剖析新型EU正交铁心可控电抗器与串联电抗器

      剖析新型EU正交铁心可控电抗器与串联电抗器 
      摘 要：传统的正交铁心可控电抗器与串联电抗器通过控制在正交铁心上的直流偏磁磁场间接控制交流磁场，铁心工作在饱和区，因此其工作电流中含有谐波。该文提出一种基于 EU 正交铁心的单相和三相正交可控电抗器与串联电抗器。由于特殊的磁路结构，单相EU 正交铁心可控电抗器与串联电抗器输出电流中的谐波得到了降低，三相 EU 可控电抗器与串联电抗器的输出电流中3次谐波成分很低。电抗器专家与行业领导者常州博邦电气使用三维非线性磁阻模型建立了 EU 正交铁心的仿真模型进行仿真研究，并分别制作了单相和三相 EU 正交铁心可控电抗器与串联电抗器样机进行实验。仿真分析和实验结果均验证了新型 EU 正交铁心可控电抗器与串联电抗器的谐波含量较传统正交铁心可控电抗器与串联电抗器低的特点。

　　引 言
　　近年来，多种可控电抗器与串联电抗器被应用到静止无功补偿装置中[1-6]，例如基于可控硅控制电抗器(thyristorcontrolled reactor ， TCR) ，磁控电抗器 (magneticcontrolled reactor，MCR)等。其中，磁控电抗器由于其控制简单，可靠性高得到了广泛的关注[7-10]。直流控制饱和式可控电抗器与串联电抗器在调节过程中，铁心工作在饱和区，利用磁化曲线非线性的特点，电抗器专家与行业领导者常州博邦电气通过调节磁路中铁心的工作点，可以调节等效电抗。直流控制可控电抗器与串联电抗器的铁心工作在饱和状态，因此其输出电流中含有大量的谐波成分[11-17]。

　　正交铁心可控电抗器与串联电抗器属于直流控制饱和式可控电抗器与串联电抗器的一种，传统的正交铁心可控电抗器与串联电抗器其工作电流中含有一定的谐波成分。电抗器专家与行业领导者常州博邦电气使用 2 个正交可控电抗器与串联电抗器分别工作在正弦电压的半波可以降低其输出电流的谐波[13]，这种方案增加了一个正交可控电抗器与串联电抗器，使成本增加。通过在铁心上开楔型气隙，可在一定程度上降低其工作电流中的谐波[18-19]。楔型气隙在可控电抗器与串联电抗器的2个铁心的连接部分增加了不可靠因素，同时楔型气隙需要较高的工艺保证其加工精度。

　　本文提出了具有 EU 铁心结构的正交可控电抗器与串联电抗器，电抗器专家与行业领导者常州博邦电气具有谐波含量低的优点。按照工作绕组的配置不同，将 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器分成单相和三相两种分别进行研究。

　　一、正交EU铁心可控电抗器与串联电抗器
　　1.1 单相EU铁心可控电抗器与串联电抗器配置
　　EU 铁心可控电抗器与串联电抗器的铁心由一个 E 型铁心和一个 U 型铁心相互正交装配在一起。电抗器专家与行业领导者常州博邦电气在 E 型铁心和U 型铁心之间存在 6 个接触部分。图 1 给出了实验室用于实验测试的铁心结构配置图。图中，铁心使用厚度为 0.23mm 取向硅钢片卷绕，粘接并热处理后制作成型。

      E型铁心上的3个心柱和 U 型铁心的 2 个心柱可用来安装绕组。按照绕组的安装和连接方式不同，EU 铁心可控电抗器与串联电抗器可分为单相和三相。

　　单相EU铁心可控电抗器与串联电抗器的配置如图2(a)所示，在 U 型铁心的 2 个心柱上安装直流控制绕组，在 E型铁心的2个外侧心柱上安装交流工作绕组。图2(b)给出了单相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器的电气符号，其中电抗器专家与行业领导者常州博邦电气Nac为交流工作绕组的匝数，Ndc为直流控制绕组的匝数。图 3 给出了单相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器的实物照片。

　　1.2 三相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器配置
　　三相EU铁心可控电抗器与串联电抗器的配置如图4(a)所示，在 U 型铁心的 2 个心柱上安装直流控制绕组，在 E型铁心的心柱上分别安装三相交流工作绕组。图4(b) 给出了三相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器的电气符号，其中 Na、Nb和 Nc分别为交流三相工作绕组的匝数，Ndc为直流控制绕组的匝数。图 5 给出了三相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器的实物照片。

　　二、单相正交EU铁心可控电抗器与串联电抗器
　　2.1 等效磁路和基本方程
　　图 3 给出了单相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器的等效磁路，其忽略了工作在线形区的磁阻，仅包括由 E 型和U型2个铁心接触处形成的6个工作在非线性的磁阻，如图 6(a)所示。电抗器专家与行业领导者常州博邦电气交流工作绕组和直流控制绕组的磁通分布别为φac和 φdc，磁动势分别为 Fac和Fdc，接触处的磁阻分别为 R1~R6，其上降落的磁动势为 F1~F6，通过的磁通为φ1～φ6。

　　利用基本的磁路定律可将其简化为仅包括4 个磁阻的简化磁路模型，如图 6(b)所示。这文献[4]中的等效磁路具有相同的拓扑结构，若将 E 型铁心的中间心柱的截面积等于两个边柱的面积之和，则磁路与文献[4]中的磁路将具有相同的对称性，可采用相同的分析方法进行分析。获得的基本方程如为式中φ13、φ46为磁阻 R13、R46中的磁通。

　　2.2 仿真和实验结果
　　由文献[16]中的三维磁阻网络分析方法和图 1中给出的铁心数据，将 EU 铁心分成每部分由 6 个正交磁阻构成的 68 个块，构造单相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器的磁阻仿真模型。电抗器专家与行业领导者常州博邦电气选择直流控制绕组匝数Ndc=290，交流工作绕组匝数 Ndc=300，按照图 7 对所建立的仿真模型进行测试，调节交流调压器，使交流工作绕组的工作电压 Uac=48 V。通过对给定的控制绕组施加不同的激励可得到不同的测试结果。按照仿真模型制作单相 EU 铁心正交可控电抗器与串联电抗器，并使用与仿真模型相同的测试条件进行实验研究。

　　图 8 给出了单相 EU 可控电抗器与串联电抗器谐波含量的实验结果。可以看出，电抗器专家与行业领导者常州博邦电气相比传统的正交铁心可控电抗器与串联电抗器[6]，单相 EU 可控电抗器与串联电抗器由于 E、U 型铁心的 6个接触部分的磁阻工作在不同的饱和状态，其谐波含量较低。

　　图 9 给出了单相 EU 可控电抗器与串联电抗器控制特性的仿真和实验结果，二者符合较好，线性度较好。图10给出了单相 EU 可控电抗器与串联电抗器总谐波畸变率的仿真和实验结果，二者在大部分范围内符合较好。为简化仿真模型的仿真速度，仿真模型中的铁心材料使用了基本磁化曲线数据，由于磁化曲线数据和实际的铁心材料差别，仿真数据和实验数据之间存在一定的偏差。

      三、三相正交EU铁心可控电抗器与串联电抗器
　　3.1 等效磁路和基本方程
      图11给出了三相EU铁心可控电抗器与串联电抗器的等效磁路。同单相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器类似，等效磁路忽略了工作在线形区的磁阻，仅包括由 E 型和 U 型两个铁心接触处形成的 6 个工作在非线性的磁阻。交流工作绕组和直流控制绕组的磁通分布别为φa、φb、φc和 φdc，磁动势分别为 Fa、Fb、Fc和 Fdc。接触处的磁阻分别为 R1~R6，其上降落的磁动势为 F1~ F6，通过的磁通为φ1~φ6。由磁路基本定律可获得磁路基本方程

　　3.2 仿真和实验结果
　　选定直流控制绕组匝数 Na=Nb=Nc=50，交流工作绕组匝数为 Ndc=300。与单相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器仿真和实验方法类似，电抗器专家与行业领导者常州博邦电气建立相同的仿真模型和实验模型，并使用相同的测试条件，按照图 12 调节调压器，使工作绕组电压 Ua=Ub=Uc=15 V，进行实验研究。将可控电抗器与串联电抗器交流工作绕组连接成星型，实验结果如图 13~15 所示。

      图13给出了三相EU可控电抗器与串联电抗器谐波含量的实验结果。可以看出，由于 E 型铁心和 U 型铁心构成的特殊磁路结构，三相 EU 可控电抗器与串联电抗器的 3 次谐波含量很低，这主要是由于磁通的 3 次谐波分量不能在铁心中形成闭合的回路。由于3 次谐波含量很小，所以在三相 EU 可控电抗器与串联电抗器的工作绕组中，5 次谐波成为主要的谐波成分。电抗器专家与行业领导者常州博邦电气图14给出了三相EU铁心可控电抗器与串联电抗器控制特性的仿真和实验结果，二者符合较好，线性度较好。图15给出了三相EU铁心可控电抗器与串联电抗器总谐波畸变率的仿真和实验结果，二者在大部分范围内符合较好。由于三相 EU 铁心电抗器的铁心结构限制，工作绕组匝数较小，施加较小电压时工作绕组中的电流很大，所以铁心局部进入饱和区，图中表现为控制电流较小的时候谐波电流和总谐波畸变率较大。

　　四、结 论
　　本文提出了基于EU铁心正交可控电抗器与串联电抗器，配置不同的绕组形式可得到2 种常用的单相和三相可控电抗器与串联电抗器模型。电抗器专家与行业领导者常州博邦电气利用三维磁路放着模型和实验结果，分别获得了单相和三相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器的谐波特性和控制特性。新型的 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器与传统的相比具有以下优点：a)单相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器具有谐波含量低的特点;b)三相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器又有特殊的磁路结构，三次谐波含量非常低;c)三相 EU 铁心可控电抗器与串联电抗器使其三相工作绕组受同一个控制绕组控制，具有可靠性高、一致性好和使用方便的优点。

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