新型三相磁控电抗器的研究

赵国生， 孙可钦， 程子霞， 徐 伟， 徐中辉

(1．郑州大学 电气工程学院 河南郑州450001;2．河南电网建设管理公司 河南郑州450052;3．河南巩义供电公司 河南巩义451200)

0 引言

目前，基于磁控电抗器的动态无功补偿装置的优点主要体现在:补偿容量连续平滑可调，设备自身产生的谐波电流含量小于3%额定电流，设备自身的抗干扰能力强，使用寿命长，且不需要加滤波装置［1－2］，由于磁控电抗器使用的晶闸管承受的电压很低，其晶闸管不需要串、并联使用，使得其成本降低，所以其在电力系统中的应用非常广泛．

由3个单相磁控电抗器构成的三相可控电抗器制造成本高，工程上已经被三相六柱磁阀式可控电抗器所取代．当前的三相磁阀式可控电抗器按其磁阀结构又可分为单级和多级磁阀两种［3］．单级磁阀结构的磁控电抗器的谐波含量要大于多级磁阀，但目前的设计与制造工艺可以保证单级与多级磁阀结构的三相磁控电抗器的谐波电流含量都在其额定电流的3%以下，因此，其产生的谐波问题对电网的影响不大．

三相六柱磁阀式可控电抗器也有其自身的缺陷，这主要表现在:(1)铁芯制造工艺复杂，特别是多级磁阀结构的磁控电抗器，制造时需要专门定制昂贵的铁芯开口刀具，加工硅钢片的工作量大大增加，相应的制造成本也大大增加．(2)磁控电抗器的噪音增大，其噪音水平远大于同容量的变压器，对环境产生了较大的噪音污染，为了减小其噪音，制造厂家需要使用昂贵的铁芯固定胶对其进行粘合，即使这样处理后，其噪音水平仍很高．为了克服当前磁控电抗器的缺陷，我们对当前的磁控电抗器的铁芯结构进行了改进，提出了一种新型的无磁阀式三相磁控电抗器，用Ansoft电磁场分析软件建立其二维仿真模型［4］，并进行了仿真，验证了其电抗值平滑调节的可行性．该新型三相磁控电抗器的制造工艺简单，可有效地降低三相磁控电抗器的制造成本，并可以减少三相磁控电抗器产生的噪音，该结构的磁控电抗器有望很快在工程中得到应用．

1 新型三相磁控电抗器模型及工作原理

1．1 三相磁控电抗器模型

三相磁控电抗器的构造模型如图1所示，其铁芯由6个铁心柱与2个磁轭构成，2个相邻的芯柱及其上、下链接磁轭构成一相的铁心，每个铁芯柱的截面积为Ab，长度为l，上、下铁心磁轭的长度为lt、面积为Ab1(Ab1＜Ab)，这样上、下磁轭就起到了磁阀的作用，调节铁芯的饱和程度即可调整新型磁控电抗器的调节范围．每相两个铁芯柱上的绕组采用完全对称的结构，绕组匝数为N，采用上下两个绕组交叉连接方式，绕组中设有中间抽头，抽头比为δ=N2/N，在抽头中接有可控硅K1(K2)，每相两个铁心柱上的绕组交叉点两端连接有续流二极管D．

图1 新型三相磁控电抗器模型Fig．1 Three-phase MCR structure schematic diagram

1．2 新型三相磁控电抗器原理

新型三相磁控电抗器的每相工作电流的调节是通过改变晶闸管的触发角，调节绕组中的直流励磁电流的大小，进而改变铁心的磁导率来实现的．

现以A相为例进行原理性的解释，当晶闸管K1、K2上不加触发脉冲时，磁控电抗器上通过的电流很小，磁控电抗器处于空载状态．若在电源电压的正半周时，给晶匝管K1施加触发脉冲，让K1导通，在电源电压处于负半周时，给晶匝管K2施加触发脉冲，让K2导通，在忽略晶闸管的正向压降情况下，在电源电压的完整周期内的K1、K2轮流导通起到了可控全波整流的作用，改变晶闸管的触发角便可平滑地改变绕组中通过的直流电流．交叉连接的二极管D起到续流的作用．这样，通过改变晶闸管的触发角，可以调节绕组中流过的直流电流，从而控制该相铁心柱的饱和程度，起到调节轭部磁阀的交流磁通通过量大小的作用，进而改变工作绕组中通过的交流电流大小．

对于三相磁控电抗器，由于每相的直流控制磁通在每相的两个铁芯柱内形成闭合回路，每相的交流工作绕组产生的交流工作磁通与其他两相工作绕组中产生的交流工作磁通在铁轭上相加为零，所以可以按照A相的分析方法对B、C两相的工作原理进行相似的分析．

2 新型磁控电抗器的电磁分析

假定电网的三相电压是对称的，磁控电抗器的每相磁路结构与绕组结构相同，则三相交流工作电流的磁通也是互相对称的，有φa+φb+φc=0．

设图1的三相磁控电抗器模型中从左到右每个铁芯柱上的磁通分别为 φa1，φa2，φb1，φb2，φc1，φc2，它们所对应的磁动势为 Fa1，Fa2，Fb1，Fb2，Fc1，Fc2，相应的磁感应强度为 Ba1，Ba2，Bb1，Bb2，Bc1，Bc2，对应每个绕组上的电流为 ia1，ia2，ib1，ib2，ic1，ic2，控制电流为 Ik1，Ik2，Ik3，Ik4，Ik5，Ik6，参数 μ 为铁芯的磁导率．

图2 新型三相磁控电抗器单相绕组结构Fig．2 A single phase circuit of three-phase MCR

当晶闸管不加触发脉冲时，流过磁控电抗器的交流工作电流很小，可认为电抗器处于空载状态，此时磁轭部分磁阻比较大，而铁心柱工作在不饱和状态，磁阻比较小，可近似地认为φa1=φa2，φb1=φb2，φc1=φc2，其中，φa=φa1+φa2，φb=φb1+φb2，φc=φc1+φc2．

当A相晶闸管K1、K2轮流导通时，A相绕组产生的磁动势由图2分析可知，

晶闸管K1导通时A相的电磁方程［1］为:

晶闸管K2导通时A相的电磁方程为:

其中，Em为A相电压最大值，R是线圈的电阻．晶闸管K1导通时A相左侧的绕组流过的电流为

晶闸管K1导通时A相右侧的绕组流过的电流为

B、C两相的电磁方程的分析可采用与A相相同的分析方法，其磁动势方程分别为:

晶闸管K3导通时B相左侧的绕组流过的电流为

晶闸管K3导通时B相右侧的绕组流过的电流为

晶闸管K5导通时C相左侧的绕组流过的电流为

晶闸管K5导通时C相右侧的绕组流过的电流为

3 三相磁控电抗器仿真分析

3．1 三相磁控电抗器仿真模型

图3为新型三相磁控电抗器的仿真分析模型，其参数大小为:厚度为15 cm，柱高为80 cm，铁芯柱宽度为15 cm，上、下磁轭长度取150 mm，磁轭宽度为90 mm，绕组线圈匝数为2 100匝，抽头分压匝数比为3%，电源电压为幅值等于14 140 V的工频交流电压．

按照仿真要求设定铁心、线圈及边界的各种参数后，再设定电源参数，同时设定好网格刨分参数后，利用Ansoft软件对模型进行网格刨分，刨分后的三相磁控电抗器网格结构如图4所示．

3．2 Ansoft仿真解结果与分析

设定不同的导通角后，计算机进行多次有限元计算，得出了在不同导通角下的工作电流波形．图5给出的是新型三相磁控电抗器模型在不同触发角下三相绕组流过的工作电流波形．

图5 不同触发角下三相磁控电抗器的工作电流波形Fig．5 The current waveform of MCR in different triggering angles

图 5 中 Ia1，Ia2，Ib1，Ib2，Ic1，Ic2为三相磁控电抗器各个交流绕组中流过的电流，其中 Ia1=Ia2，Ib1=Ib2，Ic1=Ic2．由于电流波形重叠原因，图中只显示了3个电流波形，所以，图中只标注了Ia(代表Ia1、Ia2)、Ib(代表Ib1、Ib2)、Ic(代表Ic1、Ic2)．由图5可以得出，调节晶闸管的触发角可以平滑地改变其工作电流，其输出电流波形中谐波含量不大．图6给出了不同导通角下铁心中磁力线的分布情况:

图6 不同触发角下MCR铁心的磁力线分布Fig．6 The graph of magnetic line in three-phase MCR under different triggering angle

从图6中可以看出，随着触发角的增加，直流控制电流减小，磁轭部位的饱和程度减小，漏磁通减小，所以绕组和磁轭部位的涡流损耗也相应减小．

4 结论

本文提出了一种新的三相磁控电抗器模型结构，介绍了它的铁芯和绕组构造，分析了其工作原理，并建立了该三相磁控电抗器仿真模型，进行了电磁场有限元计算和仿真，得到其工作电流波形图和磁力线分布图，通过分析仿真结果可以得出如下结论:减少三相磁控电抗器的磁轭截面积能够取代三相磁控电抗器的磁阀的作用;改变晶闸管的导通角可以改变新型磁控电抗器的交流工作电流，达到连续改变电抗器的电抗值的目的;该新型三相磁控电抗器工作时，输出电流波形中谐波含量很小，不会影响电网的安全运行;新型磁控电抗器铁芯柱采用减小铁芯磁轭截面积的方法来代替铁芯柱的分布式磁阀结构，减少了制造铁芯的复杂程度，从而有效地降低了成本，同时在不改变其电气性能的情况下降低了磁控电抗器工作时的噪音．

［1］ 陈柏超．新型可控饱和电抗器理论及应用［M］．武汉:武汉水利电力大学出版社，1999:23－114．

［2］ 刘仁，赵国生，王欢，等．三相磁阀式可控电抗器的特性仿真分析［J］．电力系统保护与控制，2011，39(7):110－114．

［3］ 田翠华，陈柏超．低谐波双级饱和磁控电抗器研究［J］．电工技术学报，2006，21(1):19－23．

［4］ 赵博，张洪亮．Ansoft 12在工程电磁场中的应用［M］．北京:中国水利水电出版社，2010:130－189．

［5］ 宋江保，王贺萍，张占永，等．三相磁阀式可控电抗器的分析研究［J］．电力系统保护与控制，2009，37(23):20－22．

［6］ 张建兴，王轩，雷晰，邓占峰．可控电抗器总述［J］．电网技术，2006(S2):269－272．

［7］ 蒋正荣，邹军，陈建业．基于直流激磁的半铁心可调电抗器［J］．电力系统自动化，2007，31(5):76－79．

［8］ 刘国强，赵凌志，蒋继娅．Ansoft工程电磁场子有限元析［M］．电子工业出版社，2005:1－175．