CN86100229A - 带空气隙的自控可变电抗器 - Google Patents

Abstract

一个可变电感器，包括具有对应端相连的一个中央芯柱和两个外侧芯柱的磁芯；两个初级线圈，分别绕于外侧芯柱并串联联接，供以交流电流；两个控制线圈也串联连接，并叠加在初级线圈上。交流电流经整流供给控制线圈直流电流，各线圈的方向及连接方式要选择以使感应出的交流和直流磁通在一个外侧芯柱中同向而在另一个中反向。每个外侧芯柱包括一个在该芯柱中感应出的合成磁通所穿过的气隙，较好的是该气隙处于对应初级线圈和控制线圈中央。

Description

本发明涉及一个电力设备，即一种类型的可变电抗器，它包括有三芯柱磁芯，交流供电的初级线圈（或称输入线圈），以及一个直流控制回路。

一般，作可变电抗器用的初级线圈至少包括一个交流供电线圈，交流电流在三柱磁芯的二个磁柱中感应相同密度的交变磁通。另一方面，向控制电路提供直流电流，它在这二个芯柱内感应相同密度的直流磁通。交流和直流磁通在两个芯柱之中的一个助磁而在另一个中减磁，无论交流电流正、负半波都是如此。在两芯柱中的每一个磁柱中感应的直流磁通的作用，是使磁芯过饱和或欠饱和，确定交流磁导率，可以确定初级线圈电抗，通过对控制电路直流电流幅值的改变，致使改变在两个芯柱中感应出的直流磁通密度，就可以改变电抗值。人们已经提出调节直流电流数值的一个复杂系统，可获得一个理想工作特性的可变电抗，有些系统将初级线圈的交流电流进行整流，并将该整流后的电流提供给控制回路。

现有的这些可变电抗器所具有的缺点是工作特性不稳定，如对于磁芯材料的固有特性，磁芯构造的变化，由于受热或磁芯内最微小的位移，电源频率等对电抗值的影响都是很敏感的。另外，现有技术设计的这种电抗器不能获得初级线圈在交流变化范围内的最佳工作状态。因此，在初级线圈给定电压时端压微小的变化可变电抗无功功率的响应特性不好。而这种特性在交流调节时是很重要的。

因此，本发明基本出发点在于在二个芯柱中均引入气隙来消除上述各种缺点，而二磁柱中的交流和直流磁力线是同向或反向的。

更具体地，本发明提出的可变电抗器，包括：

三芯柱的磁芯，其中每一个都具有首端和末端，所有首端通过磁芯的首端公共点相互连接，所有的末端通过磁芯的末端公共点相互连接;交流供电的初级线圈;控制线圈以及向控制线圈提供直流电流的装置，所提供的直流幅值是随可变电抗器的参数而异。

初级线圈和控制线圈根据磁芯配备，以便交流电流和直流电流在第一个磁柱中感应出的交、直流磁力线分别在交流正，负半波内是同向或是反向。

而在这二芯柱中，当交流电流分别在正，负半波时交流磁通和直流磁通是相互反向或同向的。

在第一和第二芯柱内分别感应的直流磁通，其磁密随直流电流变化而异，从而改变初级线圈的感抗。

第一芯柱中感应出的合成磁通，穿过第一个芯柱和气隙，而第二芯柱中感应出的合成磁通穿过第二个芯柱及其气隙。

根据发明的最佳实施例，电参数即为向初级线圈供电的交流电流幅值，而直供电装置包括一个二极管桥式电路，该电路将初级线圈和控制线圈相互串联，对流过初级线圈的交流电流进行整流并向控制线圈提供整流电流（自控操作）。

根据本发明的另一最佳实施例，初级线圈包括相互串联的第一绕组和第二绕组，分别绕在第一和第二芯柱上，并供以交流电，这样该交流电即在第一芯柱中感应出第一交变磁通，在第二芯柱中感应出第二交变磁通，该第一和第二交变磁通在上述三芯柱的第三芯柱中彼此同向。而控制线圈包含一个附加在第一绕组上的第三绕组和一个附加在第二绕组上的第四绕组，第三和第四绕组相互串联，分别绕在第一和第二芯柱上，并供以直流电流，这样，该直流电流便感应直流磁通，该磁通在由第一和第二芯柱所确定的磁路内成回路。

较为可取的是，第一和第三绕组绕在第一芯柱上，这样第一芯柱上的气隙位于第一和第三绕组的中央，而第二和第四绕组也绕在第二芯柱上，第二芯柱上的气隙位于第二和第四绕组的中央。

可变电抗器可包括在磁芯绕上一个通以直流的偏流线圈，也可包括一个定值电抗器与一控制线圈串联。

本发明的目的，优点及其它特点将通过参考附图所给出的最佳实施例会更明显。其中：

图1a）表示按本发明带气隙的自控可变电抗器，该电抗器包括三芯柱磁芯。

图1b）表示图1a）中电抗器磁芯的三芯柱截面图的一种。

图1c）为图1a）中带空气间隙的自控可变电抗器的等值电路;

图2，3，4和5表示图1a）的可变电抗器不同工作的实际曲线和理论曲线。

图6a）和6b）对等值电路加以说明，即1a）中可变电抗器的工作特性可以由附加元件来调正。

图7表示按本发明将电抗器磁芯的两个芯柱上线圈特殊布置;

图8a），8b），8c）表示如何对电压调整器用的可变电抗器的工作特性进行调节。

图9表示在架空网络上，由电容耦合用可变电抗器来调整交流供电电压的情况。

如附图1a）所说明的，包括由标号1表示的磁芯，磁芯由中央芯柱2和外侧芯柱3和4组成，为了使磁芯1结构上方便，三个芯柱都基本安装在一个平面上。三个芯柱首端通过公共点34相连，其尾端通过公共点35连接，磁芯由叠片方便地构成，叠片平行布置于三个芯柱所在的平面上。这些叠片用图1b）上的标号20表示，图1b）表示芯柱2到4沿图1a）中A-A轴线所作的截面图。

当然，磁芯1各个芯柱叠片20的数量和厚度要根据磁芯的设计标准来选择。

正如图1b）所述，中央芯柱2和外侧芯柱3和4，每个具有交叉截面，截面几乎是环形并具有相同面积。

虽然外侧芯柱3，4的横截面具有相同面积是很重要的，但是中央芯柱2的横截面可以等于或大于芯柱3，4的面积，该三芯柱2，3和4的截面也可以是方形或矩形。

有必要进一步说明，由磁钢或其他磁性材料构成磁芯的钢片20在磁化曲线上具有拐点是很重要的。

为了避免在叠片20的连接区域内具有局部饱和现象，（这种现象会矫直磁化曲线的拐点），叠片20至少分三个阶梯角45°相接，图1a）上的5，6两处作为例子说明。

现在再回到图1a）磁芯的外侧芯柱3，在其中间有一个气隙7，同时外侧芯柱4在其中间有一个气隙8，这二个气隙7，8具有相同长度。

第一线圈1在此简称为“初级线圈”，是通过交流电源9供电的，第一线圈是由绕在外侧芯柱3上的第一线圈10a和绕在外侧芯柱4上的第二线圈10b组成。还有控制线圈是由叠加在线圈10a上的11a和叠加在线圈10b上的11b所组成。将具有相同匝数的线圈10a和10b串联，并将具有相同匝数的线圈11a和11b也串联。线圈10a和10b最好是沿外侧芯柱3环绕，以使气隙7位于它们的中心，用同样方式，线圈10b和11b沿外侧芯柱4环绕，以使气隙8置于它们的中心。线圈的这种布置是有好处的，因为它可以显著地减少在空气隙中的漏磁。

一个含有四个二极管的全波整流桥12将通过初级线圈的交流电流进行整流，供给控制线圈装置，从而自动控制可变电抗器：在此，将整流后的电流简称为“直流电流”。

实际上，整流桥12在电源9端之间把初级线圈以及控制线圈直接串联，以使初级线圈的交流电流被整流来供给控制线圈装置。因此，流过串联线圈1a和1b的直流电流的幅值是流过串联线圈10a和10b中交流电流的函数。

线圈11a和11b的极性及其串接都必需这样选择;即控制线圈装置中的直流所感应出的直流磁通沿着外侧芯柱3和4成固定的闭合磁路流过。因此，在中央芯柱中不产生直流磁通。在两外侧芯柱3，4内，由线圈11a和11b产生的直流磁通分别由箭头13，14表示。这种感应磁通的作用是使磁芯1过饱和或欠饱和。因此，初级线圈的阻抗减少，而通过初级线圈的交流电流就增加，直到达到稳定值。

通过初级线圈的交流电流值在每一时刻都为正值，线圈10a和10b分别产生由箭头15和16表示的交流磁通。交流磁通15和16在中央芯柱2内由17所示是相助的。

直流磁通13和交流磁通15彼此反向，以便在外侧芯柱3内产生由箭头18所示的合成磁通。相反地，直流磁通14和交流磁通16在外侧芯柱4内同方向，后者由箭头19表示。

当然，当电源9的交流电流在正半波时，交流磁通和直流磁通如上所述叠加。很容易理解，同样情况下，当通过线圈10a和10b的交流电流为负半波时，就会产生相反现象，在外侧芯柱3，4中由线圈10a和10b感应出的交流磁通具有相反的方向。

应该指出的是既使磁芯1的中央芯柱2与外侧芯柱3和4的横截面一样时，由于前面所述磁通的分布，剩余磁通以及磁芯的其它芯柱在饱和时产生的漏磁不得进入中央芯柱2，因此，中央芯柱2实际上达不到饱和。

图1c）表示为图1a）的带有气隙的自控电抗器的等值电路图。初级回路（包括串联连接的线圈10a和10b）的阻抗可用电阻R_p和电抗WL_p串联表示，而控制回路（串联的线圈11a和11b）的阻抗可以由电阻R_s和电抗WL_s串联表示，这里L_p是包括串联线圈10a和10b的初级回路的电感值，L_S是串联线圈11a和11b的电感值，并且W是初级线圈中交流电流频率f的角频率2πf。i_p是经过初级线圈的交流电流，i_s是流过控制线圈的直流电流，它是由电流i_p流过整流桥12整流获得。应该指出的是，电流i_s总是和经过整流桥12整流的电流同向，角标p与初级线圈装置有关，而角标s与控制线圈有关。

如图1c）所示，控制线圈11a的匝数是初级线圈10a匝数的n倍，n稍大于1。同样地，线圈11b的匝数是线圈10b匝数的n倍。

由于控制线圈11a和11b与初级线圈10a和10b的匝数比n稍大于1，并且流过线圈11a和11b的整流后的控制直流电流i_s总是等于或大于交流电流i_p的幅值，在每个外侧芯柱3或4中的合成磁通总具有相同极性，即由直流电流i_s感应的相应磁通决定的极性（见图1a）的箭头18和19）后面将描述没有偏流线圈的情况。

外侧芯柱3的磁路与外侧芯柱4相同，在两个芯柱中磁通也是相同的，但在相位上差180°。由于磁通是按局部磁滞回线在每个芯柱内产生，所在可变电抗器对有效电流i的曲线上，电流上升和下降是不相同的。图2描述该局部磁滞回线。

从i_s＝i_p＝i_max开始，i_max是交流电流i_p的峰值，当交流电流趋向于一i_max时，外侧芯柱3和4之一中的磁通f₁＝（ni_s+i_p）减少。与此同时，按不同曲线在趋于磁通值f₂＝〔（n+1）i_max〕附近，在另一外侧芯柱中磁通f₂（ni_s-i_p）增加。因此，图2的局部磁滞回线在电流值（n-1）i_max和（n+1）i_max之间。i_c表示矫顽磁性电流而f_r表示合成磁通。

在如下解释中，将使用部分非线性理论典型曲线。同时，也将简要讨论考虑其真实情况曲线如何对所得结果（即局部磁滞回线和磁化曲线的拐点）进行修正。

图3阐述非线性磁化曲线部分情况，它表示高压f（i）和电流i的关系。f（i）是在频率f时为获得电感值B所要求的交流电流i_p的峰值电压，根据关系式f（i）＝NωβA，这里W已经确定N是交流电流通过的线圈的匝数，A是用以提供磁通通路的磁芯的有效横截面。对于带气隙的自控可变电抗器的运行要得到尽可能接近图3的曲线是容易做到的。

图3中i＝0到i＝i₀之间的上半曲线的第一直线段具有斜率WL₁，第二直线段具有斜率WL₂，因此，i大于i₀，i₀为对应图3拐点的电流。

可变电抗器在稳定运行的特性，引人注目的是其工作峰值电压V₀及对应的峰值电流i_max，考虑到电阻R_S和R_S与无功WL_p+2WL₂和WL_S+2nWL₂比较可忽略不计，考虑到当二极管在零相位角导通时的端电压和可变电抗器的工作峰值电压相比可忽略不计，磁通f₁（ni_s+i_p）的减少等于磁通f₂（ni_s-i_p）的增加，即没有磁滞回线，那么就可以用数学方法描述，在稳态运行和形成两个直线段的磁化半曲线的情况，如图3所示，峰值电压V₀对峰值电流i_max形成三个具有不同斜率的直线段，图4就是用来描述V₀对i_max的曲线。

图4的上半曲线的第一直线段，0≦i_max≦i₀/（n+1）的斜率为（WL_p+2WL₁），因此按这一斜率电压V₀从0上升到

（WL_p+2WL₁）·i₀/（n+1）。

图4的上半曲线第二直线段

i₀/（n+1）≦i_max≦i₀/（n-1）的斜率为

m＝〔（WL_p+WL₁+WL₂）-n（WL₁-WL₂）〕

（1）

因此，工作峰值电压V₀沿直线段，电流i_max按斜率m从

i₀/（n+1）到i₀/（n-1），电压V₀从

V₀＝（ωL_p+2ωL₁）i₀/n+1到

V₀＝（ωL_p+2ωL₂）·i₀/n-1

在电流i_max≧i₀/（n-1）的范围内，图4的半曲线的第三段的斜率（ωL_p+2ωL₂），根据该斜率，电压V₀随i_max的函数发生变化。

图4的半曲线的不同斜率的直线段表明电抗器的工作峰值电压V₀随着初级线圈的输出电抗（ωL_p）变化而不决定控制线圈的电抗ωL_S。这一结论是完全通用的并且适用于如图3所示的典型磁化曲线和图2所示局部磁滞回路。

从斜率m的表达式中，可以看出适当地选择匝数n可以任意改变电压对电流的斜率，因为电流i_max处于i₀/（n+1）和i/（n+1）之间。

实际上是因为

(ωL_P+2ωL₁) (i₀)/(n+1) =(ωL_P+2ωL₂) (i₀)/((n-1))

即因为

n= ((ωL_P+ωL₁+ωL₂))/((ωL₁-ωL₂)) （2）

斜率m等于零，而且电压值是一常数，从图4的中间直线段的电流i_max的关系中可以得到这一电压值，即

V₀＝（ωL₁-ωL₂）i₀。

应该注意到电压值V₀＝（ωL₁-ωL₂）i₀与在图3的纵轴f（i）和斜率为ωL₂的线段的延长线的交点相对点。

当需要获得正或负的斜率m，完全可以适当地修正一个匝数比n。斜率对比值n的敏感性就像（ωL_p+2ωL）/（ωL_p+2ωL₁）一样小，即使斜率m被修正，图4的纵轴V₀和半曲线中心直线段的延长线的交点总是一个。应该注意在图4下半曲线上也会出现相同的现象。

以图3为例子用数学的方法建立的连续富里叶表达式来表示可变电抗器的初级线圈中的交流电流i_p，这就可能得到这个电流i_p的谐波分量的表达式。在电流i_p范围的两端，即0≦i_max≦i₀/（n+1）和i_max≧i₀/n-1，i_p是正弦的，因此仅含有基频。因此，在这电流范围的两端区间内可以对电流i_p进行谐波分析。这种分析表明除电流i_p在峰值时可以由下式表达：

$i_{\mathrm{m\; a\; x}}=\frac{i_0}{\mathrm{n\; 〔1-}\frac{{\mathrm{n(\omega \; L}}_1{\mathrm{-\omega \; L}}_2)}{{\mathrm{\omega \; L}}_S{\mathrm{+n}}^2{\mathrm{\omega \; L}}_2{\mathrm{+n}}^2{\mathrm{\omega \; L}}_1}〕}$

以外电流具有高次谐波分量。在这个区间范围以外，电流是完全正弦的。这些结果很重要，实际上，当给定峰值电流i_max，电压V₀的幅值如上所述取决于ωL_S，有可能通过精确调节ωL_S来修正电流波形而获得正弦波，当电流i_max和电压V₀予先选定时，在正常运行情况下要求限制谐波，这种方法可以特殊使用。电抗ωL_S的值可以通过引入一个具有固定值电感22到控制电路，即线圈11a和11b串联来调节，如图6a）所示。如果还不满足要求，可以采用滤波的方法，在一个三相系统中所可以采取一定的结线方式，例如根据本发明三个带有空气隙的自控可变电抗器接成三角形。

由于不可能获得一个真正如图3所示为例子的磁化曲线，也不可能获得一个真正的如图4所示的电压V₀与电流i_max的关系曲线，为了将它更好用于实际，在此简单讨论对理论进行修正。

如上面所述，磁通不是遵循典型磁化曲线1而且按上限为（n+1）i_max，下限为（n-1）i_max的局部磁滞回线变化，同时，在外侧芯柱之一内的磁通从对应于深度饱和的最大值（n+1）i_max减少到较小值，在另一个外侧芯柱的磁通（n-1）i_max，从其值为（n-1）i_max向（n+1）i_max增加。即使，磁通值（n+1）i_max与典型磁化曲线上的值相一致，认为没有明显错误，这个结论不适用于磁通值（n-1）i_max，该值与具有上限为（n+1）i_max的交流i_p的频率下磁滞回路上的磁通减少相对应。要想精确地预计磁通在（n-1）i_max的值是困难的，因为这一磁通值对于芯1的叠片20的配置，磁性材料的质量，线圈发热产生的任何位移，在（n+1）i_max时磁通值，甚至与频率的关系等因素的影响都是敏感的，正如我们将要详细讨论，空气隙7和8被加入磁芯的两个外侧芯柱3，4中，这是为了减小各种缺陷和在确定的电压下提高电抗器的调压范围。当用气隙来减小斜率ωL₁时，上述的影响因素即使不采取措施消除的话，也可以显著的得到改善。另一个值得考虑的问题是要得到在电流i_p的频率下一定饱和度的矫顽电流i_c值。另外，当具有气隙时，剩磁导致低于斜率ωL₁。图5表示一个新的用简单的方式考虑剩磁和矫顽磁场修正的磁化曲线。这里，剩磁引起的影响是促使饱和有继续增加的趋势，因此增加斜率ωL₁所产生的影响可被忽略。

一个适当的数学推导表明具有气隙的可变电抗器由于矫顽磁场，其工作峰值电压V₀对于电流i_max减少（ωL₁-ωL₂）i_c，该数学推导也同样适用于图4上半曲线的中间电流范围，它变成

（i₀-i_c）/n+1≦i_max≦（i₀-i_c）/n-1

同样，对于其它表达式中的i₀也用i₀-i_c代替。这里应该注意到，在此，没有将电抗器沿磁滞回线的工作引起的对电流波形修正考虑过去。

图6a）和6b）表示偏置线圈，它含有分别绕于外侧芯柱3，4上的线圈23a和23b。这两个线圈23a和23b串联连接，并且用与控制线圈11a和11b相同方式绕于芯柱3，4上，为的是响应偏置直流电流而产生流经外侧芯柱3，4所确定的闭合磁路的直流磁通。根据电流i_p01的方向，这个磁通与由线圈11a和11b产生的直流磁通可能同方向也可能反方向。这些线圈23a和23b，如图6a）所示可以由一个可变直流电流源24或可变直流电压源通过电阻25提供电源。在这个电路中增加一个附加的电感线圈给23a和23b提供一个更稳定的直流电流是适当的。另一种可能就如图6b）所示，在磁芯1上配置附加线圈装置，它包括分别绕在芯柱3和4上的线圈26a和26b，并且它产生一个电流由二极管27和28整流并经过可调电阻29供给线圈23a和23b，该可调电阻用来调节整流后电流的幅值，从而供给线圈23a和23b直流电流i_p01。也可以加入一个附加的电感线圈30来产生一个更稳定的直流电流i_p01。这个偏置电流i_p01和矫顽电流i_c的方程等效。由于它可以具有两个极性中的任意一个，那么它可以用来抵消矫顽电流i_c的影响或通常将工作峰值电压调节到需要值。

为了提高波形的质量，不同的线圈有效地叠加在芯柱3，4上，如图7所示，以使气隙置于它的中间，偏置线圈23a首先缠绕在芯柱3上，再绕线圈26a（如果有的话），然后按初级线圈10a和控制线圈11a次序缠绕。相应地，偏置线圈23b首先缠绕在芯柱4上，再缠绕线圈26b（如果有的话），然后按初级线圈10b和控制线圈11b的顺序缠绕。

在使用如图3所示的典型曲线，磁化曲线的半曲线由两个斜率为ωL₁和ωL₂的直线段表示。因此，当电流（n+1）i_max超过电流i₀，然后（n-1）i_max超过相同的电流值，这样会引起电压V₀对电流i_max表达式的突变。实际上，磁化曲线的拐点总是园滑的，当（n-1）i_max从斜率ωL₁变到斜率ωL₂，磁化曲线将产生类似园滑的拐点。另一方面，当电流（n-1）i_max进入这个范围，将产生反向园滑拐点（inVerse rounded knee）。在很大程度上后者拐点的园度稍比前者大，由于n稍大于1，（n-1）i_max随电流i_max增加缓慢。这两个园滑拐点，特别是后者具有减小电流i_max的变化范围的效果，该电流是电压V₀的函数，这一点可以从图4半曲线中斜率为m的中间段得到证实。这就是如上所述的为什么要使用其磁化曲线具有突变拐点的磁性材料是合理的原因。甚至为避免该拐点整直，需要合理地构成芯子1及叠片20的连接。

现在将更详细地检查气隙7和8的效果。在外侧芯柱3，4中的每一个中引入一个相同的气隙来减小图3所示磁化曲线的斜率ωL₁和ωL₂和图2所示的局部磁滞回线，具体地，减小出现在低电感应值的大斜率，即ωL₁。

合适的近似式如下所示：

这里ωL是绕在磁芯的芯柱3或4上线圈的电抗（欧姆），N是该线圈匝数。A_f是芯柱（3或4）的有效截面，a是气隙的长度（米），l_f是与芯柱3或4有关的磁路长度（米），ω是角频率，μ_air等于4π×10^-7及μf/u_air是构成磁芯的磁性材料的相对磁导率。

当达到深度饱和，很明显，它是在空气中的线圈电抗。螺线圈的情况下这个电抗可以等于下面的近似式：

ωL= (ω2.2×10^-6D_m ²·N²)/(D_m+2.21)

这里，ωL是线圈在空气中的电抗（欧姆），D_m是线圈平均直径（米），l是线圈（螺母管）的长度（以米计算），其它参数前面已确定，更精确的计算公式有时也需要。

事实上，后者电抗是用来计算i_max≧i₀/（n-1）时电压V₀对电流i_max的变化，而第一表达式在i_max≦i₀/（n+1）区域内适用。

引入气隙比任何修正的局部磁滞回线都具有优越性，它大大降低电抗器的敏感性，事实上，当斜率很陡时，很轻微的曲线变化可能造成（n-1）i_max处的磁通的重大变化。由于气隙大大降低电抗ωL₁，这种现象将减弱。相应地，可以从上述方程（1），（2）中看出，要获得一个给定的静态特性，对匝数n的调节将不是关键性的。所以，在外侧芯柱3和4中引进气隙能更好地控制自控电抗器的工作特性，因此，可以得到具有类似特性的电抗器，并且，可以调节它，以获得一个更大的电流变化范围，所以，对于电压的轻微变化及在一个预定的电压值下的变化，该电抗器能吸收无功功率。而真正地，现有技术所存在的主要缺点正是可变电抗器在该电压值下运行时，其参数调整太困难。

所以，适当选择气隙的尺寸可以掩盖由于磁芯1结构或叠片20的质量的变化而造成的微小差异。

然而，带气隙的电抗器与已知的可变电抗器相比具有在其电流i_p中含有高谐波分量的缺点。但是，具有定值22（图6a）的电抗器可以在运行点获得一个正弦电流i_p。如前所述，在一个三相系统中，滤波或接成三角形接法可以减少谐波量。

在此应当注意，即使在饱和状态下，与无功电抗相比，电阻仍然很低。因此，这些电阻的影响以及由于各种绕组升温，阻值增加的影响均可忽略不计。

瞬时响应，更确切地说是响应时间将在下面简略地讨论。

对于电流范围i_max≦i₀/（n+1），适当的数学式表示为：如果电抗器工作在峰值电压V₀，并且其初始峰值电流是i_max＜i₀/（n+1），当电压突然增加△V，半个周期后的电流（其ωL₁很大，而n稍大于1）接近于最终值。

对于电流范围在i₀/（n+1）≦i_max≦i₀/（n-1），与（ωL_s+ωL_p+4ωL₂）一样快的响应时间较短。

大家知道，大的ωL_s值会增加转换所需的时间。所以，引入具有定值的电感线圈22会增加响应时间。然而，后者保持稳定。

最后，在电流i_max≧i₀/（n-1）的范围内，与（ωL_s+2n²ωL₂）一样迅速的响应时间，其值接近于（ωL_P+2ωL₂）值。

在所有情况下，响应时间很短，即大约为半个周期。

在这里能很方便地想到某些应用需要将根据本发明的带有气隙的自控可变电抗器分别与电感线圈32，电容器33，或具有定值的电感线圈36与电容器37串联相并联，如图8a）至8c）所示，以便获得全系统理想的工作特性。

根据本发明，带有气隙的自控可变电抗器在图4所示，斜率为m的曲线段上的电压给定值上构成一个由自控吸收无功功率的比较简单的调压无源元件。

可变电抗器可以或者用作旁路可变电抗器或是静止调相器，以应用于通过吸收无功功率来调整给定电压下的电压。

特别是，本发明所涉及的一个很重要的电抗器应用是将交变电压进行调节再通过架空线，或更普遍地是通过容性电源（电容耦合）供给负载。图9表示这样一个容性电源，它具有和电压为V的电源38相同的等值电路，（例如它可以是电源传输线）和一个电容为C的电容器组39。这个电源向电阻负载R供电。根据本发明，一个带有气隙的自控可变电抗器和负载R并联连接。I_C为通过电容器组39的电流，i_L为通过电抗器31的电流，i_R为通过负载R的电流。V_C为电容器组39的端电压，V_L为负载R和电感器31的端电压。

当电抗器31的值随着负载R的值适当发生变化，理论上表达为负载R的端电压V_L在给定范围内保持常量。这可以用上面所述的带有气隙的自控可变电感器通过选择斜率（见图4）等于零来进行。甚至有可能，通过调节控制线圈11a和11b匝数（图1a））适当调整斜率m（见图4）来对负载的函数V_L（电阻两端电压随负载的增加而增加）进行正调节，因而用来获得一个从电源38到负载R的最佳有功功率的传输。

虽然本发明已通过可变电抗器的最佳实施例进行了描述，但应当指出的是在所附权项的范围内可以对该实施例进行任何修改，也可以对该可变电抗器进行任何其它应用，而不改变或更改本发明的实质和范围。

Claims (30)

1、可变电抗器包括：

一个有三芯柱的磁芯，其中每个芯柱都具有一个首端和一个末端，上述首端通过该磁芯的第一公共端相互连接，上述末端通过磁芯的第二公共端相互连接；

供给交流电的初级线圈；

控制线圈；以及

给控制线圈提供直流电流的装置，该电流的幅值可随与可变电抗器的运行有关的电参数的变化而变；

上述初级线圈及上述控制线圈，根据磁芯配置，以使上述交流和直流在上述三芯柱中的第一芯柱内感应出交流磁通和直流磁通，它们在交流电流分别为正、负半周时，同向或反向，并且，在三芯柱的第二芯柱内感应出交流磁通和直流磁通，它们在交流电流分别为正、负半周时，反向或同向，在上述第一和第二芯柱的每一个中所感应出的直流磁通其密度随上述直流电而变化因而用于改变初级线圈的电抗；

上述第一芯柱包括由在该第一芯柱中感应产生的合成磁通所穿过的气隙，上述第二芯柱包括由在该第二芯柱中感应产生的合成磁通所穿过的气隙。

2、根据权利要求1的可变电抗器，其中上述三个芯柱基本上位于同一平面内;并包括两个外侧芯柱及一个置于该两个外侧芯柱之间的中央芯柱。

3、根据权利要求2的可变电抗器，其中上述磁芯的第一和第二芯柱由上述两个外侧芯柱构成。

4、根据权利要求2的可变电抗器，其中磁芯是由与上述平面相平行的叠层组件构成，并通过具有至少三阶梯的45°角连接，因而防止磁芯的（任何）局部磁饱和。

5、根据权利要求1的可变电抗器，其中上述磁芯的三个芯柱，每个都具有同样形状和同样面积的截面。

6、根据权利要求1的可变电抗器，其中上述磁芯的第一和第二芯柱长度相同，其中上述第一和第二芯柱每个都具有等面积截面，并且上述第一和第二芯柱的上述气隙装置具有同样长度。

7、根据权利要求1的可变电抗器，其中上述第一芯柱的气隙装置位于该第一芯柱上磁芯的第一和第二公共点中央，上述第二芯柱的气隙装置位于该第二芯柱上上述磁芯的第一和第二公共点中央。

8、根据权利要求1的可变电抗器，其中上述三个芯柱均具有一个几乎圆形的十字形截面。

9、根据权利要求1的可变电抗器，其中上述磁芯由磁性材料制成，其磁性曲线具有明显拐点。

10、根据权利要求1的可变电抗器，其中上述电参数为向初级线圈供电的交流电幅值。

11、根据权利要求10的可变电抗器，其中上述直流电供电装置包括对给初级线圈供电的交流电进行整流的装置以及用该整流电流向控制线圈装置供电的装置。

12、根据权利要求11的可变电抗器，其中上述整流和供电装置包括一个将初级线圈与控制线圈相互串联的二极管桥式电路。

13、根据权利要求1的可变电抗器，其中控制线圈包括一个第一线圈和一个第二线圈，它们相互串联，分别绕在上述第一和第二芯柱上，并供以上述直流电，因而该直流电感应产生一个直流磁通，在由上述第一和第二芯柱所限定的一个闭合磁路内穿过。

14、根据权利要求13的可变电抗器，其中控制线圈包括一个第三线圈和一个第四线圈，它们串联，分别绕在上述第一和第二芯柱上，并供以上述直流电，因而该直流电感应产生一个直流磁通，在上述第一和第二芯柱所限定的一个闭合磁路内穿过。

15、根据权利要求15的可变电抗器，其中上述电参数是向上述串联的第一和第二线圈提供交流电的幅值，并且其中上述直流电供给装置包括该交流电的整流装置以及用上述整流电流向串联的第三和第四线圈供电的装置。

16、根据权利要求15的可变电抗器，其中上述第一和第三线圈叠加在一起，第二和第四线圈也叠加在一起，上述第一和第三线圈绕在上述第一芯柱上，因而该第一芯柱的气隙装置位于第一和第三线圈的中央，第二和第四线圈绕在上述第二芯柱上，因而该第二芯柱的气隙装置位于第二和第四线圈的中央。

17、根据权利要求1的可变电抗器，包括一个具有一定值并且与上述控制绕组装置串联的电感线圈。

18、根据权利要求1的可变电抗器，其中控制线圈包括串联的一个第一和一个第二绕组，并且上述可变电抗器包括一个具有一定值并与上述控制线圈装置的第一和第二绕组相串联的电感线圈。

19、根据权利要求1的可变电抗器，包括置于磁芯上并供以直流电的偏压绕组装置。

20、根据权利要求20的可变电抗器，其中上述偏置线圈由一个直流电源供电。

21、根据权利要求20的可变电抗器，其中上述偏置线圈由置于磁芯上的附加线圈提供直流电流，为调节直流电流的幅值上述附加线圈通过整流装置向上述偏置线圈供电。

22、根据权利要求15的可变电抗器，包括一个第五线圈和第六线圈，它们串联连接，分别绕在上述第一和第二芯柱上并供以直流电，因而第五和第六线圈产生一个偏流磁通，它在上述第一和第二芯柱所限定的闭合磁路中穿过。

23、根据权利要求23的可变电抗器，其中上述第一，第三和第五线圈叠加在一起，上述第二，第四和第六线圈也叠加在一起，其中上述第一，三，五线圈绕于上述第一芯柱上，致使该第一芯柱的气隙装置位于第一、三、五线圈之中央;而上述第二、四、六线圈绕于上述第二芯柱上，致使该第二芯柱的气隙装置位于第二、四、六线圈中央。

24、根据权利要求15的可变电抗器，其中第三线圈的匝数等于第一线圈匝数的n倍，第四线圈的匝数等于第二线圈匝数的n倍，这里n略大于1。

25、根据权利要求1的可变电抗器，其中一个无功阻抗与上述可变电抗器并联由此可获得一个理想的工作特性。

26、根据权利要求26的可变电抗器，其中上述无功阻抗包括一个电容。

27、根据权利要求25的可变电抗器，其中无功阻抗包括一个电感线圈。

28、根据权利要求26的可变电抗器，其中上述无功阻抗包括一个电感线圈和电容串联。

29、一个电力系统，包括一个负载，一个用于向上述负载提供交流电压电容电源，和一个与负载并联对向上述负载供电的交流电压进行调整的可变电抗器，上述可变电抗器包括：

一个具有三芯柱的磁芯，每个芯柱都具有一个第一首端和末端，上述三个首端通过磁芯的一个第一公共端而相互连接，而上述三个末端通过上述磁芯的第二公共端而相互连接;

供以来自上述电容电源的交流电的初级线圈;

控制线圈;以及。

用于向控制线圈提供直流电的装置，该直流电幅值根据与可变电抗器运行有关的电参数而变化;

上述初级线圈和控制线圈根据磁芯配置因而上述交流和直流电流在上述三芯柱的第一芯柱内感应产生交流磁通和直流磁通，它们当上述交流电流为一正值或负值时，分别同向或反向并且在上述三芯柱的第二芯柱内感应产生交流磁通和直流磁通，它们当上述交流电流为正值或负值时，分别反向或同向，在上述每一个第一和第二芯柱内感应产生的直流磁通，其密度随上述直流电流的幅值变化因而用于改变初级线圈电抗。

上述第一芯柱和第二芯柱均包括气隙装置，在该第一芯柱和第二芯柱中感应产生的合成磁通分别穿过其气隙。

30、根据权利要求1的可变电抗器，其中初级线圈包括一个第一线圈和一个第二线圈，它们相互串联，分别绕在上述第一和第二芯柱上，并供以上述交流电，从而该交流电在第一磁芯中感应出一个第一交变磁通，在第二磁芯中感应出一个第二交变磁通;第一和第二交变磁通在所述三个磁芯的第三个磁芯里相互加强。

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