深度揭秘功率变换的可变电抗器

      一、引言
      可变电抗器作为电抗器的一个重要分支，它具有调节电压和无功补偿的功能，可用于电机的软起动、风机和水泵的调速控制，也可用于矿热炉的节能控制，其应用前景十分广阔。

      本文研究了一种基于功率变换的可变电抗器，它是对传统电抗器的一次结构性创新：它在传统电抗器的基础上附加了二次绕组，构成可变电抗变换器；一次绕组与负载串接构成一次阻抗串接电路；二次绕组与电力电子功率变换器并接。

      二、可变电抗器的构建及拓扑结构
      1．可变电抗器的构建
      可变电抗器由可变电抗变换器和功率变换器构成。通过智能控制器控制电力电子功率变换器改变可变电抗变换器二次侧的电流，从而改变可变电抗变换器的一次侧的电流，当输入电压不变时，实现可变电抗变换器二次阻抗的改变，从而实现可变电抗变换器一次阻抗的改变，实现可变电抗器的阻抗的可变。可变电抗器的结构图如图1所示：

      2．可变电抗器的拓扑结构
      可变电抗器的拓扑结构可以采用晶闸管反向并联，并与可变电抗器并接。其拓扑结构如图2所示。可变电抗器也可采用一对双向IGBT管串接，并与可变电抗器并接，其拓扑结构如图3所示：

      三、可变电抗器的阻抗变换机理
      本文重点对单相IGBT式可变电抗器(图2a)的原理进行研究[3]。当可变电抗器的一次侧输入电压时，其二次侧的电压设为UN（其最大值为UNm），若IGBT管采用PWM控制（PWM波均为A），则可变电抗器二次侧电压变为U2，其波形如图4所示：将f用傅立叶级数展开得式中：将（1）式代入（2）式得由（3）式可知，中除包含基波外，还包含其它谐波，由于采用IGBT管（k值较大），电路中产生的谐波次数较高，通过可变电抗器的二次侧电感和电容抑制谐波，高次谐波被抑制，U2中只须考虑基波，则二次侧电流式中Z2 为二次侧基波阻抗值，为基波阻抗角。设可变电抗变换器的一次侧和二次侧的匝数比为K,则根据电磁转换原理有一次侧电流则可变电抗转换器一次侧的阻抗的模（当D不等于0时）由（7）式可知，改变占空比D即可改变可变电抗变换器的阻抗。当D增大时，可变电抗器的阻抗的模减小；当D减小时，可变电抗器的阻抗的模增大。由此证明基于功率变换的可变电抗器的阻抗是无极可调的。

      四、可变电抗器在软起动中的应用
      上述可变电抗器可应用于电机软起动，采用该可变电抗器制作的智能固态高压软起动装置实际运行效果良好。智能固态高压软起动系统结构框图如图7所示。
当电机起动时，合上K2,可变电抗器与电动机串接，控制系统控制可变电抗器，使其电抗值逐步由大变小，电动机两端电压逐步由小变大，当接近额定值时，合上K1，断开K2，软起动结束，电机以额定转速正常运行。

      高压软起动器实际运行空载起动电流波形与直接全压起动时电流波形如图8所示。由以上图可知电机直接起动时启动时间短，约2s，电流最高达额定电流的6.4倍，且长时间电流达额定值的5.7倍；而软起动开始电流几乎是0，电流最大约达额定值的2倍，且启动时间大大增长,约30s。可见电机软起动性能比电机全压起动性能大为改善，真正实现了起动电流小、起动冲击力小、起动损耗少、谐波小的软起动。

      五、结束语
      本文提出了一种可变电抗器，它是对传统电抗器的结构上的创新，阐述了它的构建、拓扑结构、阻抗变换机理，采用该可变电抗器制作的软起动器实际运行效果良好，经济效益大。