CN112992510A - 自励式三相三柱型电调磁控电抗器 - Google Patents

自励式三相三柱型电调磁控电抗器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种属于电气控制技术领域的自励式三相三柱型电调磁控电抗器。为了节电、缩短反应时间、保证输出波形和降低成本，采用鼠笼形三相三柱对称铁芯，交流工作绕组是由分别绕于三个铁芯柱的主绕组和隔离绕组组成，直流控制绕组是由分别绕于上、下轭铁芯的绕组组成。隔离绕组的一端互相连接，另一端与三相直流控制电源的输入端连接。直流控制绕组互相串联后并联，其两端与三相直流控制电源的输出端连接。通过三相直流控制电源对部分交流工作电流的调控，实现了对电抗器的自励式调控。具有体积小、重量轻、成本低、损耗少、反应快、无谐波、节省电能的特点。既可以对电压、电流进行调控，也可以进行无功补偿。

Description

自励式三相三柱型电调磁控电抗器
技术领域
本发明涉及一种属于电气控制技术领域的自励式三相三柱型电调磁控电抗器。
技术背景
现有的以直流电流改变铁芯导磁率对电抗值进行调节的磁控电抗器可以分为二种，一种是磁饱和电抗器CSR，另一种是磁阀电抗器MCR。其中磁饱和电抗器CSR铁芯上分别设置交流工作绕组和直流控制绕组，通过外接直流电源控制直流绕组电流改变铁芯饱和度而调控交流工作绕组的电抗值。存在这样的不足：由于直流控制绕组的安匝数(IKNK)与交流工作绕组的安匝数(ISCNG)相等，直流控制绕组需要额外耗用一定的电能而造成浪费。反应时间长，交流绕组串联接法的为1/10秒，并联接法则更长。输出波形中三次谐波明显增大，不但不适应对波形有要求的负载、场所，并且对电网、周边环境与设备构成电磁污染与干扰。三相的需要六个铁芯柱，不但铁芯用量大，成本高，铁损也必然大。磁阀电抗器MCR虽然无独立的直流控制绕组而不额外耗用电能，但是，不但反应时间长、输出波形中也有三次谐波，而且电磁噪声和铁芯发热等方面超过CSR，三相的同样是六个铁芯柱。
一种公告号为：103680844 B三铁芯柱他励三相磁控电抗器采用叠插片铁芯，调控方式为他励式。在反映时间、励磁节电和铁芯材料利用率方面仍有遗憾。
基于此，本发明试图提供一种不但节电、而且反应时间短、既无谐波、又降低了成本的自励式三相三柱型电调磁控电抗器。
为了实现这一目的，采用这样的技术方案：
发明内容
一种自励式三相三柱型电调磁控电抗器，包括：三相三柱铁芯、交流工作绕组、直流控制绕组和三相直流控制电源，其特征是：所述自励式三相三柱型电调磁控电抗器是由绕在鼠笼形三相三柱对称铁芯上的、通过三相直流控制电源互相连接的交流工作绕组和直流控制绕组组成。
所述鼠笼形三相三柱对称铁芯的上轭和下轭是由六边形卷绕铁芯组成，三个铁芯柱分别固定在上轭不相邻的三个边与下轭不相邻的三个边之间。所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的主绕组和隔离绕组组成。所述直流控制绕组是由分别绕在上轭的另外三个边、下轭的另外三个边上的各个绕组组成。所述三相直流控制电源是由三相线性电抗器分别与三相桥式调压整流电路的交流输入端相连接而组成。所述隔离绕组的一端互相连接，另一端与所述三相直流控制电源的交流输入端连接。上轭的各个直流控制绕组之间、下轭的各个直流控制绕组之间分别以此首与彼尾相连接的方式串联后并联，其两端与所述三相直流控制电源的直流输出端连接。通过三相直流控制电源的调控，使电、磁混合调控产生的交流工作电流发生无级变化。
在本发明的另一种型式中，所述鼠笼形三相三柱对称铁芯是由立体三角形卷绕铁芯组成。所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的主绕组和隔离绕组组成。所述直流控制绕组是由分别绕在三角形上轭的三个边、三角形下轭的三个边上的各个绕组组成。
在本发明的另一种型式中，所述鼠笼形三相三柱对称铁芯是由三个口字形叠插式铁芯的边柱与边柱拼成的立体三角形铁芯组成。所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的主绕组和隔离绕组组成。所述直流控制绕组是由绕在三角形上轭的三个边、三角形下轭的三个边上的各个绕组组成。
在本发明的另一种型式中，所述交流工作绕组是由具有中间抽头的绕组组成，所述三相直流控制电源的交流输入端与绕组的中间抽头连接，其直流输出端与直流控制绕组的两端连接。
在本发明的另一种型式中，所述三相直流控制电源是由晶闸管与三相线性电抗器各相串联成TCR后分别与三相桥式整流电路的交流输入端相连接而组成。
本发明具有这样的特点：
1.在节电方面.
由于采用自励式技术方案，既交流工作绕组中的隔离绕组通过三相直流控制电源与直流控制绕组连接，实现了用交流工作绕组的部份电流变成的直流调控电流对电抗器进行自励，从而不再额外消耗直流调控功率而达到了节电目的。同时，还减小了铁损。
2.在性能方面.
由于绕于铁芯上下轭的直流控制绕组构成的公共电路兼有谐波治理功能、并且采用电调与磁控相结合的混合调控方案，不但三次谐波被廉价治理，而且反应时间缩短了近1/10秒，并提高了调整速度。
3.在成本方面
采用三相三柱对称铁芯，不但铁芯柱数量由六个减少至三个，使体积减小、重量减轻、成本降低，而且卷绕式铁芯材料利用率更高、成本更低。
附图说明
图1是鼠笼形三相三柱对称铁芯的形状、结构图。
图2是自励式三相三柱型电调磁控电抗器的星形接线图。
图3是三相直流控制电源的一种电路型式。
图4是三相直流控制电源的另一种电路型式。
具体实施方式一
下面结合附图对自励式三相三柱型电调磁控电抗器作进一步说明.
采用图1所示鼠笼形三相三柱对称铁芯制做的图2所示自励式三相三柱型电调磁控电抗器包括：鼠笼形三相三柱对称铁芯上、下轭1、铁芯柱2、交流工作主绕组3、隔离绕组4、直流控制绕组5和三相直流控制电源6。鼠笼形三相三柱对称铁芯的上、下轭1是由六边形卷绕铁芯构成，三个铁芯柱2分别固定在上轭1不相邻的三个边与下轭1不相邻的三个边之间。三个铁芯柱2上分别绕有交流工作主绕组3和隔离绕组4。上轭不相邻的另外三个边、下轭不相邻的另外三个边分别绕有直流控制绕组5。三个隔离绕组4的一端互相连接，另一端分别与三相直流控制电源6的交流输入端连接。上轭的各个直流绕组5之间、下轭的各个直流绕组5之间分别以此首与彼尾相接的方式串联后并联，其两端与三相直流控制电源6的正、负输出端连接。
三相直流控制电源6是由三相线性电抗器L与由二极管D1～D3和单向晶闸管G1～G3搭成的三相桥式调压整流电路组成。接入方式是线性电抗器L各相绕组的一端与二极管D和单向晶闸管G的串接点相连接，各相绕组的另一端为交流输入端分别与三个隔离绕组4连接，调压整流电路的正、负输出端与直流控制绕组5的两端连接。
本自励式三相三柱型电调磁控电抗器是这样工作的：
电路调控的工作过程与状态.
当三相直流控制电源6中晶闸管的导通角从零开始增大时，输出给直流控制绕组5的调控电流立刻从零开始增大。这时，电调磁控电抗器的状态等效成变压器，隔离绕组4成为三相直流控制电源6的交流电源，直流控制绕组5成为其负载，交流工作主绕组3的电流随晶闸管导通角的增大而立刻增大。可见，此时交流工作主绕组3的电流是通过磁路经隔离绕组4与直流控制绕组5构成回路。随晶闸管导通角的增大，交流工作主绕组3、隔离绕组4的电流同时增大。由于是晶闸管在电路直接调控，交流工作主绕组3产生电流的启始时间与晶闸管开通的时间几乎同步，因而，交流工作主绕组3产生交流电流的时间、既电调磁控电抗器的反应时间提前了近1/10秒。晶闸管的导通角减小时，交流工作主绕组3的电流、隔离绕组4的电流同时线性减小，电调磁控电抗器电流减小的反应时间同样提前了近1/10秒。显然，采用隔离绕组4作为三相直流控制电源6的交流电源、以直流控制绕组5作为负载的方案，一方面，缩短了电调磁控电抗器产生电流的反应时间。另一方面，实现了自励、既交流工作主绕组3的电流通过磁路经三相直流控制电源6调压整流后成为直流控制绕组5的励磁电流。因而，不再额外耗用直流调控功率，从而达到节电目的。
磁路调控的工作过程与状态.
当晶闸管的导通角增大时，直流控制绕组5的电流立刻增大，在使交流工作主绕组3电流增大的同时、还使铁芯上下轭的导磁率开始下降，致使交流工作主绕组3的电抗值随之开始减小。在电路调控产生的电流基础上、交流工作主绕组3中因导磁率减小、电抗值下降而产生的磁控电流开始增大，并与电路调控形成的电流相叠加而继续增大。晶闸管的导通角线性减小时，铁芯上、下轭的导磁率随之开始上升，交流工作主绕组3的磁控电流随铁芯导磁率的回升而减小，由电调与磁控共同调控而产生的电流随之减小。
由六边形卷绕铁芯构成的上下轭不但构成了公共磁路，而且三个铁芯柱两侧的磁路都是对称的。绕在公共磁路的、互相串联的直流控制绕组5则组成了对称的公共电路，使无论是由磁控、还是由晶闸管直接电调产生的三次谐波在对称的公共电路形成的互感电压的瞬时值都为零、既任意时刻三相交流工作主绕组3的三次谐波在三相对称的公共电路产生的互感电压都大小相等但相位相反而互相抵消。由于三次谐波可以分解为其他奇次(5、7…)谐波，故其他各奇次谐波也为零。因而，不但铁芯柱数量由六个减少至三个而节省了铁芯材料，而且又构成了廉价的交流消谐电路。
显而易见，采用鼠笼形三相三柱对称铁芯以及电调与磁控相结合的混调模式，不但交流工作主绕组3的电流是由晶闸管电路
直接调控形成的电调电流和铁芯导磁率变化产生的磁控电流共同组成，而且无论电流增大还是减小，每次电流发生变化都是电调电流变量在前、磁控电流变量在后，既晶闸管电路直接调控产生电流变量的时间节点是在磁控电流未产生变量之前的电抗器反映时间内。因而，既减小了时间常数，又节省了直流励磁功率。从而，兼有TCR的反应时间短、调整速度快、不额外消耗励磁功率和CSR、MCR的容量大、工作电压高的共同优点。
晶闸管的导通角如此往复的增大、减小，使电、磁混合调控产生的交流工作电流从小到大、从大到小的发生无级变化。
具体实施方式二
图2所示的自励式三相三柱型电调磁控电抗器的另一种实施方式是铁芯采用立体三角形卷绕铁芯，三个铁芯柱上分别绕有主绕组3和隔离绕组4。三角形上轭的三个边和三角形下轭的三个边上分别绕有直流控制绕组5。三个隔离绕组4的一端互相连接，另一端分别与三相直流控制电源6的交流输入端连接。上轭的各个直流绕组5之间、下轭的各个直流绕组5之间分别以此首与彼尾相接的方式串联后并联，其两端与三相直流控制电源6的正、负输出端连接。
三相直流控制电源6是由三个晶闸管G的一端分别与三相线性电抗器L各相绕组的一端连接成等效电抗器TCR后与三相整流桥连接组成，其中线性电抗器L各相绕组具有中间抽头。接入方式是晶闸管的另一端为交流输入端分别与隔离绕组4连接，各相绕组的中间抽头进行三角形连接，线性电抗器L各相绕组的另一端与由二极管D1～D6组成的三相桥式整流电路中同向串联的二极管之间的接点相连接，三相桥式整流电路的正、负输出端与直流控制绕组5的两端连接。
三相三柱对称铁芯型式、三相直流控制电源的电路改变后是这样工作的：
电路调控的工作过程与状态.
由于三相直流控制电源6中TCR的线性电抗器L的绕组具有中间抽头，形成了两个支路。其中一个支路是由线性电抗器L绕组的中间抽头进行三角形连接而构成的交流支路。另一个支路是由线性电抗器L绕组的另一端与三相桥式整流电路的交流输入端连接后其正、负输出端与直流控制绕组5两端连接而构成的直流支路。当TCR中晶闸管的导通角开始增大时，交流支路、直流支路的电流立刻同时增大。这时，电调磁控电抗器状态等效成变压器，隔离绕组4成为三相直流控制电源6的交流电源，TCR中交流支路的电抗和直流支路的直流电阻分别成为交、直流负载，交流工作主绕组3的电流随晶闸管导通角的增大而立刻增大。可见，此时交流工作主绕组3电流是通过磁路分别与交流支路、直流支路构成回路。随晶闸管导通角的增大，交流工作主绕组3、隔离绕组4的电流同时增大。由于是晶闸管在电路直接调控，交流工作主绕组3产生电流的启始时间与晶闸管开通的时间几乎同步，因而，交流工作主绕组3产生交流电流的时间、既电调磁控电抗器的反应时间提前了近1/10秒。晶闸管的导通角减小时，交流工作主绕组3的电流、隔离绕组4的电流同时减小，电流减小的反应时间同样提前了近1/10秒。显然，采用隔离绕组4作为三相直流控制电源6的交流电源、并以交流支路和直流支路作为负载的方案，一方面，缩短了电调磁控电抗器产生电流的反应时间。另一方面，实现了自励、既交流工作主绕组3的部分电流经过三相直流控制电源6调压整流后成为直流控制绕组5的励磁电流。因而，不再额外耗用直流调控功率，从而收到了节电成效。
增加交流支路后，交流工作主绕组3的电流不再只是直流控制电流，而是交流支路与直流支路电流之和，因而，增大了电路直接调控电流在交流工作主绕组3中的占比，有利于满足各种不同的调控需要。
磁路调控的工作过程与状态.
当TCR中晶闸管的导通角增大时，一方面，交流支路的电流立刻增大，交流工作主绕组3电流立刻随之增大。另一方面，直流支路中直流控制绕组5的电流也同时增大，在使交流工作主绕组3电流增大的同时、还使铁芯上下轭的导磁率开始下降、交流工作主绕组3的电抗值开始线性减小。在电路直接调控产生的电流基础上、交流工作主绕组3中由导磁率减小导致的电抗值下降而产生的磁控电流开始增大，并与前者的电控电流相叠加而继续增大。晶闸管的导通角线性减小时，铁芯上、下轭的导磁率随之开始上升，交流工作主绕组3的磁控电流随电抗值上升而减小，由电调与磁控共同形成的工作电流减小。
立体三角形卷绕铁芯上下轭不但也分别构成了公共磁路，而且三个铁芯柱两侧的磁路也都是对称的。绕在公共磁路的、互相串联的直流控制绕组5则组成了对称的公共电路，使无论是由磁控、还是由晶闸管直接电调产生的三次谐波在对称的公共电路形成的互感电压的瞬时值都为零、既任意时刻三相交流工作主绕组3的三次谐波在三相对称的公共电路产生的互感电压都大小相等但相位相反而互相抵消。由于三次谐波可以分解为其他奇次(5、7…)谐波，故其他各奇次谐波也为零。可见，不但铁芯柱数量由六个减少至三个而节省了铁芯材料，而且立体三角形卷绕铁芯的上、下轭和三个芯柱都为卷绕结构，材料利用率更高，成本更低。同样，也构成了廉价的交流消谐电路。
采用电调与磁控相结合的混调模式，不但交流工作主绕组3的电流是由TCR在电路直接调控形成的电流和铁芯导磁率变化产生的电流共同组成，而且无论电流增大还是减小，每次电流发生变化都是电控电流变量在前、磁控电流变量在后，既TCR在电路直接调控产生电流变量的时间节点是在磁控电流未产生变量之前的电抗器反映时间内。因而，既减小了时间常数，又节省了直流励磁功率。从而，也兼有TCR的反应时间短、调整速度快、不额外消耗励磁功率和CSR、MCR的容量大、工作电压高的共同优点。
TCR中晶闸管的导通角如此往复的增大、减小，使电、磁混合调控产生的交流工作电流从小到大、从大到小的发生无级变化。

Claims (10)

1.一种自励式三相三柱型电调磁控电抗器，包括：三相三柱铁芯、交流工作绕组、直流控制绕组和三相直流控制电源，其特征是：所述自励式三相三柱型电调磁控电抗器是由绕在鼠笼形三相三柱对称铁芯上的、通过三相直流控制电源互相连接的交流工作绕组和直流控制绕组组成。
2.根据权利要求1所述的自励式三相三柱型电调磁控电抗器，其特征是：所述鼠笼形三相三柱对称铁芯的上轭和下轭是由六边形卷绕铁芯组成，三个铁芯柱分别固定在上轭不相邻的三个边与下轭不相邻的三个边之间；所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的主绕组和隔离绕组组成；所述直流控制绕组是由分别绕在上轭的另外三个边、下轭的另外三个边上的各个绕组组成；所述三相直流控制电源是由三相线性电抗器分别与三相桥式调压整流电路的交流输入端相连接而组成；所述隔离绕组的一端互相连接，另一端与所述三相直流控制电源的交流输入端连接；上轭的各个直流控制绕组之间、下轭的各个直流控制绕组之间分别以此首与彼尾相连接的方式串联后并联，其两端与所述三相直流控制电源的直流输出端连接；通过三相直流控制电源的调控，使电、磁混合调控产生的交流工作电流发生无级变化。
3.根据权利要求1所述的自励式三相三柱型电调磁控电抗器，其特征是：所述鼠笼形三相三柱对称铁芯是由立体三角形卷绕铁芯组成；所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的主绕组和隔离绕组组成；所述直流控制绕组是由分别绕在三角形上轭的三个边、三角形下轭的三个边上的各个绕组组成。
4.根据权利要求1所述的自励式三相三柱型电调磁控电抗器，其特征是：所述鼠笼形三相三柱对称铁芯是由三个口字形叠插式铁芯的边柱与边柱拼成的立体三角形铁芯组成；所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的主绕组和隔离绕组组成；所述直流控制绕组是由绕在三角形上轭的三个边、三角形下轭的三个边上的各个绕组组成。
5.根据权利要求1～4所述的自励式三相三柱型电调磁控电抗器，其特征是：所述交流工作绕组是由具有中间抽头的绕组组成，所述三相直流控制电源的交流输入端与绕组的中间抽头相连接，其直流输出端与直流控制绕组的两端连接。
6.根据权利要求1～5所述的自励式三相三柱型电调磁控电抗器，其特征是：所述三相直流控制电源是由三相线性电抗器和三相桥式调压整流电路组成；其中线性电抗器各相绕组的一端与三相桥式调压整流电路中二极管与晶闸管串联的接点相连接，各相绕组的另一端为交流输入端，三相桥式调压整流电路的正、负端为直流输出端。
7.根据权利要求1～5所述的自励式三相三柱型电调磁控电抗器，其特征是：所述三相直流控制电源是由晶闸管、三相线性电抗器和三相桥式整流电路组成，所述线性电抗器各相绕组具有中间抽头；其中晶闸管的一端分别与三相线性电抗器的一端连接成TCR，三相线性电抗器的另一端分别与三相桥式整流电路中同相串联的二极管之间的接点连接，各相绕组的中间抽头进行三角形连接，晶闸管的另一端为交流输入端，三相桥式整流电路的正、负端为直流输出端。
8.根据权利要求1～5所述的自励式三相三柱型电调磁控电抗器，其特征是：所述三相直流控制电源是由分别具有两个绕组的三相线性电抗器、晶闸管和三相桥式调压整流电路组成；两个绕组的一端互相连接后为交流输入端，其中一个绕组的另一端与晶闸管串接成TCR后进行三角形连接，另一个绕组的另一端与三相桥式调压整流电路中二极管与晶闸管的串接点相连接，三相桥式调压整流电路的正、负端为直流输出端。
9.根据权利要求1～5所述的自励式三相三柱型电调磁控电抗器，其特征是：所述三相直流控制电源是由工作在开关状态(PWM)的电力电子器件制做的三相桥式调压整流电路组成。
10.根据权利要求7所述的三相直流控制电源，其特征是：所述三相线性电抗器的另一端进行三角形连接，各相绕组的中间抽头分别与三相桥式整流电路中同相串联的二极管之间的接点连接，晶闸管的另一端为交流输入端，三相桥式整流电路的正、负端为直流输出端。
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