趙國生， 孫可欽， 程子霞， 徐 偉， 徐中輝

(1．鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河南鄭州450001;2．河南電網(wǎng)建設(shè)管理公司 河南鄭州450052;3．河南鞏義供電公司 河南鞏義451200)

0 引言

目前，基于磁控電抗器的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在:補(bǔ)償容量連續(xù)平滑可調(diào)，設(shè)備自身產(chǎn)生的諧波電流含量小于3%額定電流，設(shè)備自身的抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，且不需要加濾波裝置［1－2］，由于磁控電抗器使用的晶閘管承受的電壓很低，其晶閘管不需要串、并聯(lián)使用，使得其成本降低，所以其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛．

由3個(gè)單相磁控電抗器構(gòu)成的三相可控電抗器制造成本高，工程上已經(jīng)被三相六柱磁閥式可控電抗器所取代．當(dāng)前的三相磁閥式可控電抗器按其磁閥結(jié)構(gòu)又可分為單級(jí)和多級(jí)磁閥兩種［3］．單級(jí)磁閥結(jié)構(gòu)的磁控電抗器的諧波含量要大于多級(jí)磁閥，但目前的設(shè)計(jì)與制造工藝可以保證單級(jí)與多級(jí)磁閥結(jié)構(gòu)的三相磁控電抗器的諧波電流含量都在其額定電流的3%以下，因此，其產(chǎn)生的諧波問題對(duì)電網(wǎng)的影響不大．

三相六柱磁閥式可控電抗器也有其自身的缺陷，這主要表現(xiàn)在:(1)鐵芯制造工藝復(fù)雜，特別是多級(jí)磁閥結(jié)構(gòu)的磁控電抗器，制造時(shí)需要專門定制昂貴的鐵芯開口刀具，加工硅鋼片的工作量大大增加，相應(yīng)的制造成本也大大增加．(2)磁控電抗器的噪音增大，其噪音水平遠(yuǎn)大于同容量的變壓器，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了較大的噪音污染，為了減小其噪音，制造廠家需要使用昂貴的鐵芯固定膠對(duì)其進(jìn)行粘合，即使這樣處理后，其噪音水平仍很高．為了克服當(dāng)前磁控電抗器的缺陷，我們對(duì)當(dāng)前的磁控電抗器的鐵芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新型的無磁閥式三相磁控電抗器，用Ansoft電磁場(chǎng)分析軟件建立其二維仿真模型［4］，并進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了其電抗值平滑調(diào)節(jié)的可行性．該新型三相磁控電抗器的制造工藝簡(jiǎn)單，可有效地降低三相磁控電抗器的制造成本，并可以減少三相磁控電抗器產(chǎn)生的噪音，該結(jié)構(gòu)的磁控電抗器有望很快在工程中得到應(yīng)用．

1 新型三相磁控電抗器模型及工作原理

1．1 三相磁控電抗器模型

三相磁控電抗器的構(gòu)造模型如圖1所示，其鐵芯由6個(gè)鐵心柱與2個(gè)磁軛構(gòu)成，2個(gè)相鄰的芯柱及其上、下鏈接磁軛構(gòu)成一相的鐵心，每個(gè)鐵芯柱的截面積為Ab，長(zhǎng)度為l，上、下鐵心磁軛的長(zhǎng)度為lt、面積為Ab1(Ab1＜Ab)，這樣上、下磁軛就起到了磁閥的作用，調(diào)節(jié)鐵芯的飽和程度即可調(diào)整新型磁控電抗器的調(diào)節(jié)范圍．每相兩個(gè)鐵芯柱上的繞組采用完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，繞組匝數(shù)為N，采用上下兩個(gè)繞組交叉連接方式，繞組中設(shè)有中間抽頭，抽頭比為δ=N2/N，在抽頭中接有可控硅K1(K2)，每相兩個(gè)鐵心柱上的繞組交叉點(diǎn)兩端連接有續(xù)流二極管D．

圖1 新型三相磁控電抗器模型Fig．1 Three-phase MCR structure schematic diagram

1．2 新型三相磁控電抗器原理

新型三相磁控電抗器的每相工作電流的調(diào)節(jié)是通過改變晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)繞組中的直流勵(lì)磁電流的大小，進(jìn)而改變鐵心的磁導(dǎo)率來實(shí)現(xiàn)的．

現(xiàn)以A相為例進(jìn)行原理性的解釋，當(dāng)晶閘管K1、K2上不加觸發(fā)脈沖時(shí)，磁控電抗器上通過的電流很小，磁控電抗器處于空載狀態(tài)．若在電源電壓的正半周時(shí)，給晶匝管K1施加觸發(fā)脈沖，讓K1導(dǎo)通，在電源電壓處于負(fù)半周時(shí)，給晶匝管K2施加觸發(fā)脈沖，讓K2導(dǎo)通，在忽略晶閘管的正向壓降情況下，在電源電壓的完整周期內(nèi)的K1、K2輪流導(dǎo)通起到了可控全波整流的作用，改變晶閘管的觸發(fā)角便可平滑地改變繞組中通過的直流電流．交叉連接的二極管D起到續(xù)流的作用．這樣，通過改變晶閘管的觸發(fā)角，可以調(diào)節(jié)繞組中流過的直流電流，從而控制該相鐵心柱的飽和程度，起到調(diào)節(jié)軛部磁閥的交流磁通通過量大小的作用，進(jìn)而改變工作繞組中通過的交流電流大?。?/p>

對(duì)于三相磁控電抗器，由于每相的直流控制磁通在每相的兩個(gè)鐵芯柱內(nèi)形成閉合回路，每相的交流工作繞組產(chǎn)生的交流工作磁通與其他兩相工作繞組中產(chǎn)生的交流工作磁通在鐵軛上相加為零，所以可以按照A相的分析方法對(duì)B、C兩相的工作原理進(jìn)行相似的分析．

2 新型磁控電抗器的電磁分析

假定電網(wǎng)的三相電壓是對(duì)稱的，磁控電抗器的每相磁路結(jié)構(gòu)與繞組結(jié)構(gòu)相同，則三相交流工作電流的磁通也是互相對(duì)稱的，有φa+φb+φc=0．

設(shè)圖1的三相磁控電抗器模型中從左到右每個(gè)鐵芯柱上的磁通分別為 φa1，φa2，φb1，φb2，φc1，φc2，它們所對(duì)應(yīng)的磁動(dòng)勢(shì)為 Fa1，F(xiàn)a2，F(xiàn)b1，F(xiàn)b2，F(xiàn)c1，F(xiàn)c2，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 Ba1，Ba2，Bb1，Bb2，Bc1，Bc2，對(duì)應(yīng)每個(gè)繞組上的電流為 ia1，ia2，ib1，ib2，ic1，ic2，控制電流為 Ik1，Ik2，Ik3，Ik4，Ik5，Ik6，參數(shù) μ 為鐵芯的磁導(dǎo)率．

圖2 新型三相磁控電抗器單相繞組結(jié)構(gòu)Fig．2 A single phase circuit of three-phase MCR

當(dāng)晶閘管不加觸發(fā)脈沖時(shí)，流過磁控電抗器的交流工作電流很小，可認(rèn)為電抗器處于空載狀態(tài)，此時(shí)磁軛部分磁阻比較大，而鐵心柱工作在不飽和狀態(tài)，磁阻比較小，可近似地認(rèn)為φa1=φa2，φb1=φb2，φc1=φc2，其中，φa=φa1+φa2，φb=φb1+φb2，φc=φc1+φc2．

當(dāng)A相晶閘管K1、K2輪流導(dǎo)通時(shí)，A相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)由圖2分析可知，

晶閘管K1導(dǎo)通時(shí)A相的電磁方程［1］為:

晶閘管K2導(dǎo)通時(shí)A相的電磁方程為:

其中，Em為A相電壓最大值，R是線圈的電阻．晶閘管K1導(dǎo)通時(shí)A相左側(cè)的繞組流過的電流為

晶閘管K1導(dǎo)通時(shí)A相右側(cè)的繞組流過的電流為

B、C兩相的電磁方程的分析可采用與A相相同的分析方法，其磁動(dòng)勢(shì)方程分別為:

晶閘管K3導(dǎo)通時(shí)B相左側(cè)的繞組流過的電流為

晶閘管K3導(dǎo)通時(shí)B相右側(cè)的繞組流過的電流為

晶閘管K5導(dǎo)通時(shí)C相左側(cè)的繞組流過的電流為

晶閘管K5導(dǎo)通時(shí)C相右側(cè)的繞組流過的電流為

3 三相磁控電抗器仿真分析

3．1 三相磁控電抗器仿真模型

圖3為新型三相磁控電抗器的仿真分析模型，其參數(shù)大小為:厚度為15 cm，柱高為80 cm，鐵芯柱寬度為15 cm，上、下磁軛長(zhǎng)度取150 mm，磁軛寬度為90 mm，繞組線圈匝數(shù)為2 100匝，抽頭分壓匝數(shù)比為3%，電源電壓為幅值等于14 140 V的工頻交流電壓．

按照仿真要求設(shè)定鐵心、線圈及邊界的各種參數(shù)后，再設(shè)定電源參數(shù)，同時(shí)設(shè)定好網(wǎng)格刨分參數(shù)后，利用Ansoft軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格刨分，刨分后的三相磁控電抗器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖4所示．

3．2 Ansoft仿真解結(jié)果與分析

設(shè)定不同的導(dǎo)通角后，計(jì)算機(jī)進(jìn)行多次有限元計(jì)算，得出了在不同導(dǎo)通角下的工作電流波形．圖5給出的是新型三相磁控電抗器模型在不同觸發(fā)角下三相繞組流過的工作電流波形．

圖5 不同觸發(fā)角下三相磁控電抗器的工作電流波形Fig．5 The current waveform of MCR in different triggering angles

圖 5 中 Ia1，Ia2，Ib1，Ib2，Ic1，Ic2為三相磁控電抗器各個(gè)交流繞組中流過的電流，其中 Ia1=Ia2，Ib1=Ib2，Ic1=Ic2．由于電流波形重疊原因，圖中只顯示了3個(gè)電流波形，所以，圖中只標(biāo)注了Ia(代表Ia1、Ia2)、Ib(代表Ib1、Ib2)、Ic(代表Ic1、Ic2)．由圖5可以得出，調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角可以平滑地改變其工作電流，其輸出電流波形中諧波含量不大．圖6給出了不同導(dǎo)通角下鐵心中磁力線的分布情況:

圖6 不同觸發(fā)角下MCR鐵心的磁力線分布Fig．6 The graph of magnetic line in three-phase MCR under different triggering angle

從圖6中可以看出，隨著觸發(fā)角的增加，直流控制電流減小，磁軛部位的飽和程度減小，漏磁通減小，所以繞組和磁軛部位的渦流損耗也相應(yīng)減小．

4 結(jié)論

本文提出了一種新的三相磁控電抗器模型結(jié)構(gòu)，介紹了它的鐵芯和繞組構(gòu)造，分析了其工作原理，并建立了該三相磁控電抗器仿真模型，進(jìn)行了電磁場(chǎng)有限元計(jì)算和仿真，得到其工作電流波形圖和磁力線分布圖，通過分析仿真結(jié)果可以得出如下結(jié)論:減少三相磁控電抗器的磁軛截面積能夠取代三相磁控電抗器的磁閥的作用;改變晶閘管的導(dǎo)通角可以改變新型磁控電抗器的交流工作電流，達(dá)到連續(xù)改變電抗器的電抗值的目的;該新型三相磁控電抗器工作時(shí)，輸出電流波形中諧波含量很小，不會(huì)影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行;新型磁控電抗器鐵芯柱采用減小鐵芯磁軛截面積的方法來代替鐵芯柱的分布式磁閥結(jié)構(gòu)，減少了制造鐵芯的復(fù)雜程度，從而有效地降低了成本，同時(shí)在不改變其電氣性能的情況下降低了磁控電抗器工作時(shí)的噪音．

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