CN206673597U - 基于高低压双斩波的磁控电抗器快速励磁装置 - Google Patents

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杨玉涛
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Abstract

本实用新型涉及一种基于高低压双斩波的磁控电抗器快速励磁装置，包括整流变压器B1、低压整流/斩波电路DC1、高压整流/斩波电路DC2、功耗电阻R3、中和变压器L。采用全控型功率元件IGBT为斩波管，配合功耗电阻R3、中合变压器L、快速续流管Q3等加速措施实现了磁控电抗器的快速励磁，对提高磁控电抗器的响应速度，改善磁控电抗器的控制性能，扩展磁控电抗器的应用范围提供了性能优良的励磁装置。

Description

基于高低压双斩波的磁控电抗器快速励磁装置
技术领域
本实用新型涉及的是电力无功补偿设备，具体地说涉及一种基于高低压双斩波的磁控电抗器快速励磁装置。
背景技术
磁控电抗器因其容量或电抗值连续可调而成为电力系统重要的并联无功补偿设备，但随着磁控电抗器在电力无功补偿等领域的大量应用，其响应速度慢的不足也明显地显现了出来，使磁控电抗器在需要快速响应场合的应用受到了限制。提高磁控电抗器的响应速度，不仅是磁控电抗器技术深入研究的重要课题，也是扩大磁控电抗器的应用范围的需要。磁控电抗器响应速度的提高是一项复杂的技术工作，除了对电抗器本体的结构设计、参数设计等方面进行优化以外，研发具有快速励磁功能的励磁装置亦是提高磁控电抗器响应速度的重要措施。现行磁控电抗器的励磁装置大都采用晶闸管可控整流的实现方式，在中小功率的励磁系统中也有采用IGBT逆变方式来实现的。晶闸管可控整流的励磁方式虽然可以提供较大的励磁功率，但是由于受到晶闸管工作特点的限制，磁控电抗器的响应时间很难提高到30ms以内，并且励磁装置的功率因数低，又存在着高次谐波对电网的电磁干扰。采用IGBT逆变方式实现的励磁装置，虽然可以提高磁控电抗器的响应速度，但是励磁电路结构复杂，可靠性较差，提供大的励磁功率亦很困难。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型提出一种基于高低压双斩波的磁控电抗器快速励磁装置，该励磁装置由高低压两个斩波电路组成，成为具有控制简单、励磁速度快、应用范围宽的新型励磁装置。
本实用新型采用的技术方案为：基于高低压双斩波的磁控电抗器快速励磁装置，其基本特征在于，包括低压整流/斩波电路DC1和高压整流/斩波电路DC2；
低压整流/斩波电路DC1由整流变压器B1、整流管D1、D2与斩波管Q2组成；高压整流/斩波电路DC2由整流变压器B1、整流管D3、D4与斩波管Q1组成；高、低压斩波电路均采用IGBT元件Q1与Q2为斩波管。
各部件的连接关系：
（1）励磁变压器B1：其包括一次绕组和二次绕组；
其一次侧的绕组N1、N2、N3联结成“Δ”形，并与三相电源相连接；
其二次侧的绕组有N4、N5、N6和N7，其中绕组N4与N5的输出电压相同，为100V，作为整流二极管D1、D2的输入电压，构成低压全波整流电路；绕组N6与N7的输出电压相同，为1500V，作为整流二极管D3与D4的输入电压，构成高压全波整流电路；
励磁变压器B1二次侧的中心抽头B1X为高低压斩波输出电压的公共端；
（2）斩波管Q1 与Q2：斩波管Q1串联在高压全波整流电路中，输出路径为高压整流/斩波电路DC1；
斩波管Q2串联在低压全波整流电路中，输出路径为低压整流/斩波电路DC2；高压整流/斩波电路DC1与低压整流/斩波电路DC2的输出电流在DC2处并联在一起，成为励磁电流的正端，并与励磁变压器B1二次侧的中心抽头B1X构成励磁电流输出的公共通道；
（3）中和变压器L：其两个绕组L1、L2分别串联在励磁电流的正端与负端之中，两个绕组L1、L2的匝数相等，极性相反；
（4）功耗电阻R3：其与压敏电阻MOV均并联在励磁电流的正负端之间；
（5）续流管Q3：其与快速恢复二极管D10串联后并联在励磁电流的正负端之间。
本实用新型的优化，二极管D6与电阻R1并联，再与电容C3串联后与二极管D7并联，组成斩波管Q1的缓冲电路。
进一步优化，二极管D8与电阻R2并联，再与电容C4串联后与二极管D9并联，组成斩波管Q2的缓冲电路。
本实用新型的工作原理为：图1为快速励磁装置的电路图，整流二极管D1、D2组成低压全波整流电路，经电容器C2滤波后输出约100V的直流电压，再经斩波管Q2斩波后向磁控电抗器的励磁绕组Ld提供低压高频脉动直流电流。
整流二极管D3、D4组成高压全波整流电路，经电容器C1滤波后输出1500V的直流电压，再经斩波管Q1斩波后向磁控电抗器的励磁绕组Ld提供高压高频脉动直流电流。
串联在励磁电流的正端与负端之中的中和变压器L的两个绕组L1、L2的匝数相等，极性相反，磁控电抗器励磁绕组两端存在的交流感应电压因两个绕组L1、L2的极性相反而相互抵消，消除了该感应电压对斩波管Q1、Q2的安全威胁。
并联在励磁通道正负端之间（即磁控电抗器励磁绕组Ld两端）的功耗电阻R3具有提高励磁速度的作用。压敏电阻MOV用来为斩波管Q1、Q2提供过压保护。
二极管D7、D6，电容C3和电阻R1组成斩波管Q1的缓冲电路，吸收斩波管Q1在开关过程中集电极与发射极两端存在的尖峰电压。
二极管D9、D8，电容C4和电阻R2组成斩波管Q2的缓冲电路，吸收斩波管Q2在开关过程中集电极与发射极两端存在的尖峰电压。
在续流管Q3的发射极电路中之所以串联有快恢复二极管D10，是为了对Q3加以反向保护。
附图说明
图1为本实用新型快速励磁装置的电路图。
具体实施方式
为了使本实用新型的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，现结合具体实施例和附图，对本实用新型进行进一步阐述。
以下结合图1说明快速励磁装置的具体实施方式。
、快速励磁装置的基本结构
基于高低压双斩波的磁控电抗器快速励磁装置，其基本特征在于，包括低压整流/斩波电路DC1和高压整流/斩波电路DC2；
低压整流/斩波电路DC1由整流变压器B1、整流管D1、D2与斩波管Q2组成；高压整流/斩波电路DC2由整流变压器B1、整流管D3、D4与斩波管Q1组成；高、低压斩波电路均采用IGBT元件Q1与Q2为斩波管。
各部件的连接关系：
（1）励磁变压器B1：其包括一次绕组和二次绕组。
其一次侧的绕组N1、N2、N3联结成“Δ”形，并与三相电源相连接；
其二次侧的绕组有N4、N5、N6和N7，其中N4与N5的输出电压相同，为100V，作为整流二极管D1、D2的输入电压，构成低压全波整流电路；绕组N6与N7的输出电压相同，为1500V，作为整流二极管D3与D4的输入电压，构成高压全波整流电路；
励磁变压器B1二次侧的中心抽头B1X（励磁电流的负端）为高低压斩波输出电压的公共端。
（2）斩波管Q1与Q2：斩波管Q1串联在高压全波整流电路中，输出路径为高压整流/斩波电路DC1；
斩波管Q2串联在低压全波整流电路中，输出路径为低压整流/斩波电路DC2；高压整流/斩波电路DC1与低压整流/斩波电路DC2的输出电流在DC2处并联在一起，成为励磁电流的正端，并与励磁变压器B1二次侧的中心抽头B1X（励磁电流的负端）构成励磁电流输出的公共通道；
（3）中和变压器L：其两个绕组L1、L2分别串联在励磁电流的正端与负端之中，两个绕组L1、L2的匝数相等，极性相反；
（4）功耗电阻R3：其与压敏电阻MOV均并联在励磁电流的正负端之间；
（5）续流管Q3：其与快速恢复二极管D10串联后并联在励磁电流的正负端之间。
上述具体实施方式可以采用如下的优化方案，二极管D6与电阻R1并联，再与电容C3串联后与二极管D7并联，组成斩波管Q1的缓冲电路，吸收斩波管Q1在开关过程中集电极与发射极两端存在的尖峰电压。
进一步优化，二极管D8与电阻R2并联，再与电容C4串联后与二极管D9并联，组成斩波管Q2的缓冲电路，吸收斩波管Q2在开关过程中集电极与发射极两端存在的尖峰电压。
、快速励磁装置的设计原则与工作过程
根据磁控电抗器的工作原理，在磁控电抗器本体形成以后，提高磁控电抗器响应速度的主要因素则在于励磁装置。当需要增大磁控电抗器的容量时，即需要减小磁控电抗器的电抗值时，励磁装置要提供较大的励磁电流，使磁控电抗器在一定幅度内瞬时过励磁，缩短磁控电抗器励磁绕组电流增加的过程，从而提高磁控电抗器容量增大的响应时间；反之，当需要减小磁控电抗器的容量时，即需要增大磁控电抗器的电抗值时，励磁装置则要快速减小励磁电流，使磁控电抗器瞬时退磁，缩短磁控电抗器励磁绕组电流减小的过程，以此提高磁控电抗器容量减小的响应时间。本实用新型快速励磁装置就是根据上述工作原理研制的。
为了叙述方便，将快速励磁装置的工作过程分为“跃变上升”、“跃变下降”和“稳态”3个不同的工作状态。
所谓“跃变上升”指的是励磁电压由100V跃升到1500V的过程。在这个过程中，励磁电流也要大幅度增大，实现快速过励磁，使磁控电抗器的电抗值在原有的基础上大幅度减小，磁控电抗器的容量大幅度增加。“跃变上升”过程结束以后，磁控电抗器的励磁电流只在小范围内自动调整，以满足无功补偿值的要求，磁控电抗器则处于稳定工作状态，简称“稳态”。
所谓“跃变下降”指的是励磁电压由1500V跃减到100V的过程。在这个过程中，励磁电流也要大幅度减小，实现快速去磁，使磁控电抗器的电抗值在原有的基础上大幅度增大，磁控电抗器的容量大幅度减小。“跃变下降”过程结束以后，磁控电抗器的励磁电流只在小范围内自动调整，磁控电抗器处于新的 “稳态”。
表1显示了斩波管与续流管在不同励磁状态时的工作情况，表中“1”表示导通，“0”表示截止。
表1 斩波管与续流管在不同励磁状态时的导通情况
在“跃变上升”时，斩波管Q1导通，由整流电路提供的1500V直流电压经斩波管Q1高速斩波，成为高频脉动直流为磁控电抗器励磁。在斩波管Q1导通的同时，续流管Q3也导通，以快速释放磁控电抗器励磁绕组的储能。
在“跃变下降”时，斩波管Q2导通，由整流电路提供的100V直流电压经斩波管Q2高速斩波，成为高频脉动直流为磁控电抗器励磁。在斩波管Q2导通的同时，续流管Q3也导通，以快速释放磁控电抗器励磁绕组的储能。
当磁控电抗器处于“稳态”时，所需的最佳励磁电流值，均由斩波管控制脉冲的宽度所决定，励磁装置的控制系统会自动将励磁电流调整到最佳值。
在“跃变上升”的瞬间与“跃变下降”的瞬间，续流管Q3都要导通，到磁控电抗器的励磁绕组储能释放结束，Q3的集电极电压降低到低于其发射极电压时，Q3自动截止，续流结束。
实现快速励磁的技术措施
（1）采用高压斩波与低压斩波相互转换的励磁方式，可以实现励磁电压的大幅度跃变，使磁控电抗器的励磁电流随即引起大幅度快速变化，进而实现了磁控电抗器的快速响应。
（2）由于采用二极管整流替代了晶闸管整流，整流侧的输出电压与电流波形较晶闸管整流更加平滑，提高了励磁电流的连续性，既有利于提高励磁速度，又降低了励磁电路的谐波含量。
（3）励磁电压与励磁电流的调节由全控型斩波管IGBT驱动脉冲的宽度所决定，其导通与关断的状态变化只与控制脉冲有关，与交流电源的相位角无关，因而与晶闸管励磁电路相比，具有快速的控制能力。
（4）采用全控型元件IGBT为续流元件，提高了励磁绕组储能的释放速度。
（5）采用全控型元件IGBT为斩波管，其开关频率可达10~20kHz，远大于晶闸管可控整流时的100Hz，由公式τ=可知，在磁控电抗器功率放大系数KP一定的条件下，提高励磁回路的工作频率f，即可减小时间常数τ，进而提高了磁控电抗器的励磁速度。
（6）励磁回路中功耗电阻的引入，有利于提高励磁速度。根据公式 τ=，当铁心参数Uc一定时，励磁回路的时间常数τ与直流回路功耗Pk成反比。这就是通过引入功耗电阻提升励磁速度的理论依据。
应用实践表明，所研制的快速励磁装置，可以将磁控电抗器的响应时间控制在30ms以内，使磁控电抗器在风电、矿井提升机等功率因数变化频繁或冲击负荷的线路中发挥了良好的快速补偿作用，满足了电力系统无功补偿的需要。
上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述仅为本实用新型的优选例，本实用新型并不受上述优选例的限制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还可有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本实用新型要求保护的范围内。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.基于高低压双斩波的磁控电抗器快速励磁装置，其基本特征在于，包括低压整流/斩波电路DC1和高压整流/斩波电路DC2；
低压整流/斩波电路DC1由整流变压器B1、整流管D1、D2与斩波管Q2组成；高压整流/斩波电路DC2由整流变压器B1、整流管D3、D4与斩波管Q1组成；高、低压斩波电路均采用IGBT元件Q1与Q2为斩波管；
各部件的连接关系：
（1）励磁变压器B1：其包括一次绕组和二次绕组；
其一次侧的绕组N1、N2、N3联结成“Δ”形，并与三相电源相连接；
其二次侧的绕组有N4、N5、N6和N7，其中绕组N4与N5的输出电压相同，为100V，作为整流二极管D1、D2的输入电压，构成低压全波整流电路；N6与N7的输出电压相同，为1500V，作为整流二极管D3与D4的输入电压，构成高压全波整流电路；
励磁变压器B1二次侧的中心抽头B1X作为励磁电流的负端，也是高低压斩波输出电压的公共端；
（2）斩波管Q1与Q2：斩波管Q1串联在高压全波整流电路中，输出路径为高压整流/斩波电路DC1；
斩波管Q2串联在低压全波整流电路中，输出路径为低压整流/斩波电路DC2；高压整流/斩波电路DC1与低压整流/斩波电路DC2的输出电流在DC2处并联在一起，成为励磁电流的正端，并与励磁变压器B1二次侧的中心抽头B1X构成励磁电流输出的公共通道；
（3）中和变压器L：其两个绕组L1与绕组L2分别串联在励磁电流的正端与负端之中，两个绕组L1、L2的匝数相等，极性相反；
（4）功耗电阻R3：其与压敏电阻MOV均并联在励磁电流的正负端之间；
（5）续流管Q3：其与快速恢复二极管D10串联后并联在励磁电流的正负端之间。
2.根据权利要求1所述的基于高低压双斩波的磁控电抗器快速励磁装置，其特征在于，二极管D6与电阻R1并联，再与电容C3串联后与二极管D7并联，组成斩波管Q1的缓冲电路。
3.根据权利要求1所述的基于高低压双斩波的磁控电抗器快速励磁装置，其特征在于，二极管D8与电阻R2并联，再与电容C4串联后与二极管D9并联，组成斩波管Q2的缓冲电路。
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