CN102064759A - 一种自励式可控饱和电抗器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自励式可控饱和电抗器及其控制方法。它包括至少一个磁饱和电抗器铁芯；在磁饱和电抗器铁芯两侧分别安装至少一个线圈L1和至少一个线圈L2；线圈L1的一端与线圈L2的一端直接连接，并作为装置的输入端子；线圈L1的另一端串联一个正向二极管D1后连接到输出端子；线圈L2的另一端串联一个反向二极管D2后连接到输出端子；D1的两端并联一只反向的晶闸管D3；D2的两端并联一只反向的晶闸管D4；一个控制电路，控制电路的输出分别与晶闸管D3和晶闸管D4的控制端连接。控制电路调节晶闸管D3和晶闸管D4导通程度的大小，从而连续调节可控饱和电抗器的电抗值。具有不需要直流线圈，重量较轻，损耗较小，电路结构更加简单的优点。

Description

一种自励式可控饱和电抗器及其控制方法 

技术领域

本发明涉及电力***送变电技术领域，特别涉及一种自励式可控饱和电抗器及其控制方法。 

背景技术

随着电力***的不断发展，对电力***安全运行要求越来越高，电能质量的要求也越来越高。串联电抗器可限制短路电流；并联电抗器可限制过电压；电抗器与电容联合可构成滤波电路；电抗器在电力***的应用是非常广泛的。在一部分应用领域，电抗器的电抗值可以是固定的；在许多应用领域，需要电抗值能随着电力***运行方式的改变而改变。近年来电抗值可以连续调节的可控电抗器的研究与应用成为热门课题。可控饱和电抗器是可控电抗器的一种重要方式。 

可控饱和电抗器是利用饱和电抗器铁芯的饱和特性来改变电抗器的电抗值。已经有许多可控饱和电抗器被提出来，发明专利号为：2006100476121的“自馈式可控电抗器”和发明专利号为：200810011902X的“一种自身取能的快速响应可控电抗器”提出了两种可控饱和电抗器。中国水利水电出版社2008年出版蔡宣三，高越农著《可控饱和电抗器原理、设计与应用》一书也对可控饱和电抗器作了总结。提出的各种可控饱和电抗器各具特色，但是，这些可控饱和电抗器的直流电流控制回路复杂，电抗器的电抗值调节范围较小、电抗器的容量较小、功能单一。 

发明专利号为：2011100012024的“一种可控饱和电抗器及其控制方法”提出了一种一对反向并联的晶闸管并联于全桥整流电路的两输入端间；反向并联的晶闸管导通量小，可控饱和电抗器的电抗值小；反向并联的晶闸管导通量大，可控饱和电抗器的电抗值大，连续调节反向并联的晶闸管导通量即可连续调节可控饱和电抗器电抗值的方法。并且具有控制器件耐压很小、电抗器的电抗值调节范围大、电抗器的容量大、功能多样、安全性较好的优点。但是这种可控饱和电抗器及其控制方法仍然需要直流线圈，重量较重，损耗较大，直流电流控制回路仍然不够简单。 

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种自励式可控饱和电抗器及其控制方法，它具有不需要直流线圈，重量较轻，损耗较小，电路结构更加简单的优点。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种自励式可控饱和电抗器，它包括： 

至少一个磁饱和电抗器铁芯；磁饱和电抗器铁芯设有至少一个线圈L1和至少一个线圈L2；线圈L1的一端与线圈L2的一端直接连接，并作为装置的输入端子；线圈L1的另一端串联一个正向二极管D1后连接到输出端子；线圈L2的另一端串联一个反向二极管D2后连接到输出端子； 

正向二极管D1的两端并联一只反向的晶闸管D3；反向二极管D2的两端并联一只反向的晶闸管D4； 

一个控制电路，控制电路的输出分别与晶闸管D3和晶闸管D4的控制端连接。 

一种自励式可控饱和电抗器，其特征是，它包括： 

至少一个磁饱和电抗器铁芯；磁饱和电抗器铁芯设有至少一个线圈L1和至少一个线圈L2；线圈L1的一端与线圈L2的一端直接连接，并作为装置的输入端子；线圈L1的另一端串联一个正向二极管D1后连接到输出端子；线圈L2的另一端串联一个反向二极管D2后连接到输出端子； 

在线圈L1和线圈L2的两个输出端间还并联一对反向的晶闸管D3和晶闸管D4； 

一个控制电路，控制电路的输出分别与晶闸管D3和晶闸管D4的控制端连接。 

所述磁饱和电抗器铁芯为日字型结构，以中间铁芯中线为轴，两侧对称；中间铁芯与其中一侧铁芯形成磁通闭环，中间铁芯与另一侧铁芯形成另一个磁通闭环；两侧铁芯间形成第三个磁通闭环；两侧铁芯的截面积相等；中间铁芯的截面积等于两侧铁芯的截面积之和；磁饱和电抗器铁芯两侧分别安装至少一个线圈L1和至少一个线圈L2。 

所述磁饱和电抗器铁芯3为四柱式铁芯，四个柱子的截面积相等，四个柱子可相互形成磁通闭合回路；在磁通闭合回路最短的中间二个柱子分别安装至少一个线圈L1和至少一个线圈L2。 

所述磁饱和电抗器线圈L1与线圈L3结构、匝数相同。 

所述磁饱和电抗器线圈L1、L2的匝数与磁饱和电抗器铁芯的铁芯截面积和铁芯结构，应满足：磁饱和电抗器线圈L1与L2并联后两端加工作电压的条件下，线圈L1和L2流过正常励磁电流。 

所述控制电路可以从0°至180°范围连续控制晶闸管D3的导通量，控制电路向晶闸管D3发触发脉冲后的10毫秒即工频180°也向晶闸管D4发触发脉冲，使晶闸管D3和晶闸管D4先后分别导通；晶闸管D3和晶闸管D4的触发角小时，晶闸管D3和晶闸管D4的导通量大； 晶闸管D3和晶闸管D4的触发角大时，晶闸管D3和晶闸管D4的导通量小。 

所述控制电路可以从0°至180°范围连续控制晶闸管D4的导通量，控制电路向晶闸管D4发触发脉冲后的10毫秒即工频180°也向晶闸管D3发触发脉冲，使晶闸管D4和晶闸管D3先后分别导通；晶闸管D4和晶闸管D3的触发角小时，晶闸管D4和晶闸管D3的导通量大；晶闸管D4和晶闸管D3的触发角大时，晶闸管D4和晶闸管D3的导通量小。 

一种自励式可控饱和电抗器的控制方法，控制电路通过控制晶闸管D3和晶闸管D4的触发角的大小，调节晶闸管D3和晶闸管D4导通程度的大小，从而连续调节可控饱和电抗器的电抗值； 

它的具体控制过程为： 

当控制电路触发晶闸管D3和晶闸管D4全关断；正半波电流流入线圈L1经串联的正向二极管D1流到输出端子，负半波电流不能在线圈L1中流动；负半波电流流入线圈L2经串联的反向二极管D2流到输出端子，正半波电流不能在线圈L2中流动；线圈L1与线圈L2中电流的直流分量的比例有最大值；可控饱和电抗器线圈的电抗为装置的最小值； 

当控制电路逐步减小晶闸管的触发角，晶闸管D3和晶闸管D4从全关断状态逐步加大导通量，线圈L1与线圈L2中电流的直流分量的比例逐渐减小；可控饱和电抗器线圈的电抗值从装置的最小值逐渐变大； 

当控制电路触发晶闸管D5和晶闸管D6全导通，相当于线圈L1与线圈L2并联；线圈L1与线圈L2中电流的直流分量为零；线圈L1和L2流过正常励磁电流，可控饱和电抗器线圈的电抗为装置的最大值。 

本发明的有益效果是：它具有不需要直流线圈，重量较轻，损耗较小，电路结构更加简单的优点。 

附图说明

图1表示一种自励式可控饱和电抗器结构与连接方式； 

图2表示自励式可控饱和电抗器的另一种结构与连接方式。 

图3表示自励式可控饱和电抗器的另一种结构与连接方式。 

其中，1.输入端子，2.输出端子，3.磁饱和电抗器铁芯，4.控制电路。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。 

实施例1： 

一种自励式可控饱和电抗器的结构与连接方式如图1所示。一个磁饱和电抗器铁芯3；磁饱和电抗器铁芯3为日字型结构；磁饱和电抗器铁芯3两侧分别安装线圈L1和线圈L2； 线圈L1的一端与线圈L2的一端连接，并作为装置的输入端子1；线圈L1的另一端串联一个正向二极管D1后连接到输出端子2；线圈L2的另一端串联一个反向二极管D2后连接到输出端子2； 

与线圈L1连接的二极管的两端并联一只与二极管反向的晶闸管D3；与线圈L2连接的二极管的两端并联一只与二极管反向的晶闸管D4；一个控制电路4，控制电路4的输出分别与反向并联的晶闸管D3和晶闸管D4的控制端连接。 

所述磁饱和电抗器铁芯3日字型结构以中间铁芯中线为轴，两侧对称；中间铁芯与其中一侧铁芯形成磁通闭环，中间铁芯与另一侧铁芯形成另一个磁通闭环；两侧铁芯形成第三个磁通闭环；两侧铁芯的截面积相等；中间铁芯的截面积等于两侧铁芯的截面积之和。 

所述磁饱和电抗器线圈L1与线圈L3结构、匝数相同。 

所述磁饱和电抗器线圈L1、L2的匝数与磁饱和电抗器铁芯的铁芯截面积和铁芯结构，应满足：磁饱和电抗器线圈L1与L2并联后两端加工作电压的条件下，线圈L1和L2流过正常励磁电流。 

所述晶闸管D3和晶闸管D4两端为工频电压；可控饱和电抗器的控制电路4可从0°至180°范围连续控制晶闸管D3的导通量，控制电路4向晶闸管D3(也可先向晶闸管D4发送出发脉冲，触发顺序都相应改变即可)发触发脉冲后的10毫秒即工频180°也向晶闸管D4发触发脉冲，使晶闸管D3和晶闸管D4先后分别导通；晶闸管D3和晶闸管D4的触发角小时，晶闸管D3和晶闸管D4的导通量大；晶闸管D3和晶闸管D4的触发角大时，晶闸管D3和晶闸管D4的导通量小。 

当控制电路4触发晶闸管D3和晶闸管D4全关断；正半波电流流入线圈L1经串联的正向二极管D1流到输出端子2，负半波电流不能在线圈L1中流动；负半波电流流入线圈L2经串联的反向二极管D2流到输出端子2，正半波电流不能在线圈L2中流动；流入装置的交流电流，正半波电流从线圈L1流动，负半波电流从线圈L2流动，从端子2流出的电流又是完整的交流电流。正半波电流从线圈L1流动，所以，线圈L1中有较大正方向的直流电流分量和交流分量，负半波电流从线圈L2流动，所以，线圈L2中有较大反方向的直流电流分量和交流分量，且线圈L1与线圈L2中电流的直流分量的比例有最大值。如果线圈L1的同名端与线圈L2的同名端连接，线圈L1中正方向的直流电流在铁芯产生的磁通由线圈L1所在的铁芯柱经日字型结构铁芯中间柱构成闭合回路；线圈L2中反方向的直流电流在铁芯产生的磁通由线圈L2所在的铁芯柱经日字型结构铁芯中间柱构成闭合回路。两侧铁芯的截面积相等，中间铁芯的截面积等于两侧铁芯的截面积之和；所以，线圈L1和线圈L2所在的铁芯处于较深的饱 和状态。线圈L1正半波电流中交流分量遇到的阻抗较小，线圈L2负半波电流中交流分量遇到的阻抗较小；可控饱和电抗器线圈的电抗为装置的最小值。 

当控制电路4逐步减小晶闸管的触发角，晶闸管D3和晶闸管D4从全关断状态逐步加大导通量，线圈L1与线圈L2中电流的直流分量的比例逐渐减小；可控饱和电抗器线圈的电抗值从装置的最小值逐渐变大； 

当控制电路触发晶闸管D3和晶闸管D4全导通，相当于线圈L1与线圈L2并联；线圈L1与线圈L2中电流的直流分量为零；线圈L1和L2流过正常励磁电流，可控饱和电抗器线圈的电抗为装置的最大值。 

控制电路控制晶闸管D3和晶闸管D4的触发角的大小，调节晶闸管D3和晶闸管D4导通程度的大小，从而连续调节可控饱和电抗器的电抗值。 

如果线圈L1的同名端与线圈L2的同名端连接，线圈L1与线圈L2中的直流电流分量在中间铁芯与其中一侧铁芯形成直流磁通闭环，中间铁芯与另一侧铁芯形成另一个直流磁通闭环；线圈L1与线圈L2中的交流电流分量在两侧铁芯形成第三个交流磁通闭环；第三个交流磁通闭环同时流过线圈L1与线圈L2，有益效果是可以减小交流励磁电流，或减少线圈L1与线圈L2匝数。不利因数是，可控饱和电抗器输出波形稍差。 

如果线圈L1的同名端与线圈L2的异名端连接，线圈L1与线圈L2中的直流电流分量在两侧铁芯形成直流磁通闭环；线圈L1的交流电流分量在线圈所在铁芯与中间铁芯形成交流磁通闭环，线圈L2的交流电流分量在线圈所在铁芯与中间铁芯形成交流磁通闭环；有益效果是可控饱和电抗器输出波形较好。不利因数是，可控饱和电抗器线圈L1与线圈L2的电抗的交流励磁电流较大。所以，线圈L1与线圈L2的连接方式需要根据应用情况选择。 

一种自励式可控饱和电抗器串并联于电力***应用，需要提高自励式可控饱和电抗器的最小电抗值时，可以在晶闸管D3和晶闸管D4两端分别并联相等的阻抗。一种自励式可控饱和电抗器串联于输电回路应用，需要减小自励式可控饱和电抗器的最小电抗值时，可以在磁饱和电抗器铁芯上增加直流线圈。例如：采用发明专利号为：2010105753926的“具有柔性开关特性的电流限制装置及方法”提出了一种电流限制装置及方法。 

实施例2： 

自励式可控饱和电抗器结构与连接方式还可以如图2所示。 

它包括： 

至少一个磁饱和电抗器铁芯3；在磁饱和电抗器铁芯3两侧分别安装至少一个线圈L1和至少一个线圈L2；线圈L1的一端与线圈L2的一端直接连接，并作为装置的输入端子1；线 圈L1的另一端串联一个正向二极管D1后连接到输出端子2；线圈L2的另一端串联一个反向二极管D2后连接到输出端子2； 

在线圈L1和线圈L2的两个输出端间还并联一对反向的晶闸管D3和晶闸管D4； 

一个控制电路4，控制电路4的输出分别与晶闸管D3和晶闸管D4的控制端连接。 

控制电路4控制晶闸管D3和晶闸管D4的触发角的大小，调节晶闸管D3和晶闸管D4导通程度的大小，也可连续调节可控饱和电抗器的电抗值。其余结构和控制方法与实施例1相同，不再赘述。 

实施例3： 

自励式可控饱和电抗器结构与连接方式还可以如图3所示。 

它包括： 

至少一个磁饱和电抗器铁芯3；磁饱和电抗器铁芯3为四柱式铁芯，四个柱子的截面积相等，四个柱子可相互形成磁通闭合回路；在磁通闭合回路最短的中间二个柱子分别安装至少一个线圈L1和至少一个线圈L2；线圈L1的一端与线圈L2的一端直接连接，并作为装置的输入端子1；线圈L1的另一端串联一个正向二极管D1后连接到输出端子2；线圈L2的另一端串联一个反向二极管D2后连接到输出端子2； 

正向二极管D1的两端并联一只反向的晶闸管D3；反向二极管D2的两端并联一只反向的晶闸管D4； 

一个控制电路4，控制电路4的输出分别与晶闸管D3和晶闸管D4的控制端连接。 

控制电路4控制晶闸管D3和晶闸管D4的触发角的大小，调节晶闸管D3和晶闸管D4导通程度的大小，也可连续调节可控饱和电抗器的电抗值。图3所示的铁芯结构体积较大，但设计灵活，输出波形较好。其余结构与控制方法与实施例1相同，不再赘述。 

本发明的自励式可控饱和电抗器及方法的各部件可用现有技术设计制造，完全可以实现。有广阔应用前景。 

Claims (10)

1.一种自励式可控饱和电抗器，其特征是，它包括：

至少一个磁饱和电抗器铁芯；磁饱和电抗器铁芯有至少一个线圈L1和至少一个线圈L2；线圈L1的一端与线圈L2的一端直接连接，并作为装置的输入端子；线圈L1的另一端串联一个正向二极管D1后连接到输出端子；线圈L2的另一端串联一个反向二极管D2后连接到输出端子；

正向二极管D1的两端并联一只反向的晶闸管D3；反向二极管D2的两端并联一只反向的晶闸管D4；

一个控制电路，控制电路的输出分别与晶闸管D3和晶闸管D4的控制端连接。

2.一种自励式可控饱和电抗器，其特征是，它包括：

至少一个磁饱和电抗器铁芯；磁饱和电抗器铁芯设有至少一个线圈L1和至少一个线圈L2；线圈L1的一端与线圈L2的一端直接连接，并作为装置的输入端子；线圈L1的另一端串联一个正向二极管D1后连接到输出端子；线圈L2的另一端串联一个反向二极管D2后连接到输出端子；

在线圈L1和线圈L2的两个输出端间还并联一对反向的晶闸管D3和晶闸管D4；

一个控制电路，控制电路的输出分别与晶闸管D3和晶闸管D4的控制端连接。

3.如权利要求1或2所述的自励式可控饱和电抗器，其特征是，所述磁饱和电抗器铁芯为日字型结构，以中间铁芯中线为轴，两侧对称；中间铁芯与其中一侧铁芯形成磁通闭环，中间铁芯与另一侧铁芯形成另一个磁通闭环；两侧铁芯间形成第三个磁通闭环；两侧铁芯的截面积相等；中间铁芯的截面积等于两侧铁芯的截面积之和；磁饱和电抗器铁芯两侧分别安装至少一个线圈L1和至少一个线圈L2。

4.如权利要求1或2所述的自励式可控饱和电抗器，其特征是，所述磁饱和电抗器铁芯3为四柱式铁芯，四个柱子的截面积相等，四个柱子可相互形成磁通闭合回路；在磁通闭合回路最短的中间二个柱子分别安装至少一个线圈L1和至少一个线圈L2。

5.如权利要求1或2所述的自励式可控饱和电抗器，其特征是，所述磁饱和电抗器线圈L1与线圈L3结构、匝数相同。

6.如权利要求5所述的自励式可控饱和电抗器，其特征是，所述磁饱和电抗器线圈L1、L2的匝数与磁饱和电抗器铁芯的铁芯截面积和铁芯结构，应满足：磁饱和电抗器线圈L1与L2并联后两端加工作电压的条件下，线圈L1和L2流过正常励磁电流。

7.如权利要求1或2所述的自励式可控饱和电抗器，其特征是，所述控制电路从0°至180°范围连续控制晶闸管D3的导通量，控制电路向晶闸管D3发触发脉冲后的10毫秒即工频180°也向晶闸管D4发触发脉冲，使晶闸管D3和晶闸管D4先后分别导通；晶闸管D3和晶闸管D4的触发角小时，晶闸管D3和晶闸管D4的导通量大；晶闸管D3和晶闸管D4的触发角大时，晶闸管D3和晶闸管D4的导通量小。

8.如权利要求1或2所述的自励式可控饱和电抗器，其特征是，所述控制电路从0°至180°范围连续控制晶闸管D4的导通量，控制电路向晶闸管D4发触发脉冲后的10毫秒即工频180°也向晶闸管D3发触发脉冲，使晶闸管D4和晶闸管D3先后分别导通；晶闸管D4和晶闸管D3的触发角小时，晶闸管D4和晶闸管D3的导通量大；晶闸管D4和晶闸管D3的触发角大时，晶闸管D4和晶闸管D3的导通量小。

9.一种采用权利要求1或2所述的自励式可控饱和电抗器的控制方法，其特征是，控制电路通过控制晶闸管D3和晶闸管D4的触发角的大小，调节晶闸管D3和晶闸管D4导通程度的大小，从而连续调节可控饱和电抗器的电抗值；

10.如权利要求9所述的一种自励式可控饱和电抗器的工作方法，其特征是，它的具体控制过程为：

当控制电路触发晶闸管D3和晶闸管D4全关断；正半波电流流入线圈L1经串联的正向二极管D1流到输出端子，负半波电流不能在线圈L1中流动；负半波电流流入线圈L2经串联的反向二极管D2流到输出端子，正半波电流不能在线圈L2中流动；线圈L1与线圈L2中电流的直流分量的比例有最大值；可控饱和电抗器线圈的电抗为装置的最小值；

当控制电路逐步减小晶闸管的触发角，晶闸管D3和晶闸管D4从全关断状态逐步加大导通量，线圈L1与线圈L2中电流的直流分量的比例逐渐减小；可控饱和电抗器线圈的电抗值从装置的最小值逐渐变大；

当控制电路触发晶闸管D5和晶闸管D6全导通，相当于线圈L1与线圈L2并联；线圈L1与线圈L2中电流的直流分量为零；线圈L1和L2流过正常励磁电流，可控饱和电抗器线圈的电抗为装置的最大值。

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