附图(a))计算公式为：

$L_{\mathrm{\Σ}}=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0[\frac{\mathrm{\π}}{3}(2R_1^2+R_2^2)-S/K_d][\mathrm{\πH}-2(R_1-R_0)]}{\mathrm{\π}{H}^2}+\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_x\sqrt{S}[\sqrt{S}+0.65\tan \mathrm{\θ}\·f+0.65\tan \mathrm{\θ}(f+g)]}{\tan \mathrm{\θ}\·f+\tan \mathrm{\θ}(f+g)}$

对于带单气隙的电抗器，移动滑动模块时(摘要附图(b))计算公式为：

$L_{\mathrm{\Σ}}=\frac{W^2{\mathrm{\μ}}_0[\frac{\mathrm{\π}}{3}(2R_1^2+R_2^2)-S/K_d][\mathrm{\πH}-2(R_1-R_0)]}{\mathrm{\π}{H}^2}+\frac{{2W}^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_x\sqrt{S}[\sqrt{S}+0.325\tan \mathrm{\θ}\·f+0.325\tan \mathrm{\θ}(f+g)]}{\tan \mathrm{\θ}\·f+\tan \mathrm{\θ}(f+g)}$

其中K_d为铁心叠片系数，f是滑动模块相对初始位置的移动距离。

4.根据权利要求1所述的智能型楔入式平滑可调电抗器，其特征在于：用单片机控制部分(6)连接步进电机(7)，通过步进电机(7)控制移动滑动模块的位置。将所需要得到的电抗值输入到计算机中，由计算机根据提前编写好的程序，完成运算，得到滑动模块需要移动的距离，控制滑动模块的移动。

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