CN102244492A - 自励磁阀式可控电抗器的励磁方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自励式可控电抗器的励磁方法及装置的方法，可实现电抗器的快速励磁和退磁目的，改变了自励式磁控电抗器励磁不够灵活的缺点，在不增加设备复杂性和成本的前提下，大幅提高设备的性能的方法及装置，其特征在于：所述的励磁方法是将传统自励磁阀式电抗器接线图中两柱之间连接的二极管改成全控器件IGBT，二个晶闸管和IGBT分别由三根独立的控制线控制，所述的电抗器铁芯是采用四柱结构。

Description

自励磁阀式可控电抗器的励磁方法及装置
技术领域
本发明涉及一种自励磁阀式可控电抗器的励磁方法及装置，具体为采用三个半导体器件控制磁控电抗器的自励偏磁电流，实现直流助磁和消磁的双向控制，达到电抗器电抗值的自动调整，属电气工程中电抗器设备技术领域。
背景技术
电抗器是一种重要的电气装置，在电力***中应用广泛，起着限制工频过电压、消除发电机自励磁、限制操作过电压、无功功率补偿、潜供电流抑制、限制短路电流和平波等作用，电抗器按特性可分为固定电抗器和可控电抗器，可控电抗器的励磁方式又分为自励式和它励式，自励式结构简单，运行可靠，成本低廉；它励式励磁方式灵活。
自励磁阀式磁控电抗器属于可控电抗器中的一种，20世纪70年代后期，前苏联学者提出了一种助磁式可控电抗器，其接线如附图1所示，中间主铁芯柱一分为二，每个铁芯柱上分别绕以上下两个绕组，中间部分交叉连接，另有两个绕组由外接电源和晶闸管供电，由此产生的直流助磁在两个***铁芯柱内自我闭合而不进入边柱。其后，又有如附图2所示的改进型线路，即在4个绕组的中间部分自藕抽压和可控整流，从而产生同样的直流助磁，其工作绕组和控制绕组是合并在一起的，这有利于减小损耗，简化结构。同时，主铁芯柱的中间部分设多个小面积段，利于大磁通时达到饱和状态，这就是磁阀式可控电抗器。它具有工作电压低，制造工艺简单，成本低，电抗值连续可调，可靠性高，占地面积小等诸多优点。磁阀式可控电抗器的主要缺点是响应时间长，噪声偏大。
目前，自励磁阀式可控电抗器仍采用附图2所示接线形式，由直流助磁电路可知，这种接线在直流助磁电流由小到大时发挥作用，但在需要减小电抗器容量、增大电抗值时，则无有效手段减小直流励磁，仅通过线圈电阻来消耗电抗器中的直流储能，由于电抗器的线圈电阻非常小，由其减小直流助磁电流需要很长时间，与助磁时间相比，去磁时间高达10倍以上。为了改善电抗器的谐波性能，往往需要将电抗器设计成深度饱和工作状态，但深饱和状态电抗器的去磁时间将更长。而可控电抗器的响应速度不管是电流从小到大的正向响应时间还是电流从大到小的反向响应时间，在大多数应用场合都是同等重要的两个指标。
中国发明专利《一种磁控式并联电抗器可控续流方法及励磁***》（申请号：200810105711.X）是针对使用外部电源的它励式磁控电抗器所使用的一种励磁***；发明专利《复合励磁触发、双励磁绕组MCR型磁控电抗器》（申请号：201110066597.6）提出了一种磁控电抗器可实现快速励磁及退磁的的方法，其方法中要使用到附加绕组和外部电源，其实质主要是通过它励磁方式使电抗器达到快速励磁和退磁的目的，这种方法使设备复杂程度增加，带来的负作用是成本增加和可靠性降低。
一种采用自励式励磁方式，在不增加设备复杂性和成本的前提下，能使电抗器得到快速助磁和退磁的励磁方法及装置，未见于已公开的专利或其它学术文献中。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术提出的问题，提供一种自励式可控电抗器的励磁方法及装置，可实现电抗器的快速励磁和退磁目的，改变了自励式磁控电抗器励磁不够灵活的缺点，在不增加设备复杂性和成本的前提下，大幅提高设备的性能的方法及装置，该装置结构简单，运行可靠，成本低廉。
本发明的技术方案是：自励磁阀式可控电抗器的励磁方法，其特征在于：所述的励磁方法是将传统自励磁阀式电抗器接线图中两柱之间连接的二极管改成全控器件IGBT，二个晶闸管和IGBT分别由三根独立的控制线控制，通过控制二个晶闸管和IGBT不同的导通时刻，可使电抗器抽头分别工作在整流模式或逆变模式。其有益效果是：当工作在整流模式时，直流励磁电流增大或维持不变，当工作在逆变模式时，直流励磁电流迅速减小，从而达到快速改变电抗器电抗值的目的。
自励磁阀式可控电抗器，其特征在于：所述的电抗器铁芯是采用四柱结构，位于中间两柱铁芯的中部，有一个小截面的开槽，上下分别有两个带抽头的绕组，两柱上的四个绕组在中间是交叉连接，同一柱上下两个抽头分别连接有晶闸管，两柱之间绕组连接有IGBT器件。其有益效果是：中央抽头不仅能工作在整流状态，它还能工作在逆变状态，使电抗器直流励磁电流不是由绕组阻抗慢慢消耗能量来变小，而是主要依靠抽头的逆变状态使绕组承受反向直流电压，将能量反馈给电网而使直流励磁电流快速减小，使原本电抗器容量减小时很长的响应时间大大缩短，它甚至小于电抗器容量增大时的响应时间。
本发明的工作原理是：
1、直流励磁与电抗器电抗值的关系。电抗器铁芯由硅钢片层叠而成，由于硅钢片是一种导磁性很好的材料，铁芯电抗器相比空心电抗器有很大的的电抗值，但是，硅钢片的导磁性能并不是线性的，当磁通密度达到一定数值时，会出现饱和现象，导磁性能迅速下降，其磁特性曲线如图5所示。如果铁芯工作在饱和状态，电抗器的电抗值会减小。磁阀式可控电抗器就是利用这个原理来调节电抗器的电抗值。
由于铁芯中间两柱是由大截面段和小截面段组成，当电抗器施加额定电压时，大小截面段均不饱不合，此时电抗器电抗值最大，流过的交流电流最小，容量处于最小状态，当电抗器绕组中有直流流过时，小截面段会随着交流电流的周期性变化而进入饱和状态，其工作在饱和状态的时间会随着直流电流的增大而加长，当直流电流增加到一定数值时，小截面就会一直工作在饱和状态，此时，电抗器的电抗值最小，流过的交流电流最大，容量达到额定值。总之，磁阀式可控电抗器的电抗值是随着其绕组内部流过的直流电流的增大而减小的。值得注意的是，大截面段铁芯在任何时候都不饱合。图6和图7为电抗器小截面段分别在不饱和和全饱和时的电流图形，图中硅钢片的磁特性曲线由两段直线来拟合。从图中可直观看到，图7中的工作电流明显比图6中的工作电流大得多。
2、中央抽头工作在整流状态。此时抽头电压用来产生直流励磁，电抗器电抗值减小，容量增加。当工作电压上正下负时，产生晶闸管K1触发信号，由于K1承受正电压，IGBT器件K3承受反电压，K1导通，电流从K1流过，此时可控电抗器的直流等效电路如图8所示；当工作电压上负下正时，产生晶闸管K2触发信号，由于K2承受正电压，IGBT器件K3承受反电压，K2导通，电流从K2流过，此时可控电抗器的直流等效电路如图9所示。不管以上哪种状态，都是使绕组产生一个逆时针方向的直流电流，此直流电流使得中间左边柱铁芯工作在一个正磁通偏磁条件下，中间右边柱铁芯工作在一个负磁通偏磁条件下，左右两边对称。其偏磁通大小可由K1和K2的导通角大小控制。从上面分析的直流励磁与电抗器电抗值的关系可知，它们的导通角变大时，直流励磁电流变大，对应的电抗值变小，容量变大。
在中央抽头工作在整流状态时，K3的作用相当于一个二极管，K3控制端一直加上高电平即可，只要它的两端电压为正时，它就导通。
整流状态的晶闸管和IGBT控制时序如图10所示，图中，（1）是工作电压，（2）是中间左边柱绕组电流，（3）是中间右边柱绕组电流，（4）是晶闸管K1触发信号，（5）是晶闸管K2触发信号，（6）是IGBT触发信号，t1和t2分别为晶闸管K1和K2的导通时刻。调整t1和t2，可改变晶闸管K1和K2的导通角，从而改变抽头的平均整流电压，使其成为一个可控电压源，用它来产生一个可控的直流励磁电流，达到调整电抗器电抗值的目的。
3、中央抽头工作在逆变状态。此时直流励磁电流通过抽头将能量传递给电网，直流励磁电流减小，电抗器电抗值增大，容量减小。
当电抗器工作在大容量时，此时直流励磁电流比较大，调整晶闸管和IGBT控制信号，就可使抽头工作在逆变状态。其工作时序如图13所示，整过逆变过程IGBT不导通，在工作电压由正（上正下负）转负前的t1时刻，产生晶闸管K1触发信号，使K1导通，在K1导通后，工作电压反向，由于K3不导通，电流在电感的作用下，继续由K1流过，由于工作电压反向，使得抽头电压也方向，此时的抽头电压就会吸收电抗器的直流励磁电流，将能量反馈给电网。在K1导通时其直流等效电路如图11所示，在K2导通时其直流等效电路如图12所示，由图可看出，逆变状态的抽头电压与整流状态的抽头电压方向相反，他的作用也与整流状态相反，就是减小直流励磁电流。抽头能工作在逆变状态的关键在于，K3能工作在关断状态，如果K3不是一个可关断器件IGBT，而是传统的二极管，那么在工作电压方向时，二极管K3将承受正向电压，电流从二极管流过，抽头也不可能出现逆变工作状态。 
附图说明
附图1为助磁式可控电抗器接线原理图；
附图2为改进型助磁式可控电抗器接线原理图；
附图3为本发明实施例自励磁阀式可控电抗器的励磁方法接线原理图；
附图4为本发明实施例自励磁阀式可控电抗器结构及接线图；
附图5为硅钢片的磁特性曲线图；
附图6为电抗器小截面段在不饱和状态电流图形；
附图7为电抗器小截面段全饱和状态电流图形；
附图8为整流状态工作电压上正下负时的直流等效电路图；
附图9为整流状态工作电压上负下正时的直流等效电路图；
附图10为整流状态的晶闸管和IGBT控制时序图；
附图11为逆变状态工作K1导通时的直流等效电路图；
附图12为逆变状态工作K2导通时的直流等效电路图；
附图13为逆变状态工作时序图。
具体实施方式
附图中的标记：
附图3、附图4中：K1—晶闸管，K2—晶闸管，K3—全控器件IGBT；
附图8、附图9、附图11、附图12中：R1、R2、R3、R4—等效电阻，U1、U2、U3、U4—等效电压源；
附图14中：4—电抗器单相四柱式铁芯，5、6、7、8—绕组，9—中间两柱铁芯的小截面段。
以下结合附图对发明实施例作进一步说明：
参照附图3，本发明的技术方案是将传统自励磁阀式电抗器的接线图中两柱之间连接的二极管改成全控器件IGBT，二个晶闸管和IGBT分别由三根独立的控制线控制，通过控制二个晶闸管和IGBT不同的导通时刻，可使电抗器抽头分别工作在整流模式或逆变模式。当工作在整流模式时，直流励磁电流增大或维持不变，当工作在逆变模式时，直流励磁电流迅速减小，从而达到快速改变电抗器电抗值的目的。
参照附图4，本发明实施例中，电抗器铁芯采用四柱结构，中间两柱的中部有一个小截面的开槽，上下分别有两个带抽头的绕组，两柱上的四个绕组在中间交叉连接，同一柱上下两个抽头分别由晶闸管K1和K2连接，两柱之间用全控器件IGBT连接。
参见附图4，是本发明的一个实施例，400V/10kVA自励磁阀式可控电抗器。电抗器铁芯、绕组、晶闸管和、全控器件接线如图所示，其中K1、K2是晶闸管，K3是全控器件IGBT，4是电抗器单相四柱式铁芯，5是带抽头的中间左边柱上绕组，6是带抽头的中间左边柱下绕组，7是带抽头的中间右边柱上绕组，8是带抽头的中间右边柱下绕组，9是中间两柱铁芯的小截面段。绕组5上端与绕组6上端连联，绕组6下端与绕组8下端连接，绕组5下端与绕组8上端连接，绕组7下端与绕组6上端连接，绕组5的抽头与晶闸管K1正极连接，绕组的6抽头与晶闸管K1负极连接，绕组7的抽头与晶闸管K2负极连接，绕组8的抽头与晶闸管K2正极连接，绕组5下端与全控器件K3（IGBT）正极连接，绕组7下端与全控器件K3（IGBT）负极连接。
绕组5、6、7、8都是116匝，抽头都为8匝，铁芯小截面段的面积是大截面段面积的三分之一，小截面的长度为10毫米。

Claims (2)

1.自励磁阀式可控电抗器的励磁方法，其特征在于：所述的励磁方法是将传统自励磁阀式电抗器接线图中两柱之间连接的二极管改成全控器件IGBT，二个晶闸管和IGBT分别由三根独立的控制线控制，通过控制二个晶闸管和IGBT不同的导通时刻，可使电抗器抽头分别工作在整流模式或逆变模式。
2.自励磁阀式可控电抗器，其特征在于：所述的电抗器铁芯是采用四柱结构，位于中间两柱铁芯的中部，有一个小截面的开槽，上下分别有两个带抽头的绕组，两柱上的四个绕组在中间是交叉连接，同一柱上下两个抽头分别连接有晶闸管，两柱之间绕组连接有IGBT器件。
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