CN103325528A - 一种带气隙直流控磁可调电抗器 - Google Patents

一种带气隙直流控磁可调电抗器 Download PDF

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Abstract

一种带气隙直流控磁可调电抗器，涉及直流控磁型可调电抗器调节电感技术领域。它为了解决现有直流控磁型可调电抗器易产生谐波的问题。本发明的交流绕组铁心柱、上铁轭、旁柱和下铁轭依次首尾相接组成矩形主磁路框架，中间铁心柱位于矩形主磁路框架内且与旁柱平行，直流绕组铁心柱位于旁柱与中间铁心柱之间且与下铁轭平行，上铁轭与中间铁心柱设置有气隙，直流绕组、定值电感L、可调电阻R、直流电压源Ud、开关S2和开关S1依次串联构成闭合回路，电容C的一端连接于定值电感L和可调电阻R之间，电容C的另一端连接于开关S1和开关S2之间。本发明具有不产生谐波的优点。本发明适用于直流控磁型可调电抗器技术领域。

Description

一种带气隙直流控磁可调电抗器
技术领域
本发明涉及直流控磁型可调电抗器技术领域，尤其涉及一种直流控磁型可调电抗器调节电感技术领域。
背景技术
目前，公知的利用直流助磁原理的可调电抗器，即利用附加直流励磁电流磁化电抗器的铁心，通过调节电抗器铁心的饱和程度，改变铁心的相对磁导率，实现电抗值连续可调。这种电抗器存在以下三点不足：一、电抗器铁心没有设置气隙，容易过饱和，产生谐波污染使电流畸变，并且铁心过饱和时磁导率会骤然下降影响电抗值的调节；二、需要用到电力电子器件，装置结构复杂，调节不方便；三、长期正常运行时，铁心处于磁饱和状态、损耗大、噪声大，且没有抑制直流电压源中的高频纹波的措施，谐波含量大。可见，铁心饱和对直流控磁型可调电抗器的影响非常大。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有直流控磁型可调电抗器易产生谐波的问题，提供一种带气隙直流控磁可调电抗器。
本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器包括交流绕组1、交流绕组铁心柱3、旁柱5、上铁轭6和下铁轭8，还包括直流绕组2、中间铁心柱4、直流绕组铁心柱7、可调电阻R、电容C、定值电感L、直流电压源Ud、开关S1和开关S2；
所述上铁轭6和下铁轭8为柱体，交流绕组铁心柱3、上铁轭6、旁柱5和下铁轭8依次首尾相接组成矩形主磁路框架，交流绕组1螺旋缠绕在交流绕组铁心柱3上；
中间铁心柱4位于矩形主磁路框架内，所述中间铁心柱4与旁柱5平行设置，直流绕组铁心柱7与下铁轭8平行设置，所述直流绕组铁心柱7的一端与旁柱5固定连接、另一端与中间铁心柱4固定连接，上铁轭6设置有气隙，所述气隙位于交流绕组铁心柱3与中间铁心柱4之间，中间铁心柱4设置有两个气隙，所述两个气隙中的一个气隙位于上铁轭6和直流绕组铁心柱7之间，另一个气隙位于直流绕组铁心柱7和下铁轭8之间，直流绕组2螺旋缠绕在直流绕组铁心柱7上；
直流绕组2、定值电感L、可调电阻R、直流电压源Ud、开关S2和开关S1依次串联构成闭合回路，电容C的一端连接于定值电感L和可调电阻R的公共端，电容C的另一端连接于开关S1和开关S2的公共端。
本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的交流绕组铁心柱3的横截面为圆形或矩形。
本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的中间铁心柱4的横截面为圆形或矩形。
本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的旁柱5的横截面为圆形或矩形。
本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的直流绕组铁心柱7的横截面为圆形或矩形。
本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的上铁轭6与下铁轭8的横截面均为矩形。
本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的交流绕组铁心柱3、中间铁心柱4、旁柱5、上铁轭6、直流绕组铁心柱7和下铁轭8的横截面面积相等。
本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的交流绕组1的横截面形状与交流绕组铁心柱3的横截面形状相同。
本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的直流绕组2的横截面形状与直流绕组铁心柱7的横截面形状相同。
本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的中间铁心柱4的两个气隙的长度均为l2，所述l2与上铁轭6的气隙长度l1的关系为：l2﹥l1。
本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的上铁轭6和中间铁心柱4均设置有气隙，交流绕组铁心柱3和中间铁心柱4不会出现饱和现象，因此不会产生任何谐波。
附图说明
图1为本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的结构图；
图2为机械结构部分的正视图；
图3为图2的俯视图；
图4为图2的左视图；
图5为本发明所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器包括交流绕组1、交流绕组铁心柱3、旁柱5、上铁轭6和下铁轭8，还包括直流绕组2、中间铁心柱4、直流绕组铁心柱7、可调电阻R、电容C、定值电感L、直流电压源Ud、开关S1和开关S2；
所述上铁轭6和下铁轭8为柱体，交流绕组铁心柱3、上铁轭6、旁柱5和下铁轭8依次首尾相接组成矩形主磁路框架，交流绕组1螺旋缠绕在交流绕组铁心柱3上；
中间铁心柱4位于矩形主磁路框架内，所述中间铁心柱4与旁柱5平行设置，直流绕组铁心柱7与下铁轭8平行设置，所述直流绕组铁心柱7的一端与旁柱5固定连接、另一端与中间铁心柱4固定连接，上铁轭6设置有气隙，所述气隙位于交流绕组铁心柱3与中间铁心柱4之间，中间铁心柱4设置有两个气隙，所述两个气隙中的一个气隙位于上铁轭6和直流绕组铁心柱7之间，另一个气隙位于直流绕组铁心柱7和下铁轭8之间，直流绕组2螺旋缠绕在直流绕组铁心柱7上；
直流绕组2、定值电感L、可调电阻R、直流电压源Ud、开关S2和开关S1依次串联构成闭合回路，电容C的一端连接于定值电感L和可调电阻R的公共端，电容C的另一端连接于开关S1和开关S2的公共端。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的区别在于：所述的交流绕组铁心柱3的横截面为圆形或矩形。
具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的区别在于：所述的中间铁心柱4的横截面为圆形或矩形。
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的区别在于：所述的旁柱5的横截面为圆形或矩形。
具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的区别在于：所述的直流绕组铁心柱7的横截面为圆形或矩形。
具体实施方式六：结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的区别在于：所述的上铁轭6与下铁轭8的横截面均为矩形。
具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的区别在于：所述的交流绕组铁心柱3、中间铁心柱4、旁柱5、上铁轭6、直流绕组铁心柱7和下铁轭8的横截面面积相等。
具体实施方式八：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的区别在于：所述的交流绕组1的横截面形状与交流绕组铁心柱3的横截面形状相同。
具体实施方式九：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的区别在于：所述的直流绕组2的横截面形状与直流绕组铁心柱7的横截面形状相同。
具体实施方式十：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器的区别在于：所述的中间铁心柱4的两个气隙的长度均为l2，所述l2与上铁轭6的气隙长度l1的关系为：l2﹥l1。
具体实施方式十一：结合图5说明本实施方式，本实施方式所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器在使用过程中，当开关S1和开关S2断开时，即直流绕组2中的直流电流为零，交流绕组1接入交流电压Ua产生交流磁通，由于中间铁心柱4带有两个大气隙磁阻很大，所以交流磁通全部沿着支路9流通，此时直流绕组2中没有感应交流电动势、无交流电流。忽略掉交流绕组铁心柱3的磁阻，磁动势全部降落在上铁轭6的气隙上，此时交流绕组1所产生的交流磁通经过的磁路总磁阻为R1，则电感量L为：
L = N 1 2 R 1 = N 1 2 μ 0 S 1 l 1
式中，N1为交流绕组1的匝数，R1为上铁轭6的气隙磁阻，μ0为真空磁导率，其值为已知常数μ0=4π×10-7H/m，S1为上铁轭6中的气隙磁通等效截面面积。
当开关S1和开关S2都闭合时，直流绕组2被注入一个大小可调的直流电流并产生直流磁通，确定直流绕组2的绕向，使直流磁通在上铁轭6、旁柱5、直流绕组铁心柱7和中间铁心柱4组成的磁路中的流通方向为逆时针方向，使直流磁通在下铁轭8、旁柱5、直流绕组铁心柱7和中间铁心柱4组成的磁路中的流通方向为顺时针方向（如图5中的支路12），调节直流电流幅值的大小改变直流磁通，当直流磁通与交流磁通大小相等时，迫使交流磁通全部流向支路10或支路11（如果交流电流正半周期时产生的交流磁通全部流经支路10，则交流电流在负半周期时产生的交流磁通全部流经支路11），此时交流绕组1所产生的交流磁通经过的磁路总磁阻为R1+R2，则电感量L为：
L = N 1 2 R 1 + R 2 = N 1 2 μ 0 S 1 S 2 l 1 S 2 + l 2 S 1
式中，R2为中间铁心柱4中的一个气隙磁阻，S2为中间铁心柱4的气隙磁通等效截面面积。
再推导此时需要的直流电流的大小，分别对交流磁路和直流磁路列磁路欧姆定律得：
                 N1I1=Hl=φ(R1+R2)
                 N2I2=Hl=φR2
上述两式相比得出：
I 2 = N 1 N 2 R 2 R 1 + R 2 I 1
式中，I2为直流绕组2中的直流电流，N2为直流绕组2的匝数，I1为交流电流有效值。
此时需要可调电阻R的最小值为：
R min = Ud I 2 = Ud I 1 N 2 N 1 R 1 + R 2 R 2
此时由于直流绕组2中有交流磁通流过，在直流绕组2中会感应出交流电动势、产生交流电流，定值电感L和电容C形成LC回路，使交流电压全部降落在定值电感L和电容C上，起到保护直流电压源的作用，同时定值电感L和电容C也有抑制直流电压源中的高频纹波的作用。
此时直流绕组2中感应出的交流电动势有效值为：
U = N 2 N 1 Ua
式中，Ua为电网交流电压有效值。
此时LC回路中的交流电流有效值为：
I = N 2 N 1 Ua ωC ω 2 LC - 1
除了上述两种特殊情况外，当闭合开关S1与开关S2时，调节可调电阻R的大小，使 0 < I 2 < N 1 N 2 R 2 R 1 + R 2 I 1 , 直流控磁型可调电抗器的电感值在
Figure BDA00003500201400056
与
Figure BDA00003500201400057
之间变化，调节气隙磁阻R1与R2的比例关系，可以在很大范围内调节电感量。
本实施方式所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器在直流绕组2中注入一个大小可变的直流电流，通过调节直流磁通的大小，迫使交流绕组1所产生的交流磁通流过不同磁路，进而改变交流磁路的等效磁阻，实现电感值连续无级可调；结构简单、噪声低、响应速度快、调节方便；上铁轭6和中间铁心柱4均设置有气隙，交流绕组铁心柱3和中间铁心柱4不会出现饱和现象，因此不会产生任何谐波；且定值电感L和电容C不仅为直流绕组2中感应出的交流电动势提供闭合回路、起到保护直流电压源的作用，还能抑制直流电压源中的高频纹波。

Claims (10)

1.一种带气隙直流控磁可调电抗器，包括交流绕组(1)、交流绕组铁心柱(3)、旁柱(5)、上铁轭(6)和下铁轭(8)，其特征在于：它还包括直流绕组(2)、中间铁心柱(4)、直流绕组铁心柱(7)、可调电阻R、电容C、定值电感L、直流电压源Ud、开关S1和开关S2；
所述上铁轭(6)和下铁轭(8)为柱体，交流绕组铁心柱(3)、上铁轭(6)、旁柱(5)和下铁轭(8)依次首尾相接组成矩形主磁路框架，交流绕组(1)螺旋缠绕在交流绕组铁心柱(3)上；
中间铁心柱(4)位于矩形主磁路框架内，所述中间铁心柱(4)与旁柱(5)平行设置，直流绕组铁心柱(7)与下铁轭(8)平行设置，所述直流绕组铁心柱(7)的一端与旁柱(5)固定连接、另一端与中间铁心柱(4)固定连接，上铁轭(6)设置有气隙，所述气隙位于交流绕组铁心柱(3)与中间铁心柱(4)之间，中间铁心柱(4)设置有两个气隙，所述两个气隙中的一个气隙位于上铁轭(6)和直流绕组铁心柱(7)之间，另一个气隙位于直流绕组铁心柱(7)和下铁轭(8)之间，直流绕组(2)螺旋缠绕在直流绕组铁心柱(7)上；
直流绕组(2)、定值电感L、可调电阻R、直流电压源Ud、开关S2和开关S1依次串联构成闭合回路，电容C的一端连接于定值电感L和可调电阻R的公共端，电容C的另一端连接于开关S1和开关S2的公共端。
2.根据权利要求1所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器，其特征在于：所述的交流绕组铁心柱(3)的横截面为圆形或矩形。
3.根据权利要求1所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器，其特征在于：所述的中间铁心柱(4)的横截面为圆形或矩形。
4.根据权利要求1所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器，其特征在于：所述的旁柱(5)的横截面为圆形或矩形。
5.根据权利要求1所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器，其特征在于：所述的直流绕组铁心柱(7)的横截面为圆形或矩形。
6.根据权利要求1所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器，其特征在于：所述的上铁轭(6)与下铁轭(8)的横截面均为矩形。
7.根据权利要求1所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器，其特征在于：所述的交流绕组铁心柱(3)、中间铁心柱(4)、旁柱(5)、上铁轭(6)、直流绕组铁心柱(7)和下铁轭(8)的横截面面积相等。
8.根据权利要求1所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器，其特征在于：所述的交流绕组(1)的横截面形状与交流绕组铁心柱(3)的横截面形状相同。
9.根据权利要求1所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器，其特征在于：所述的直流绕组(2)的横截面形状与直流绕组铁心柱(7)的横截面形状相同。
10.根据权利要求1所述的一种带气隙直流控磁可调电抗器，其特征在于：所述的中间铁心柱(4)的两个气隙的长度均为l2，所述l2与上铁轭(6)的气隙长度l1的关系为：l2﹥l1。
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