剖析新型EU正交鐵心可控電抗器與串聯電抗器

      剖析新型EU正交鐵心可控電抗器與串聯電抗器 
      摘 要：傳統的正交鐵心可控電抗器與串聯電抗器通過控制在正交鐵心上的直流偏磁磁場間接控制交流磁場，鐵心工作在飽和區，因此其工作電流中含有諧波。該文提出一種基于 EU 正交鐵心的單相和三相正交可控電抗器與串聯電抗器。由于特殊的磁路結構，單相EU 正交鐵心可控電抗器與串聯電抗器輸出電流中的諧波得到了降低，三相 EU 可控電抗器與串聯電抗器的輸出電流中3次諧波成分很低。電抗器專家與行業領導者常州博邦電氣使用三維非線性磁阻模型建立了 EU 正交鐵心的仿真模型進行仿真研究，并分別制作了單相和三相 EU 正交鐵心可控電抗器與串聯電抗器樣機進行實驗。仿真分析和實驗結果均驗證了新型 EU 正交鐵心可控電抗器與串聯電抗器的諧波含量較傳統正交鐵心可控電抗器與串聯電抗器低的特點。

　　引 言
　　近年來，多種可控電抗器與串聯電抗器被應用到靜止無功補償裝置中[1-6]，例如基于可控硅控制電抗器(thyristorcontrolled reactor ， TCR) ，磁控電抗器 (magneticcontrolled reactor，MCR)等。其中，磁控電抗器由于其控制簡單，可靠性高得到了廣泛的關注[7-10]。直流控制飽和式可控電抗器與串聯電抗器在調節過程中，鐵心工作在飽和區，利用磁化曲線非線性的特點，電抗器專家與行業領導者常州博邦電氣通過調節磁路中鐵心的工作點，可以調節等效電抗。直流控制可控電抗器與串聯電抗器的鐵心工作在飽和狀態，因此其輸出電流中含有大量的諧波成分[11-17]。

　　正交鐵心可控電抗器與串聯電抗器屬于直流控制飽和式可控電抗器與串聯電抗器的一種，傳統的正交鐵心可控電抗器與串聯電抗器其工作電流中含有一定的諧波成分。電抗器專家與行業領導者常州博邦電氣使用 2 個正交可控電抗器與串聯電抗器分別工作在正弦電壓的半波可以降低其輸出電流的諧波[13]，這種方案增加了一個正交可控電抗器與串聯電抗器，使成本增加。通過在鐵心上開楔型氣隙，可在一定程度上降低其工作電流中的諧波[18-19]。楔型氣隙在可控電抗器與串聯電抗器的2個鐵心的連接部分增加了不可靠因素，同時楔型氣隙需要較高的工藝保證其加工精度。

　　本文提出了具有 EU 鐵心結構的正交可控電抗器與串聯電抗器，電抗器專家與行業領導者常州博邦電氣具有諧波含量低的優點。按照工作繞組的配置不同，將 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器分成單相和三相兩種分別進行研究。

　　一、正交EU鐵心可控電抗器與串聯電抗器
　　1.1 單相EU鐵心可控電抗器與串聯電抗器配置
　　EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器的鐵心由一個 E 型鐵心和一個 U 型鐵心相互正交裝配在一起。電抗器專家與行業領導者常州博邦電氣在 E 型鐵心和U 型鐵心之間存在 6 個接觸部分。圖 1 給出了實驗室用于實驗測試的鐵心結構配置圖。圖中，鐵心使用厚度為 0.23mm 取向硅鋼片卷繞，粘接并熱處理后制作成型。

      E型鐵心上的3個心柱和 U 型鐵心的 2 個心柱可用來安裝繞組。按照繞組的安裝和連接方式不同，EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器可分為單相和三相。

　　單相EU鐵心可控電抗器與串聯電抗器的配置如圖2(a)所示，在 U 型鐵心的 2 個心柱上安裝直流控制繞組，在 E型鐵心的2個外側心柱上安裝交流工作繞組。圖2(b)給出了單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器的電氣符號，其中電抗器專家與行業領導者常州博邦電氣Nac為交流工作繞組的匝數，Ndc為直流控制繞組的匝數。圖 3 給出了單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器的實物照片。

　　1.2 三相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器配置
　　三相EU鐵心可控電抗器與串聯電抗器的配置如圖4(a)所示，在 U 型鐵心的 2 個心柱上安裝直流控制繞組，在 E型鐵心的心柱上分別安裝三相交流工作繞組。圖4(b) 給出了三相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器的電氣符號，其中 Na、Nb和 Nc分別為交流三相工作繞組的匝數，Ndc為直流控制繞組的匝數。圖 5 給出了三相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器的實物照片。

　　二、單相正交EU鐵心可控電抗器與串聯電抗器
　　2.1 等效磁路和基本方程
　　圖 3 給出了單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器的等效磁路，其忽略了工作在線形區的磁阻，僅包括由 E 型和U型2個鐵心接觸處形成的6個工作在非線性的磁阻，如圖 6(a)所示。電抗器專家與行業領導者常州博邦電氣交流工作繞組和直流控制繞組的磁通分布別為φac和 φdc，磁動勢分別為 Fac和Fdc，接觸處的磁阻分別為 R1~R6，其上降落的磁動勢為 F1~F6，通過的磁通為φ1～φ6。

　　利用基本的磁路定律可將其簡化為僅包括4 個磁阻的簡化磁路模型，如圖 6(b)所示。這文獻[4]中的等效磁路具有相同的拓撲結構，若將 E 型鐵心的中間心柱的截面積等于兩個邊柱的面積之和，則磁路與文獻[4]中的磁路將具有相同的對稱性，可采用相同的分析方法進行分析。獲得的基本方程如為式中φ13、φ46為磁阻 R13、R46中的磁通。

　　2.2 仿真和實驗結果
　　由文獻[16]中的三維磁阻網絡分析方法和圖 1中給出的鐵心數據，將 EU 鐵心分成每部分由 6 個正交磁阻構成的 68 個塊，構造單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器的磁阻仿真模型。電抗器專家與行業領導者常州博邦電氣選擇直流控制繞組匝數Ndc=290，交流工作繞組匝數 Ndc=300，按照圖 7 對所建立的仿真模型進行測試，調節交流調壓器，使交流工作繞組的工作電壓 Uac=48 V。通過對給定的控制繞組施加不同的激勵可得到不同的測試結果。按照仿真模型制作單相 EU 鐵心正交可控電抗器與串聯電抗器，并使用與仿真模型相同的測試條件進行實驗研究。

　　圖 8 給出了單相 EU 可控電抗器與串聯電抗器諧波含量的實驗結果。可以看出，電抗器專家與行業領導者常州博邦電氣相比傳統的正交鐵心可控電抗器與串聯電抗器[6]，單相 EU 可控電抗器與串聯電抗器由于 E、U 型鐵心的 6個接觸部分的磁阻工作在不同的飽和狀態，其諧波含量較低。

　　圖 9 給出了單相 EU 可控電抗器與串聯電抗器控制特性的仿真和實驗結果，二者符合較好，線性度較好。圖10給出了單相 EU 可控電抗器與串聯電抗器總諧波畸變率的仿真和實驗結果，二者在大部分范圍內符合較好。為簡化仿真模型的仿真速度，仿真模型中的鐵心材料使用了基本磁化曲線數據，由于磁化曲線數據和實際的鐵心材料差別，仿真數據和實驗數據之間存在一定的偏差。

      三、三相正交EU鐵心可控電抗器與串聯電抗器
　　3.1 等效磁路和基本方程
      圖11給出了三相EU鐵心可控電抗器與串聯電抗器的等效磁路。同單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器類似，等效磁路忽略了工作在線形區的磁阻，僅包括由 E 型和 U 型兩個鐵心接觸處形成的 6 個工作在非線性的磁阻。交流工作繞組和直流控制繞組的磁通分布別為φa、φb、φc和 φdc，磁動勢分別為 Fa、Fb、Fc和 Fdc。接觸處的磁阻分別為 R1~R6，其上降落的磁動勢為 F1~ F6，通過的磁通為φ1~φ6。由磁路基本定律可獲得磁路基本方程

　　3.2 仿真和實驗結果
　　選定直流控制繞組匝數 Na=Nb=Nc=50，交流工作繞組匝數為 Ndc=300。與單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器仿真和實驗方法類似，電抗器專家與行業領導者常州博邦電氣建立相同的仿真模型和實驗模型，并使用相同的測試條件，按照圖 12 調節調壓器，使工作繞組電壓 Ua=Ub=Uc=15 V，進行實驗研究。將可控電抗器與串聯電抗器交流工作繞組連接成星型，實驗結果如圖 13~15 所示。

      圖13給出了三相EU可控電抗器與串聯電抗器諧波含量的實驗結果。可以看出，由于 E 型鐵心和 U 型鐵心構成的特殊磁路結構，三相 EU 可控電抗器與串聯電抗器的 3 次諧波含量很低，這主要是由于磁通的 3 次諧波分量不能在鐵心中形成閉合的回路。由于3 次諧波含量很小，所以在三相 EU 可控電抗器與串聯電抗器的工作繞組中，5 次諧波成為主要的諧波成分。電抗器專家與行業領導者常州博邦電氣圖14給出了三相EU鐵心可控電抗器與串聯電抗器控制特性的仿真和實驗結果，二者符合較好，線性度較好。圖15給出了三相EU鐵心可控電抗器與串聯電抗器總諧波畸變率的仿真和實驗結果，二者在大部分范圍內符合較好。由于三相 EU 鐵心電抗器的鐵心結構限制，工作繞組匝數較小，施加較小電壓時工作繞組中的電流很大，所以鐵心局部進入飽和區，圖中表現為控制電流較小的時候諧波電流和總諧波畸變率較大。

　　四、結 論
　　本文提出了基于EU鐵心正交可控電抗器與串聯電抗器，配置不同的繞組形式可得到2 種常用的單相和三相可控電抗器與串聯電抗器模型。電抗器專家與行業領導者常州博邦電氣利用三維磁路放著模型和實驗結果，分別獲得了單相和三相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器的諧波特性和控制特性。新型的 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器與傳統的相比具有以下優點：a)單相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器具有諧波含量低的特點;b)三相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器又有特殊的磁路結構，三次諧波含量非常低;c)三相 EU 鐵心可控電抗器與串聯電抗器使其三相工作繞組受同一個控制繞組控制，具有可靠性高、一致性好和使用方便的優點。

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