CN109326428B

CN109326428B - 一种磁控电抗器及方法

Info

Publication number: CN109326428B
Application number: CN201811271234.4A
Authority: CN
Inventors: 李晓明
Original assignee: Individual
Current assignee: Li Xiaoming; Jining Power Supply Co
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2020-03-10
Anticipated expiration: 2038-10-29
Also published as: CN109326428A

Abstract

本公开提供了一种磁控电抗器及方法，具有线圈的至少一对铁芯柱上设置有磁阀，且磁阀的形状和大小被配置为能够使磁控电抗器铁芯的磁化曲线由a1、a2和a5顺次连接的线段连接而成，其中，a1是磁化曲线起始点，对应的磁感应强度为零；a2为在磁化曲线起始点到膝点之间的某一点，a2对应的磁感应强度B2在零和膝点所对应的磁感应强度之间；a5对应的磁感应强度等于膝点所对应的磁感应强度，a5对应的磁场强度为磁控电抗器的电抗电流最大值的峰值。本公开通过磁阀设计，可获得磁控电抗器铁芯理想磁化曲线，使磁控电抗器高次谐波含量最小。

Description

一种磁控电抗器及方法

技术领域

本公开涉及一种磁控电抗器及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

电抗器在电力系统中的应用非常广泛。在一些应用领域，电抗器的电抗值是固定不变的；而在另一些应用领域，电抗器的电抗值应随着电力系统运行方式的变化而不断调节。电抗值可以连续调节的可控电抗器是重要研究课题。

磁控电抗器(也称：饱和电抗器)利用闭环铁心磁化曲线的非线性特性，通过连续调节闭环铁心上直流线圈中直流电流的大小来调节闭环铁心的饱和程度，实现连续调节闭环铁心上交流线圈(电抗线圈)电抗值的大小。

由于磁控电抗器工作在闭环铁心磁化曲线的非线性区段，磁控电抗器的电流中会产生大量高次谐波电流。高次谐波电流对电力系统有危害，所以，需要研究减小磁控电抗器中高次谐波电流的措施。1986年苏联科学家提出在磁控电抗器铁芯上设计一个矩形磁阀，以减小磁控电抗器电流中的高次谐波含量。效果良好，获得广泛应用。随着技术的发展，磁控电抗器磁阀的形状由一开始的矩形，且数量只有一个，发展到后期的数个、多种化的形状(例如阶梯状、三角状等等)。

然而，目前磁控电抗器的磁阀的设置位置、方式和原则等往往只凭经验，不同产家生产的磁控电抗器性能差别较大，在实际应用中，存在质量不统一、容易出现较多含量的高次谐波等问题，具体的效果不能令人满意。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种磁控电抗器及方法，本公开提供的磁控电抗器能够有效减少高次谐波含量，使其趋向于最小，具有理想磁化曲线。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种磁控电抗器，具有线圈的至少一对铁芯柱上设置有磁阀，且磁阀的形状和大小被配置为能够使磁控电抗器铁芯的磁化曲线由a1、a2和a5顺次连接的线段连接而成，其中，a1是磁化曲线起始点，对应的磁感应强度为零；a2为在磁化曲线起始点到膝点之间的某一点，a2对应的磁感应强度B2在零和膝点所对应的磁感应强度之间；a5对应的磁感应强度等于膝点所对应的磁感应强度，a5对应的磁场强度为所述磁控电抗器的电抗电流最大值的峰值。

一种磁控电抗器，具有线圈的至少一对铁芯柱上设置有磁阀，且磁阀的形状和大小被配置为能够使磁控电抗器铁芯的磁化曲线由a1与a2所在的磁化曲线段和a2与a5所在的直线段连接而成，其中，a1是磁化曲线起始点，对应的磁感应强度为零；a2为在磁化曲线起始点到膝点之间的某一点，a2对应的磁感应强度B2在零和膝点所对应的磁感应强度之间；a5对应的磁感应强度等于膝点所对应的磁感应强度，a5对应的磁场强度为所述磁控电抗器的电抗电流最大值的峰值。

以下进一步的限定,对于上述两种磁控电抗器都适用。

作为进一步的限定，所述a2为磁化曲线起始点到膝点之间，且对应的磁感应强度小于或等于膝点所对应的磁感应强度的一半。

作为进一步的限定，所述a5点对应的磁感应强度与a2点对应的磁感应强度的差小于或等于膝点所对应的磁感应强度的一半。

作为进一步的限定，所述磁阀的结构为缺口，且所述缺口设置在相应一对铁芯柱上的对称位置，且所述缺口的形状对称，大小一致。

作为更进一步的限定，所述缺口的形状包括但不限于矩形、阶梯形状、三角形、梯形和/或弧形。

作为更进一步的限定，所述缺口的设置位置为铁芯内部。

作为更进一步的限定，所述缺口的数量为若干个。

作为进一步的限定，设置磁阀的铁芯的、非磁阀位置的截面积等于(K₃S+K₄S)，且(K₃S+K₄S)大于或等于S；其中：K₃小于或等于1，K₄小于或等于1，S为同等容量的、没有设置任何磁阀的变压器铁芯柱的截面积。

一种磁控电抗器的生产/优化方法，具有线圈的至少一对铁芯柱上加工磁阀，且磁阀的形状和大小被配置为能够使磁控电抗器铁芯的磁化曲线由a1、a2和a5顺次连接的线段连接而成，或由a1与a2所在的磁化曲线段和a2与a5所在的直线段连接而成，其中，a1是磁化曲线起始点，对应的磁感应强度为零；a2为在磁化曲线起始点到膝点之间的某一点，a2对应的磁感应强度B2在零和膝点所对应的磁感应强度之间；a5对应的磁感应强度等于膝点所对应的磁感应强度，a5对应的磁场强度为所述磁控电抗器的电抗电流最大值的峰值。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开提供了一种能够实现不同产家磁控电抗器的磁阀设计更为优化的方式，通过合理的磁阀设计，可获得磁控电抗器铁芯理想磁化曲线，使磁控电抗器高次谐波含量最小。

本公开可以设计不加直流电流的磁控电抗器，其特性就可以接近电抗器特性，不加直流电流的磁控电抗器的优点是，不需要电抗器铁芯柱中的铁芯饼和气隙垫块，振动减小，噪声较小。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1表示一种磁控电抗器。

图2表示具有磁阀的磁控电抗器磁芯。

图3表示磁控电抗器磁芯的磁化曲线。

其中，1、端子I，2、端子II，3、闭环铁芯，4、控制模块。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

为了使得本领域技术人员更加形象的理解在一种或多种实施例中可以实现的磁控电抗器的结构与优化方法，在本实施例中，以一种已有的磁控电抗器进行详细的说明，其结构与连接方式如图1所示。其工作原理和细节设置，可参阅ZL201610607354.1，在此不再累赘。

当然，在其他实施例中，完全可以对其他连接方式的磁控电抗器的结构进行如本公开所提供的方式的优化，并不仅仅限于上述实施例。

如图1所示的已有的磁控电抗器铁芯3没有表述出磁阀。表示出矩形磁阀的磁控电抗器铁芯，如图2所示。磁阀的加工方法是已有知识，在此也不再累赘。

没有磁阀的已有的磁控电抗器铁芯3的四根铁芯柱的截面积等于同等容量变压器铁芯柱的截面积S。

如果磁控电抗器线圈匝数保持与现有的磁控电抗器一样，线圈导线的截面积也保持与现有的磁控电抗器一样，但磁控电抗器铁芯的截面积等于2S。这时，在铁芯还没有加工磁阀的状态下，磁控电抗器铁芯的磁化曲线如图3中的曲线a1、a2、a3、a4所示。磁控电抗器铁芯没有磁阀时的磁化曲线由a1、a2、a3、a4四点所在曲线平滑构成；其中：a1是磁化曲线起始点，a3是磁化曲线膝点，a2点在a1点与a3点之间，当磁控电抗器铁芯中的磁感应强度在a1、a2、a3磁化曲线段变化时，磁控电抗器铁芯没有发生饱和现象；a4点在磁控电抗器铁芯发生饱和现象的曲线段上。a1点对应的磁感应强度是零，a2点对应的磁感应强度是B2，a3点对应的磁感应强度是B3。定义：磁控电抗器铁芯的截面积是2S，且没有加工磁阀时，a3点对应的磁感应强度B3的值是B3_max。如果磁控电抗器不加直流电流，磁控电抗器端子1和端子2之间连接额定电压，铁芯中的磁感应强度在0～B2之间变化，磁感应强度B2是B3_max的一半，磁控电抗器电流是励磁电流，励磁电流很小。如果磁控电抗器不加直流电流，磁控电抗器端子1和端子2之间连接两倍额定电压，铁芯中的磁感应强度在0～B3_max之间变化，磁控电抗器电流还是励磁电流，励磁电流很小。如果磁控电抗器端子1和端子2之间连接两倍额定电压，且磁控电抗器加直流电流，铁芯中的磁感应强度在0～(K₁×B3_max)之间变化,其中K₁大于1，铁芯出现饱和，磁控电抗器电抗电流大于励磁电流。磁控电抗器加的直流电流越大，铁芯出现饱和程度越大，磁控电抗器电抗电流越大。调节磁控电抗器直流电流大小，可调节磁控电抗器电抗电流大小。磁控电抗器没有加直流电流时，磁控电抗器电抗电流有最小值；磁控电抗器加直流电流，可调节到磁控电抗器电抗电流最大值。

如果在截面积2S的铁芯上加工磁阀，磁阀处铁芯的截面积减小，如果设计磁阀处铁芯的截面积减小至S。如果磁控电抗器端子1和端子2之间连接额定电压，磁控电抗器不加直流电流，铁芯中的磁感应强度在0～(0.5×B3_max)之间变化。磁控电抗器没有饱和，磁控电抗器只流过很小的励磁电流。如果磁控电抗器端子1和端子2之间连接额定电压，且磁控电抗器加直流电流，铁芯中的磁感应强度在0～(K₂×0.5×B3_max)之间变化,其中K₂大于1；由于磁阀处铁芯的截面积只有S，磁感应强度大于(0.5×B3_max)时，磁阀处的铁芯开始饱和；造成磁控电抗器电抗电流大于励磁电流。磁控电抗器加的直流电流越大，磁阀处饱和程度越大，磁控电抗器电抗电流越大。调节磁控电抗器直流电流大小，可调节磁控电抗器电抗电流大小。由于磁控电抗器铁芯只在磁阀处这一小段区域饱和，磁控电抗器铁芯非磁阀处的大部分区域不饱和，所以，有磁阀的磁控电抗器产生的高次谐波含量小于没有磁阀的磁控电抗器。

设计磁阀的形状和大小，使磁控电抗器铁芯的磁化曲线如图3中的曲线a1、a2、a5所示，其中：a2点与a5点是直线段的两端点，a2点对应的磁感应强度是B2；a5点对应的磁场强度是H5，磁场强度与线圈电流成正比，所以，可以用电流i5表示磁场强度H5。a5点对应的磁感应强度是B5，设计B5＝B3_max，即(B5-B2)＝(0.5×B3_max)；这时，再设计电流i5等于磁控电抗器所需调节到的最大电流值的峰值i5_max，则磁控电抗器在最大电流状态工作时，绝大部分时间工作在磁化曲线的线段a2、a5之间，线段a2、a5为直线段。所以，磁控电抗器在最大电流状态工作时，电流中的高次谐波含量几乎等于零。

如果磁控电抗器没有加直流电流时的磁控电抗器的最小电流值不要求等于励磁电流，磁控电抗器的最小电流值可以大于励磁电流，则可以设计磁化曲线a1、a2、a5中的折点a2下降，即a2对应的磁感应强度小于(0.5×B3_max)。仍然保持(B5-B2)＝(0.5×B3_max)。折点a2下降，就是设计磁阀处铁芯截面积等于K₃S，K₃小于1。磁控电抗器铁芯非磁阀的截面积为(K₃S+S)。实现节约铁芯材料，降低磁控电抗器体积和重量。且磁控电抗器在最大电流状态工作时，绝大部分时间还是工作在磁化曲线的线段a2、a5之间，线段a2、a5为直线段。所以，磁控电抗器在最大电流状态工作时，电流中的高次谐波含量几乎等于零。

不难看出，K₃越小，磁控电抗器铁芯非磁阀的截面积越小，磁控电抗器体积和重量越小；但磁控电抗器没有加直流电流时的磁控电抗器的最小电流值越大。如果令K₃＝0.1，磁控电抗器磁阀处的铁芯截面积为0.1S，磁控电抗器铁芯非磁阀区段的截面积为0.1S+S＝1.1S。磁控电抗器没有加直流电流时的磁控电抗器的最小电流值比较大了。不难看出，磁化曲线a1与a2线段很短，大部分由磁化曲线a2与a5确定的直线段确定；这时，不加直流电流的磁控电抗器特性就很接近电抗器特性。电抗器的电抗电流不会产生高次谐波，这时的磁控电抗器中的电流还含有量值不大的高次谐波，但带来的好处是，去除了电抗器铁芯柱中的铁芯饼和气隙垫块，振动减小，噪声较小。

如果不要求磁控电抗器工作在最大电流值时的非基波含量最小，只要磁控电抗器工作在最大电流值时的非基波含量不是太大即可，可以设计(B5-B2)＝(K₄×0.5×B3_max)，K₄小于1。磁控电抗器在最大电流状态工作时，一部分时间工作在磁化曲线的线段a1、a2之间，一部分时间工作在磁化曲线的线段a2、a5之间。磁控电抗器在最大电流状态工作时，电流中的高次谐波含量增大。K₄越小，高次谐波含量越大。(B5-B2)小于(0.5×B3_max)所带来的好处是，磁控电抗器铁芯非磁阀的大部分区段的截面积是(K₃S+K₄S),(K₃S+K₄S)大于或等于S，可节约铁芯材料，降低磁控电抗器体积和重量。

通过加工磁阀，可把磁控电抗器铁芯的原来磁化曲线a1、a2、a3、a4，变为曲线a1、a2、a5。磁阀的形状可以是矩形，阶梯形状，三角形磁阀，或其他形状；可以是一个、两个、或多个；也可是几种形状的组合，磁阀还可以设计在铁芯内部。所谓加工磁阀，就是大部分区段的磁控电抗器铁芯截面积保持不变，在磁控电抗器有线圈的一对铁芯柱上，分别在对称位置、用对称形状把两铁芯柱某一小区段的铁芯部分削除，使该区段铁芯截面积小于其他区段的铁芯截面积。

在实际生产加工中，为了简化磁阀的加工工艺和节约材料，不必使磁控电抗器铁芯的磁化曲线一丝不差地如图3中的曲线a1、a2、a5所示，其中：线段a2、a5为直线。只要磁控电抗器铁芯的磁化曲线接近曲线a1、a2、a5即可。

本发明的一种具有理想磁化曲线的磁控电抗器可用现有技术设计制造，完全可以实现，有广阔应用前景。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims

1.一种磁控电抗器，具有线圈的至少一对铁芯柱上设置有磁阀，且磁阀的形状和大小被配置为能够使磁控电抗器铁芯的磁化曲线由a1、a2和a5顺次连接的线段连接而成，其中，a1是磁化曲线起始点，对应的磁感应强度为零；a2为在磁化曲线起始点到膝点之间的某一点，a2对应的磁感应强度B2在零和膝点所对应的磁感应强度之间；a5对应的磁感应强度等于膝点所对应的磁感应强度，a5对应的磁场强度为所述磁控电抗器的电抗电流最大值的峰值；

设置磁阀的铁芯的、非磁阀位置的截面积等于(K₃S+K₄S)，且(K₃S+K₄S)大于或等于S；其中：K₃小于或等于1，K₄小于或等于1，S为同等容量的、没有设置任何磁阀的变压器铁芯柱的截面积。

2.如权利要求1所述的一种磁控电抗器，其特征是：所述a2为磁化曲线起始点到膝点之间，且对应的磁感应强度小于或等于膝点所对应的磁感应强度的一半。

3.如权利要求1所述的一种磁控电抗器，其特征是：所述a5点对应的磁感应强度与a2点对应的磁感应强度的差小于或等于膝点所对应的磁感应强度的一半。

4.如权利要求1所述的一种磁控电抗器，其特征是：所述磁阀的结构为缺口，且所述缺口设置在相应一对铁芯柱上的对称位置，且所述缺口的形状对称，大小一致。

5.如权利要求4所述的一种磁控电抗器，其特征是：所述缺口的设置位置为铁芯内部。

6.如权利要求4所述的一种磁控电抗器，其特征是：所述缺口的数量为若干个。

7.一种磁控电抗器，其特征是：具有线圈的至少一对铁芯柱上设置有磁阀，且磁阀的形状和大小被配置为能够使磁控电抗器铁芯的磁化曲线由a1与a2所在的磁化曲线段和a2与a5所在的直线段连接而成，其中，a1是磁化曲线起始点，对应的磁感应强度为零；a2为在磁化曲线起始点到膝点之间的某一点，a2对应的磁感应强度B2在零和膝点所对应的磁感应强度之间；a5对应的磁感应强度等于膝点所对应的磁感应强度，a5对应的磁场强度为所述磁控电抗器的电抗电流最大值的峰值。

8.如权利要求7所述的一种磁控电抗器，其特征是：所述a2为磁化曲线起始点到膝点之间，且对应的磁感应强度小于或等于膝点所对应的磁感应强度的一半。

9.如权利要求7所述的一种磁控电抗器，其特征是：所述a5点对应的磁感应强度与a2点对应的磁感应强度的差小于或等于膝点所对应的磁感应强度的一半。

10.一种磁控电抗器的生产/优化方法，其特征是：具有线圈的至少一对铁芯柱上加工磁阀，且磁阀的形状和大小被配置为：由a1与a2所在的磁化曲线段和a2与a5所在的直线段连接而成，其中，a1是磁化曲线起始点，对应的磁感应强度为零；a2为在磁化曲线起始点到膝点之间的某一点，a2对应的磁感应强度B2在零和膝点所对应的磁感应强度之间；a5对应的磁感应强度等于膝点所对应的磁感应强度，a5对应的磁场强度为所述磁控电抗器的电抗电流最大值的峰值。