CN110415938A - 一种磁控电抗器铁芯结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种磁控电抗器铁芯结构及设计方法，包括位于两侧的交流铁芯柱，以及设置在两交流铁芯柱之间的多个线圈铁芯柱，且各交流铁芯柱与相邻的线圈铁芯柱之间通过交流旁轭连接，形成交流闭环磁通环路，相邻的线圈铁芯柱之间通过直流旁轭连接，形成直流闭环磁通环路；各线圈铁芯柱上设置有若干磁阀；各交流铁芯柱和交流旁轭的截面积等于S；直流旁轭的截面积大于或等于S，小于1.2S，磁阀处剩余的铁芯截面积等于K₃S，非磁阀位置的截面积等于(K₃S+K₄S)，且1<(K₃+K₄)≤2，K₃≤1，S为同等容量变压器铁芯柱的截面积。能够使磁控电抗器铁芯有理想磁化曲线，体积与重量较小，电流高次谐波含量较小。

Description

一种磁控电抗器铁芯结构及设计方法

技术领域

本公开属于磁控电抗器设计技术领域，具体涉及一种磁控电抗器铁芯结构及设计方法。

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。现有研究发现在磁控电抗器铁芯上设计一磁阀，能够有效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。

然而，据发明人了解，目前磁控电抗器的磁阀的设置方式和原则往往只凭经验，不同产家生产的磁控电抗器性能差别较大，性能不能令人满意。

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铁芯结构及设计方法，本公开提供的磁控电抗器铁芯结构有理想磁化曲线，还能使铁芯体积与重量较小，磁控电抗器电流高次谐波含量较小。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种磁控电抗器铁芯结构，包括至少两个交流铁芯柱，以及设置在两交流铁芯柱之间的多个线圈铁芯柱，且各交流铁芯柱与相邻的线圈铁芯柱之间通过交流旁轭连接，形成交流闭环磁通环路，相邻的两个线圈铁芯柱之间通过直流旁轭连接，形成直流闭环磁通环路；各线圈铁芯柱上设置有若干磁阀；

其中，各交流铁芯柱、交流旁轭的截面积等于S；直流旁轭的截面积大于或等于S，小于1.2S；磁阀处剩余的铁芯截面积等于K₃S，非磁阀位置的截面积等于(K₃S+K₄S)，且1<(K₃+K₄)≤2，K₃≤1，S为同等容量变压器铁芯柱的截面积。

本公开中，多个是指至少两个。

作为可选择的实施方式，各线圈铁芯柱上的磁阀有多个。

作为可选择的实施方式，各磁阀的形状、大小和/或个数可以一致也可以不一致。

作为可选择的实施方式，所述磁阀的截面呈矩形与等腰三角形的组合，且矩形的宽边一端连接等腰三角形的底边，矩形的长是L,等腰三角形的高是H，3<(L/H)<10。

作为可选择的实施方式，各线圈铁芯柱上的磁阀设置在远离直流闭环磁通环路的路径上。

作为可选择的实施方式，各线圈铁芯柱上的磁阀设置在靠近交流磁通的路径上。

作为可选择的实施方式，各交流铁芯柱、交流旁轭和直流旁轭的截面积可以相同，也可以不同。

一种磁控电抗器铁芯结构的设计方法，在两个交流铁芯柱之间并排设置多个线圈铁芯柱，每两个相邻的铁芯柱的端部均通过旁轭连接在一起，形成闭合环路，在各线圈铁芯柱上设计有若干磁阀；

其中，各交流铁芯柱和交流旁轭的截面积等于S；直流旁轭的截面积大于或等于S，小于1.2S；磁阀处剩余的铁芯截面积等于K₃S，非磁阀位置的截面积等于(K₃S+K₄S)，且1<(K₃+K₄)≤2，K₃≤1，S为同等容量变压器铁芯柱的截面积。

一种用电设备，包括上述磁控电抗器铁芯结构或基于所述设计方法得到的结构。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开提供的磁控电抗器铁芯结构，通过配置各交流铁芯柱和交流旁轭的截面积等于S；直流旁轭的截面积大于等于S，小于1.2S，磁阀处剩余的铁芯截面积等于K₃S，非磁阀位置的截面积等于(K₃S+K₄S)，且1<(K₃+K₄)≤2，K₃≤1，S为同等容量变压器铁芯柱的截面积，能够使磁控电抗器铁芯有理想磁化曲线，还能使铁芯体积与重量较小，磁控电抗器电流高次谐波含量较小。

本公开通过在各线圈铁芯柱上磁阀，且磁阀设置在远离直流闭环磁通环路的流环路径上/靠近交流磁通的流环路径上，有利于线圈铁芯柱的非磁阀位置的铁芯饱和，实现直流电流的灵敏控制；有利于交流磁通流过磁阀，减小磁控电抗器电流的高次谐波分量。

附图说明

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

图1是实施例一的磁控电抗器铁芯结构；

图2是实施例二的磁控电抗器铁芯结构。

其中，5、交流铁芯柱I，6、线圈铁芯柱I，7、线圈铁芯柱II，8、交流铁芯柱II，9、交流旁轭I，10、直流旁轭，11、交流旁轭II。

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，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。

实施例一：

如图1所示，磁控电抗器铁芯，线圈铁芯柱I6上线圈产生的交流磁通在线圈铁芯柱I6、交流铁芯柱I5、交流旁轭I9构成的闭环铁芯磁路流通。线圈铁芯柱II7上线圈产生的交流磁通在线圈铁芯柱II7、交流铁芯柱II8、交流旁轭II11构成的闭环铁芯磁路流通。线圈铁芯柱I6与线圈铁芯柱II7上线圈产生的直流磁通在线圈铁芯柱I6、线圈铁芯柱II7、直流铁芯柱10构成的闭环铁芯磁路流通。线圈铁芯柱I6、线圈铁芯柱II7上有磁阀。

具体的电抗器线圈结构可参阅CN106026813A。或选用其他现有结构，在此不再赘述。

本实施例的磁控电抗器铁芯的交流铁芯柱I5、交流铁芯柱II8、交流旁轭I9、直流旁轭10、交流旁轭II11的截面积与传统磁控电抗器铁芯相应位置的铁芯截面积相同，即等于同等容量变压器铁芯柱的截面积S；线圈铁芯柱I6、线圈铁芯柱II7上非磁阀位置的截面积等于(K₃S+K₄S)，且(K₃S+K₄S)大于S，等于或小于2S；其中：K₃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。磁阀处剩余的铁芯截面积等于K₃S，K₃小于或等于1。

可以分析，如果交流铁芯柱I5、交流铁芯柱II8、交流旁轭I9、交流旁轭II11的截面积等于同等容量变压器铁芯柱的截面积S，磁控电抗器在额定电压条件下，交流铁芯柱I5、交流铁芯柱II8、交流旁轭I9、交流旁轭II11就不会出现饱和现象。因此交流铁芯柱I5、交流铁芯柱II8、交流旁轭I9、交流旁轭II11的截面积可以不必大于S。如果交流铁芯柱I5、交流铁芯柱II8、交流旁轭I9、交流旁轭II11的截面积大于S，不能提高磁控电抗器性能指标，却增加磁控电抗器重量与体积。

直流旁轭10截面积大于S，在线圈铁芯柱II6与线圈铁芯柱II7的直流磁势作用下，线圈铁芯柱II6与线圈铁芯柱II7的饱和作用有所加强。但磁控电抗器铁芯体积与重量加大。再考虑制造方便因素，平衡利弊，直流旁轭10截面积等于S或略大于S，比较合适。

考虑工艺与裕度要求，以及实际经验，磁控电抗器铁芯的交流铁芯柱I5、交流铁芯柱II8、交流旁轭I9、交流旁轭II11的截面积取等于同等容量变压器铁芯柱的截面积S，直流旁轭10的截面积取等于或大于同等容量变压器铁芯柱的截面积S，小于1.2S。这样，磁控电抗器铁芯结构就能够使磁控电抗器铁芯有理想磁化曲线，磁控电抗器高次谐波含量最小，还能使铁芯体积与重量较小。磁控电抗器铁芯的交流铁芯柱I5、交流铁芯柱II8、交流旁轭I9、直流旁轭10、交流旁轭II11的截面积不必与线圈铁芯柱II6与线圈铁芯柱II7的截面积相同。

磁控电抗器铁芯中的直流磁通流通路径越短，越有利于线圈铁芯柱I6、线圈铁芯柱II7上非磁阀位置的铁芯饱和，实现直流电流的灵敏控制。所以，线圈铁芯柱I6、线圈铁芯柱II7上的磁阀应远离直流磁通的较短的流通路径。

磁阀设计在交流磁通流通路径较短的路径上，越有利于交流磁通流过磁阀，交流磁通流过磁阀的比例就越大，可减小磁控电抗器电流的高次谐波分量。所以，线圈铁芯柱I6、线圈铁芯柱II7上的磁阀应尽可能设计在交流磁通的较短的流通路径上。

如图1所示，线圈铁芯柱I6上线圈产生的交流磁通在线圈铁芯柱I6、交流铁芯柱I5、交流旁轭I9构成的闭环铁芯磁路流通。交流磁通在线圈铁芯柱I6的左半边流通时，路径较短。所以，磁阀设计在线圈铁芯柱I6的左半边为好。线圈铁芯柱I6上线圈产生的直流磁通在线圈铁芯柱I6、线圈铁芯柱II7、直流旁轭10构成的闭环铁芯磁路流通。直流磁通在线圈铁芯柱I6的右半边流通时，路径较短。所以，磁阀也是设计在线圈铁芯柱I6的左半边为好。

同理，线圈铁芯柱II7上的磁阀设计在线圈铁芯柱II7的右半边为好。如图1所示。

当然，本实施例中，线圈铁芯柱I6、线圈铁芯柱II7上的磁阀均为两个，为矩形，磁阀是矩形结构，可以实现磁控电抗器最小电流和最大电流时，高次谐波与基波的比例较小。其他电流状态时，谐波与基波的比例较大。

在其他实施例中，每个线圈铁芯柱上的磁阀的数量可以更改，每个线圈铁芯柱上的磁阀数量可以一致，也可以不一致。且磁阀的形状也可以更改，如改为三角形、弧形等等。

例如提供另一种优选结构如图2所示，即实施例二：

线圈铁芯柱I、线圈铁芯柱II上的磁阀是矩形与等腰三角形的组合。线圈铁芯柱I、线圈铁芯柱II上的磁阀的矩形深是L,等腰三角形的高是H，(L/H)大于3，小于10。该实施例的磁阀是矩形与等腰三角形的组合。非磁阀铁芯与磁阀通过等腰三角形过渡，可减小其他电流状态时，谐波与基波的比例。

上述实施例的一种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。

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

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 (10)

1.一种磁控电抗器铁芯结构，其特征是：包括至少两个交流铁芯柱，以及设置在两交流铁芯柱之间的多个线圈铁芯柱，且各交流铁芯柱与相邻的线圈铁芯柱之间通过交流旁轭连接，形成交流闭环磁通环路，相邻的线圈铁芯柱之间通过直流旁轭连接，形成直流闭环磁通环路；各线圈铁芯柱上设置有若干磁阀；

其中，各交流铁芯柱、交流旁轭的截面积等于S；直流旁轭的截面积大于或等于S，小于1.2S；磁阀处剩余的铁芯截面积等于K₃S，非磁阀位置的截面积等于(K₃S+K₄S)，且1<(K₃+K₄)≤2，K₃≤1，S为同等容量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铁芯结构，其特征是：各线圈铁芯柱上的磁阀有多个。

3.如权利要求1所述的一种磁控电抗器铁芯结构，其特征是：各磁阀的形状、大小和/或个数一致；

或，各磁阀的形状、大小和/或个数不一致。

4.如权利要求1所述的一种磁控电抗器铁芯结构，其特征是：所述磁阀的截面呈矩形与等腰三角形的组合，且矩形的宽边一端连接等腰三角形的底边，矩形的长是L,等腰三角形的高是H，3<(L/H)<10。

5.如权利要求1所述的一种磁控电抗器铁芯结构，其特征是：各线圈铁芯柱上的磁阀设置在远离直流闭环磁通环路的路径上。

6.如权利要求1所述的一种磁控电抗器铁芯结构，其特征是：各线圈铁芯柱上的磁阀设置在靠近交流磁通的路径上。

7.如权利要求1所述的一种磁控电抗器铁芯结构，其特征是：各交流铁芯柱、交流旁轭和/或直流旁轭的截面积相同。

8.如权利要求1所述的一种磁控电抗器铁芯结构，其特征是：各交流铁芯柱、交流旁轭和/或直流旁轭的截面积不同。

9.一种磁控电抗器铁芯结构的设计方法，其特征是：在两个交流铁芯柱之间并排设置多个线圈铁芯柱，每两个相邻的铁芯柱的端部均通过旁轭连接在一起，形成闭合环路，在各线圈铁芯柱上设计有若干磁阀；

其中，各交流铁芯柱和交流旁轭的截面积等于S；直流旁轭的截面积大于或等于S，小于1.2S；磁阀处剩余的铁芯截面积等于K₃S，非磁阀位置的截面积等于(K₃S+K₄S)，且1<(K₃+K₄)≤2，K₃≤1，S为同等容量变压器铁芯柱的截面积。

10.一种用电设备，其特征是：包括权利要求1-8中任一项所述的磁控电抗器铁芯结构或基于权利要求9所述设计方法得到的结构。