（电力系统及其自动化专业论文）可控电抗器控制器的设计.pdf

东北电力大学硕十学位论文 a b s t r a c t m a g n e t i c a l l y c o n t r o l l e ds a t u r a t e dr e a c t o r i san e w l yr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nd e v i c e i th a sa na p p r o x i m a t el i n e a r a - vc h a r a c t e r i s t i c ，l e s sh a r m o n i c s a n dr e l a t i v el e s sr c 蛐o i l s et i m e i ti st h ef i r s td e v i c ei nt h ea r e ao fv o l t a g er e g u l a t i o n a n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t h et h e o r ya n df u n c t i o no fm a g n e t i cv a l v e c o n t r o l l a b l er e a c t o ri si l l u s t r a t e di nd e t a i li nt h ep a p e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e li s g i v e n ，a n di t se l e c t r o m a g n e t i s me q u a t i o n sa r cp r e s e n t e d i nt h eb a s i s ，ac o n t r o lc i r c u i t i sd e s i g n e db yl p c 2 1 3 8c h i pf r o mp h i l i p sc o m p a n y , a n dt h ec o n t r o l l i n go ft h i s d e v i c ei sp r o g r a m m e db yc o m p u t e rs o f t w a r et oh a v eu s e r - f r i e n d l yi n t e r f a c e f i r s t l y , t h i sp a p e rl o o k sb a c k o l lt h ed e v e l o p m e n to fm a g n e t i cv a l v ec o n t r o l l a b l e r e a c t o r ，r e v i e w si t ss i t u a t i o nt o d a y , p o i n t so u ti t ss u p e r i o r i t yc o m p a r e dw i t ho t h e r r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e ，d i s c u s s e st h ea d v a n t a g ea n ds h o r t a g eo fi t s c o n t r o lc i r c u i tn o w a d a y s ，a n dp u t sf o r w a r dt od e s i g nas a f ea n ds t a b i l i t yc o n t r o l c i r c u i tw i t hl p c 2 1 3 8 s e c o n d l y , t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h ee l e c t r o m a g n e t i s me q u a t i o n si na l lw o r k i n g s t a t e sb ya n a l y z i n gt h em a g n e t i cf l u x , a n dp r e s e n t st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e c o n t r o lv o l t a g eo ft h y r i s t o r sa n dt h el i n ev o l t a g e t h ee q u a t i o n sb e t w e e nt h ec o n t r o l a n do u t p u tc u i x e n ta r eg i v e n f i n a l l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es o r w a r e a n dh a r d w a r er e a l i z a t i o no f t h ed e v i c e ， a n dr e c o u n t st h em e a s u r e m e n t sa n dw a y sa d o p t e di nd e t a i l t h eh a r d w a r ei sc o m p a c t , r e l i a b l ea n ds t e a d y at e s ti sp r a c t i c e du n d e rt h ea s s i s t a n to fc o m p u t e rt op r o v et h e w h o l ed e s i g n , a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sd e v i c ed e s i g n e di nt h i sp a p e rh a s r e a l i z e dt h ei n i t ja 】d e r u a n d s k e y w o r d s ：m a g n e t i c a l l yc o n t r o l l e ds a m r a t e dr e a c t o r ，a r m l p c 2 1 3 8 i i 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 、 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书： 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：黧丝挝日期：2 苎 l 年上月婴日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：塑鱼过嗍卫尘年上月笪日 导师签名：日期：k g 年l 月旦日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1课题目的及意义 随着我国工业的迅猛发展，对电力的需求越来越大，因此对电力供应的要 求也越来越高，这就要求有高效率、高质量的电力传输系统。减少线路的损耗、 减少故障的发生。高质量的电力供应已成为当前电力传输领域的技术焦点。可 控电抗器的发展是随着对高质量、高可靠和高效率的电能供应的要求而产生的。 可控电抗器在电力传输领域主要应用于电力系统的无功补偿和电压控制，以及 用在中性点不接地系统中的消弧线圈控制。随着超高压远距离输电系统的发展 及电力负荷变化的加剧，电网中无功功率的消耗日益增大。无功不足，是导致 我国电压质量不高和电能浪费严重的重要因素。无功补偿的目的是减少传输线 中的无功电流，以减少线路损耗，同时解决电力系统无功供应不足的矛盾。无 功补偿在很早以前，就受到广泛的重视，并且有很多种方法去实现。可控电抗 器和电容器组并联运行相互协调调节无功，比当前常用的同步调相机和单纯的 电容器组补偿无功的方法更灵活方便，同时补偿效果也较理想1 1 - 1 。 电力系统中负载的大小和负载的性质不是固定不变的，而是一天之内，甚 至在一小时之内都不同。例如，正常的白天用电量就比较高，而夜间则比较少。 因此电网电压就不停地随着负载的波动而波动，而且有时这种波动会产生谐波 过电压。电力系统的电压之所以需要经常调节，是因为电压偏移过大时，会影 响工农业生产产品的质量和产量，损坏设备，甚至引起故障，造成大面积停电。 例如，电动机、变压器等用电设备所承担的负荷都可能会因系统电压过低而减 小；电动机甚至会因电压过低造成温度过高而被烧毁。电压过高将使电气设备 的绝缘受损、寿命缩短，甚至使大量照明器件损坏。采用可控电抗器并联在电 网上，当电网电压波动时，通过调节可控电抗器的电感可调节系统的无功电流p j ， 补偿负载变化产生的电压波动起到稳定系统电压的目的。 中性点不接地电力传输系统允许电网发生一相接地故障时，继续运行，因 为这种故障不会破坏线电压的对称性。然而，由于线路对地电容的存在，在接 东北电力大学硕+ 学位论文 地点会产生间歇性的电弧。如果对地电容较大，很大的接地电流长期通过故障 电弧而产生热效应，有可能使单相接地故障发展为相间短路，使故障扩大。此 外，接地点电弧间歇燃烧，会诱发谐振过电压。如果不伴生其他过电压，这种 谐振过电压的数值可达3 3 2 倍相电压，加在有电气连接的整个网络下，电网 中的薄弱部位可能被击穿，单相接地短路便发生这种过电压作用：相接地短路， 造成系统停电。有时即使不发生间歇性接地电弧，由于一相接地引起其它两相 对地电压升高3 倍，也可使绝缘薄弱环节的部位发生击穿，在中性点加消弧线 圈可以有效的补偿这种电容电流，熄灭电弧，减小接地点的电容电流。传统的 消弧线圈是调匝式的，不易控制，而且经常发生脱谐的现象，用可控电抗器代 替原来的消弧线圈，就可以在线检测系统对地电容电流，通过实时控制而实现 动态补偿和快速熄弧1 4 j 。 ， 可控电抗器的种类比较多，最简单的可控电抗器是调匝式的可控电抗器， 它是通过调节匝数来调节电抗值，这种方法控制不方便，而且只能有级的调节； 改变磁路的磁阻来改变电感的方法是在磁路中加一个可调节的气隙，调节气隙 的大小改变电感，这种方法控制精度不高，控制较困难；用一个双向晶闸管串 在主电路中控制电路中电流的导通时间的方法来改变电感，这种方法虽然保证 了电感变化的连续性，但是要求晶闸管功率大、耐压甜5 j ；另一种可控电抗器是 外加直流偏磁的饱和电抗器，控制直流的大小可改变电感值，这种方法的缺点 是谐波较大。本文提出的可控电抗器由于它固有的特点，在改善电力传输系统 的各方面性能起到了很大的作用。这种可控电抗器在俄罗斯己得到广泛的应用。 我国在这方面还处于起步阶段，由于它有工艺简单，成本低，维护方便，易于 控制等优点，适合我国国情，在我国有很大发展前景【6 j 。 1 2电力传输技术的研究现状及发展动向 1 8 9 1 年在法兰可福城举行的国际电工技术展览会上，俄国人多里奥一多勃 列奥列斯基展出的输电系统奠定了近代输电技术的基础。近年来国内外输变电 技术取得了突飞猛进的发展。目前世界上最高送电电压是1 9 8 6 年原苏联哈萨克 煤电西送的交流1 1 5 0 k v ，输电线路全长2 5 0 0 公里。仅次于1 1 5 0 k v 的是美国中 东部俄亥俄州以a e p ( 美国电力公司) 为中心的电力线路以及巴西、委内瑞拉等大 第1 章绪论 电网送出线采用7 6 5 k v 级电压。加拿大采用7 3 5 k v 作送电电压。我国目前最高 的交流输电电压为5 0 0 k v 。国内第一条交流5 0 0 k v 线路是1 9 3 1 年建成的平顶山 武昌的输电线，全长5 9 5 公里【1 】。依据以上数据可以看出目前电力传输系统 的发展方向是超高压和远距离线路传输，以减少电压等级和中间变电容量，减 少线路损耗和线路故障率。保证电力传输安全、可靠、经济的运行是电力传输 系统的基本要求。无功补偿是减小线路损耗的重要途径，电压补偿是提高供电 质量的重要方法，消弧线圈是保障中性点不接地系统在单相接地故障时能长期 运行的重要手段。这些领域的技术发展是当前电力传输技术的重要研究方向。 下面对无功补偿、电压调整控制和三相不接地电力传输系统的消弧线圈的 国内外技术动态作一简述。 无功补偿的方法目前主要采用以下几种方法【7 j ： ( i ) 用同步调相机进行无功补偿。这种方法一般用在大型工矿企业的用电 大户。它可以平滑的调整它所供应或吸收的无功达到无功补偿的目的。但它投 资较大，维护麻烦，控制也较困难，要求操作人员经过专门培训。 ( 2 ) 用固定的电容器组并联在传输线中来补偿线路的无功。这种方法主要 应用在早期的电力传输系统中。在负载波动不大，线路容量较小的情况下也采 用这种方法；电容只能成组的投切，因此不能平滑的调节无功。显然，这种方 法补偿效果不够理想，常出现过补偿和欠补偿的情况。这种方法一般设计补偿 到功率因数为0 9 0 左右，不可全补偿，以防止出现过补偿情况。 ( 3 ) 用电容器组和一个一般的可控电抗器并联运行进行补偿( 静止型t c r ) 。 这种可控电抗器不是调偏磁的磁饱和可控电抗器，而是用双向晶闸管控制主电 路电流的通断来实现的它的电流可能不连续，谐波含量较大，容易产生谐振， 对电力系统的稳定运行是一种潜在的危险。晶闸管直接控制主电路的电流，对 晶闸管的性能和控制要求较高。 。 ( 4 ) 用电力电子技术来实现无功补偿，主要原理是用g t o 、g t r 和i g b t 等 可关断电力电子器件和脉冲调制( p w m ) 技术控制被补偿电路的电压和电流的幅 度和相位它不仅可实现无功补偿，而且可实现谐波补偿，控制性能十分理想。 但这种方法控制系统十分复杂，而且成本较高。目前只是在少数发达国家开始 应用，短期内在我国普遍推广应用还有困难。 东北电力丈学硕十学位论文 目前电压调整控制技术主要有以下几种： ( 1 ) 一种最常用的调节电压的手段是调节发电机的端电压。这种方法不需 要附加的设备从而不需要附加的投资，而且是最直接的调压手段，只需在检测 到电压的波动时，调节发电机的励磁。但这种方法只能在电压9 5 1 0 5 的波动 范围内调节以保持以额定功率运行。 ( 2 ) 调节变压器的变比或分接头同样也可以调接线路的电压。这种方法实 现实时控制调节线路电压是十分困难的，而且控制是有级的不易实现快速补偿， 补偿效果也不十分理想。 ( 3 ) 在无功不足的系统中，也可以用增加无功的方法来调节线路的电压。 这种方法可以用并联电容器组或同步调相机来调压，但投资较大，只能在特定 条件下才可应用。这种方法，稳压范围一般较小，针对性较强，对于非无功引 起的电压波动无效。 ( 4 ) 作为调压的措施，串联电容器补偿同样可以提高电压。但是，这种方 法需要较昂贵的电力电容，成本较高。另外，串联电容器补偿由于设计、运行 等方面的因素，目前应用并不广泛。 目前消弧线圈的控制手段有以下几种： ( 1 ) 目前广泛采用的消弧线圈是通过调节消弧线圈抽头的方法调节线圈的 电抗值可以获得不同的补偿电流。这种方法只能有级的调节，脱谐度也较大。 另外，中性点不接地系统的线路对地电容要提前测量出来。因此，这种方法补 偿的实时性和效果都不是太好。 ( 2 ) 另一种是用双向晶闸管控制的可控消弧线圈，这种可控消弧线圈和上 面提到的可控电抗器类似，同样存在谐波大的问题。 ( 3 ) 较新的一种是在三相变压器上另加两个有一个小截面的铁芯柱的可控 消弧线圈，这种消弧线圈效果较好。但是，它属于磁阀式电抗器，由于有两个 带小截面的铁芯柱，所以从工艺上和机械强度上都不易达到要求【鄹。 以上介绍了各种在无功补偿、电压调整控制和消弧线圈的控制方法，通过 比较分析可以看出各自有它们的优缺点。 本文提出的可控电抗器是基于偏磁可调的原理，即通过改变晶闸管的触发 角来改变直流激磁电流的大小，进而改变铁芯的饱和程度，达到调节电感大小 第l 鼋绪论 的目的。这种新型可控电抗器结构简单、制造方便、在性能上保持了t c r 的优 点，同时在很大程度上克服了t c r 的不足之处，谐波含量较小。由于它控制的 是直流偏磁，而且控制电压仅为额定电压的一小部分，故所需的晶闸管的耐压 低、功率小，因而控制简单、成本低。基于这种原理的可控电抗器的研究在俄 罗斯受到高度重视，已获得了应用。我国也已把这种可控电抗器的研究列入 九五攻关项目。这种低成本、高性能的新型可控电抗器具有较广泛的应用前 景。 1 3 磁饱和式可控电抗器控制电路实现方式 磁饱和式可控电抗器是通过调节它的可控硅的触发导通角，来改变直流激 磁电流的大小，改变饱和程度，从而控制它的输出容量。它的控制原理和电磁 方程式在第二章中介绍。控制过程一般是：信号采集点的电网电压、负载电流 分别经相应的电压互感器和电流互感器变换后，作为信号接入控制柜。控制柜 内的控制模块通过对信号的实时采集、分析，计算出相应采集点的有功功率、 无功功率以及功率因数等参数，然后按照用户所要求的无功补偿规律，输出适 当的触发脉冲。脉冲经过光电变换，通过光纤送至主电路处，经过放大后，触 发晶闸管从而控制可控电抗器。其中控制模块是整个控制系统的核心。它不仅 要有较高的数据处理速度，而且要求有较强的控制算法，来实现数据采集的精 确性和控制的实时性、准确性。 1 4 本文的主要工作 使用磁饱和式可控电抗器设计一套单相的控制器。该控制器借鉴国内外研 究同类装置的经验，克服现有装置的缺点和不足，集成度高，抗干扰能力强， 运行稳定、可靠。本课题主要分为硬件和软件设计两大任务。本设计的硬件采 用p h i l i p s 公司的l p c 2 1 3 8 芯片作为核心，并配置适当的外围电路来完成各项 功能。软件的设计采用k e i l 公司开发的k e i lc 语言。 本文要做的工作如下： 1 阐述了电力传输技术的研究现状及发展动向，并说明了磁饱和式可控电 东北r 乜力犬学硕十学位论文 抗器在电力系统中的应用的意义与前景。 2 分析了磁饱和式可控电抗器的数学模型和特性，包括磁饱和式可控电抗 器的工作原理、磁化曲线的数学模型、磁路系统和可控电抗器的特性以及在无 功补偿、电压调整、消弧线圈中的应用。 3 基于磁饱和式可控电抗器的无功电压综合补偿装置的硬件电路设计，包 括模拟量输入输出，数据采集、同步信号提取、通信接口电路、显示电路、脉 冲触发电路。 4 完成了控制装置的策略研究及软件设计，并设计了人机界面友好的计算 机端控制软件。 第2 章磁饱和可控电抗器原理与应用 2 1 磁饱和可控电抗器的发展及其应用前景 2 1 1 磁饱和可控电抗器的发展 可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的，早在1 9 1 6 年就有美国人 e f w 。亚历山德逊提出“磁放大器”的报告。到了4 0 年代，随着高磁感应强 度及低损耗的晶粒的发展，将饱和电抗器的理论与应用提高到一个新水平。1 9 5 5 年，英国通用电气公司( 6 e c ) 成功制造了世界上第一台可控电抗器( 1 0 0 m v a ， 2 2 0 k v ) 。但该装置由于三角形线圈的存在，其控制直流的改变，会导致三角形 线圈内部电流的变化，过度过程时间取决于三角形线圈的时间常数，其值一般 很大，故该装置调节速度慢。1 9 8 6 年，原苏联学者提出了可控电抗器的一种新 型结构，从而使可控电抗器的发展有了突破性进展，进入了实用阶段。 2 1 2 磁饱和可控电抗器的应用前景 磁饱和可控电抗器在电力系统中应用潜力很大，主要有以下几个方面 9 - 1 1 】： 1 电力系统无功补偿中的应用 可控电抗器用于无功补偿主要是与电容器( 电容器组) 补偿配合。现有的电 容补偿主要形式有固定电容补偿、可投切电容器组、可控电抗器+ 固定电容器。 固定电容器和可投切电容器组补偿，其容量不能调节或不能连续调节，所 以补偿效果大大降低，为了使调节容量比较灵活，一般希望组合产生的电容值 越多越好，但这会使设备变得复杂，控制起来也比较麻烦。 可控电抗器+ 固定电容器则完全解决了这方面的问题，磁饱和可控电抗器 可以平滑调其电感值，与电容器配合以后总体的无功输出可以连续调节。 2 远距离输电系统中抑制过电压中的应用 远距离输电系统由于长线路的电容效应，而使末端电压升高。如果使用固 定大容量的并联电抗器，将会增大等效波阻抗，减少自然功率值和线路传输能 东北电力大学硕l 学位论文 力；在重载输电时，仍需给电抗器提供无功。而可控电抗器能直接接在高压线 路侧，同时发挥同步补偿机和并联电抗器的作用，还可以限制因开关操作而引 起的操作过电压。 3 提高系统稳定性中的应用 磁饱和可控电抗器有快速的动态响应能力，可以在系统受到干扰时，维持 母线电压，提高系统稳定性。当系统出现故障的时候，可以抑制系统功率震荡。 在直流输电系统中，同样可以起到交流系统中的作用。 4 不平衡负荷平衡化中的应用 在不平衡负荷电力用户中的应用，可消除不平衡负荷所带来的影响。在谐 振接地配电网中，则可用作可调消弧线圈和故障选线。单相可控电抗器接入三 相整流电路的零序回路中，根据负荷变化自动调节，可使系统功率因数接近1 0 ， 高次谐波大大减小【1 2 1 3 1 。 2 2 可控电抗器的分类及选型 可控电抗器的种类比较多，主要有以下几种。 1 调匝式的可控电抗器 它是通过调节匝数来调节电抗值，这种方法控制不方便，而且只能有级的 调节； 2 磁阀式可控电抗器( f v c r ) 这种可控电抗器是根据改变磁路的磁阻来改变电感。其方法是在磁路中加 一个可调节的气隙，调节气隙的大小改变电感。这种方法控制精度不高，控制 较困难( 蚓； 3 晶闸管控制型( t c r ) 利用一个双向晶闸管串在主电路中控制电路中电流的导通时间的方法来改 变电感的可控电抗器。这种可控电抗器虽然保证了电感变化的连续性，但要求 晶闸管功率大、耐压高； 4 磁饱和式可控电抗器 这种可控电抗器，它控制方便，无小截面，制造工艺简单，从而保证了良 好的工艺性和机械性以及控制的灵活性。这种磁饱和式可控电抗器由于它固有 的特点，在改善电力传输系统的各方面性能中起到了很大的作用。这种可控电 抗器在俄罗斯已得到广泛的应用。我国在这方面还处于起步阶段，由于它工艺 简单，成本低，维护方便，易于控制等优点，适合我国国情。 综上所述，本课题决定选用磁饱和式可控电抗器。 2 3 可控电抗器的理论分析 2 3 1 可控电抗器的结构及工作原理 磁饱和式可控电抗器具有功率自动连续平滑调节的特点，能在很短的时间 内，从空载功率调节到额定功率【1 4 1 。因此，在超高压长距离输电网中使用磁饱 和式可控电抗器，不仅可以平滑调节系统的无功功率，限制工频电压升高和潜 供电流，提高系统的输电能力和稳定性，而且还有大幅度限制操作过电压，显 著减少线路空载( 轻载) 损耗，提高电网可靠性和优化电网运行状况的功能【l 引。 1 可控电抗器的结构 图2 一l 为单相磁饱和式可控电抗器结构图。电抗器由两个等截面、等长度的 主铁芯l 、2 + m 两个等截面、等长度的旁轭1 、2 组成【1 6 1 。旁轭截面积大于主铁芯 截面积。每个主铁芯上绕有总匝数为w 的上、下两个绕组，w = + w e 。每个绕 组各有一个抽头分别与晶闸管五和五：相连。不同铁芯的上、下两个绕组交叉 串连后并联至电网，续流二极管d 跨接在两个绕组的交叉处。铁芯l 和旁轭1 、铁 芯2 和旁轭2 分别组成两条交流磁通的回路，铁芯1 、2 组成直流磁通一的回 路。图2 2 为可控电抗器的电路图。据文献 1 7 介绍，两个主铁芯柱截面积较小 可保证工作时磁压降大部分降落于两个主铁芯柱上，使其容易达到饱和【l ”。 2 可控电抗器的工作原理 本文介绍的可控电抗器是基于直流偏磁可调原理1 1 8 1 9 1 。文献 1 对可控电抗 器的工作原理进行了详细论述，下面结合其电路图简述直流偏磁的产生机理。 可控电抗器可能处于以下三种工作情况： ( 1 ) 晶闸管z 和正都不导通时，电抗器处于空载状态。 东北电力大学硕 | 学位论文 u 图2 - 1 可控电抗器的结构图 图2 2 可控电抗器的电路图 ( 2 ) 电源处于正半周时，晶闸管五承受正向电压，正承受反向电压。触发正 导通，忽略其正向压降则a 、c 两点等电位，电源u 经匝数为佻的绕组提供直流 控制电压和控制电流斌，其等效电路如图2 - 3 ( a ) 所示。 ( 3 ) 电源处于负半周时，正承受正向电压，五承受反向电压。触发不导通 则q 和q 两点等电位，电源u 同样向电路提供直流控制电压和控制电流娩，其 等效电路如图2 3 ( b ) 所示。 由图2 3 ( f 1 ) 和( b ) 所示，直流控制电流掘和吐方向相同。二极管d 在五和正 导通和关断时起续流作用。为清晰起见，图2 3 ( a ) 和( b ) 可进一步等效为图2 - 3 ( c ) 和( d ) 。从图2 3 ( c ) 和( d ) 可以清楚地看到，电抗器绕组中流过两部分电流，一 部分电流是工作电流，其产生的交流工作磁通通过主铁芯和旁轭的回路闭 合；另一部分电流是直流控制电流磁和鸩，其产生的直流控n 磁3 5 4 - 通过两 个主铁芯闭合。 b a c w w 1 a c w l a l c 1 嘶 ( a )互导通时的等效电路( ”正导通时的等效电路 ( c ) 与图2 - 3 ( a ) 等效图( d ) 与图2 - 3 ( b ) 等效图 图2 - 3 五和e 导通时的等效电路图 可控电抗器的工作原理如图2 4 所示，当触发角a = 7 时，两个晶闸管都不 导通，磁路中只有交流激磁磁通，电抗器处于空载状态。不考虑损耗，则两个 主铁芯中的交流磁通按正弦规律变化。当触发角a 石时，两晶闸管轮流导通， 磁路中存在直流控制磁通，两个主铁芯中的磁通电和也，由交流工作磁通和直 流控制磁通合成。z 导通时，铁芯1 高度饱和，铁芯2 工作在导磁率较高的线性 区，几乎只有正半波。同理当正导通时，如几乎只有负半波。总的电流波形为 正弦波。铁芯1 磁通屯为嚷和西一之和，铁芯2 磁通电为电和m 一之和。如 两晶闸管都不导通，则两个主铁芯中仅有嚷存在。两个主铁芯的磁动势e 和最 也都由直流量和交流量合成。铁芯1 工作在磁化曲线上段，铁芯2 工作在磁化 曲线下段。电抗器总磁动势是e 和最之和。将e 和最相比可以看出，当存在直 流控制电流时，总电流i 有了很大的增加，交流线圈的电感值随之下降。改变 晶闸管触发角就可改变直流控制电流的大小，主铁芯的工作点改变而使总电流 发生变化，从而可平滑地改变可控电抗器的电抗。 - f l 垒- j ，磁一一 西。i 夺 刀，、- 母， ； 姓 i l d 利f 21 - 爿f 。 图2 _ 4 可控电抗器的工作原理 f 2 3 2 可控电抗器的特性分析 因为与电网的工频周期相比，晶闸管五、正和二极管d 的开关动作时间都 很短，若忽略开关动作时间，可将它们视为理想开关元件。如图2 5 所示。 第2 章磁饱和可控电抗器原理府用 状态3 状态2状态3状态4 图2 5 可控电抗器工作状态图 设电网电压为u = 2 【，s i n 甜，晶闸管的触发角为a ，则一个工频周期内电 抗器存在以下四种工作状态，各状态对应的电路图如图2 - 6 所示： ( 1 ) 当a = 万时，电抗器处于状态1 ：五、正和二极管d 都关断； ( 2 ) 当a ( a t 万时，电抗器处于状态2 ：z 导通，e 和d 关断； ( 3 ) 当0 o t 口或芹 研 f f + a 时，电抗器处于状态3 ：d 导通，五和瓦关 断； ( 4 ) 当窟+ 口c o t 2 x 时，电抗器处于状态4 ：五导通，互和d 关断； 如a = 万，电抗器工作于状态1 ，此时电抗器工作于空载状态，绕组中只有空载 激磁电流。如0 a 状 态2 专次序轮流工作，绕组中将产生分别如图2 - 6 ( b ) 、( c ) 和( d ) 中虚线所 示的环流，对绕组来说方向不变，大小受控于晶闸管触发角a 的大小，调节a 大小就可以平滑地调节可控电抗器的电抗大小。 图2 _ 6 各种工作状态下的等效电路图 露 2 4 磁饱和可控电抗器的等效电路 图2 7 为单相磁饱和式可控电抗器的结构原理图。电抗器有两个结构相同 的主铁心1 、2 和两个旁轭组成。每个铁心上绕有总匝数为的上、下两个绕组， 每个绕组各有一个抽头分别与晶闸管五、五相连，抽头比为6 = w 2 w l ，而 w = w 1 + w 。不同铁心上的上、下两个绕组交叉顺连后并联至电网，续流二极 管d 跨接在两个绕组的交叉处。绕组中的直流环流受控于晶闸管触发角口的大 小，通过调节口的大小就可以达到连续调节电抗器容量的目的。 当忽略铁心损耗、集肤效应和绕组漏磁通后，有： e2 i j w + i 2 w o 一所2 万一郦) 】 ( 2 1 ) e 。w i a 2 w ( 1 一m 2 j + m 占) 】( 2 - 2 ) = 玛喊+ 以l 等+ 警i ( 2 - 3 ) - a 图2 - 7 可控电抗器结构原理图 面m sj v 毗伸嘲” 百d q 一刳 ( 2 4 ) i e = 喝 【最= 峨 l 吗= s s , 【嗖= 踢 式中，工作电压、工作电流一直流控制环流； 巧，e 铁心1 、2 的磁势； e ，见铁心1 、2 的磁场强度； 电，电铁心l 、2 的磁通； 置，晟铁心1 、2 的磁通密度； ，铁心有效长度； s 铁心横截面积； r a ，置，恐一绕组形、w l 、w 2 的r g n m 与晶闸管触发角口的关系为： r e ( c o t ) = ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 0 0 c o t a 1 0 口甜 万 ( 2 7 ) 一1 万刎 万+ 口 万- i - 口研 2 万 i f = = s i n c o t 令i 吻= 高以 为了简化方程式( 2 1 ) ( 2 - 4 ) ，定义等效电流为： f = 一2 m 钙 k = 2 ( 1 - m 2 j ) 岛 则式( 2 - 1 ) ( 2 - 4 ) ，定义等效电流为： e = 暇+ ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - t o ) 东北电力大学硕七学位论文 五= 阴一既 ( 2 。1 1 ) 嘶瑚+ 町等+ 刳 屹= l 1 _ i + 枷m 2 8 1 r ri + 矿伊刳 r ，：堡掣r 。 ( 2 - 1 4 ) 。 1 一埘d “ 由上述分析可以看出，通过定义如式( 2 - 9 ) 所示的等效电流，得到了磁饱和 式可控电抗器比较简明的数学模型 2 0 m 1 ( 式( 2 1 0 ) ( 2 - 1 3 ) ) 。根据该模型，可 得磁饱和式可控电抗器等效电路如图2 - 8 所示。 蜀电 i + 所2 d 。 r 孑孑心 呜 图2 - 8 可控电抗器结构等效电路 图2 8 的左半部分相当于电抗器的工作回路，对应的方程是式( 2 1 2 ) 。图 2 - 8 的右半部分相当于电抗器的控制回路，对应的方程是式( 2 - 1 3 ) 。显然，由于 实际电抗器的控制回路的拓扑与晶闸管和续流二极管的导通状态有关，所以等 效电路中的等效控制电压和等效控制回路电阻r ，都与m 有关。等效电路中工 作回路和控制回路之问由磁路方程式( 2 - 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 以及铁心等效磁化特性函 数相互耦合。由于自耦比6 总是远小于1 ( 一般是0 0 1 5 0 0 5 ) ，根据式( 2 9 ) ， 为了分析方便，可以近似认为等效电路中的工作电流就是电抗器的实际工作电 流f 。，等效电路中的控制电流是实际控制电流( 直流环流) 的2 倍。 2 5 磁饱和可控电抗器的应用 2 5 1可控电抗器在无功补偿中的应用原理 众所周知，在供电系统中，大部分负载为异步电动机，其它绝大部分电气 设备的等效电路也可看作是电阻与电感的串联【竭。因此，这些负载都呈感性， 它们在吸收有功功率的同时，也从电网吸收大量的无功功率，造成供用电系统 功率因数的降低，从而增加输电线路的功率损耗，使发电设备的容量不能充分 利用。因此需要对该系统进行无功补偿，以提高其功率因数【2 3 】。目前常用的方 法是在感性负载两端并联电容器，用容性的无功功率去补偿感性的无功功率， 但电容器不能对无功进行动态补偿。用可控电抗器可较好的解决这个问题。因 为晶闸管的触发角能连续可调，即在一定的范围内可控电抗器的电抗连续可调。 在电容器两端并联可控电抗器后，对外部来说，就相当于电容器的电容值在一 定的范围内可连续改变，这样就可实现动态无功补偿，使系统功率因数保持稳 定。 图2 - 9 无功补偿电路原理图 图2 9 为可控电抗器在电力系统无功补偿中的电路原理图，下面结合该图 阐述其原理。图中u 为电源电压，置和五分别为感性负载的电阻和感抗。皿为 并联电容容抗，x 。为可控电抗器的感抗( 其大小可调) 。令z ：为负载阻抗，z 为 加上补偿装置后系统入端总等效阻抗。则有 z ，：r l + ( 2 1 5 ) 东北电力大学硕i 学位论文 z = t t l 厂 一一- l 一 弘sj xcr l 七谌l 一蕊r l x 一错一去j r ；+ ；。ix ，z 。r ；+ x ；l ：- - - - - - - - - - - - - - - - - ：= - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - = 一 陪一去 2 + 鑫 2 由( 2 - 1 6 ) 式可得 x i jx 。一xc 僻生罂 蕊2 2 ( 2 - 1 7 ) 式中的0 为电路中电压u 和电流i 的相位差。所以 以= 丽 系统的功率因数 r ， c o s 0 = f 2 1 7 ) ( 2 i s ) ( 2 - 1 9 ) 由上式可知，当整个电路的毛，k ，融确定后，功率因数是置的一元函数， 即f = f ( x l ) ，当负载互变化时，若使系统的功率因数保持基本不变，只需改变 可控电抗器的感抗置即可a 2 5 2 可控电抗器在电压调整中的应用原理 习惯上所谓的电压调整仅对周期长、波及面广、因生产、生活和气象变化引 起的负荷和电压变动起作用。但实践证明，冲击性或间歇性负载引起的电压波 动波及面虽不如前者大，但对系统电压的不良影响也不容忽视。属于这一类的 负荷主要有往复式泵、电弧炉、卷扬机，通风设备等等。其中： 第2 章磁饱和可控电抗器原理府用 住复式泵、压缩机等引起的电压波动频率大约为2 2 0 周秒： 电弧炉、电焊机等引起的电压波动频率大约为1 0 周分2 周秒； 卷扬机、起重机等引起的电压波动颇率大约为3 0 周小时l o 周分； 通风设备、矿井水泵等引起的电压波动频率大约为2 3 0 周小时。 这类负荷中，以电弧炉最受注意，因电弧护负荷电流大，有达数万安培， 而且，电弧炉负荷变动的颇率最易形成不良后果。 本文采用可控电抗器并联在线路上，起电压调整的作用。当负载波动时， 可控电抗器的容量也随之变化，而且变化范围较大，它对整个电力系统起到容 量最平衡的目的，从而保证整个电力系统的稳定性。 电压调整控制的原理和无功补偿时的恒电压控制类似，只是系统中不加电 容器组，不起无功补偿的作用，而这种并联电抗器只起平衡负载容量的作用， 它对电网电压的大波动起到稳定的作用，它的原理仿照无功补偿稳定电压的情 况可得如下的分析： 设有简单电力系统如图2 一l o 所示。 图2 - 1 0 电压调整控制电路图 由图可见，略去电压降落得横向分量时， 配即警 ) 式中q 不计无功补偿设备时，归算到高压侧的低压母线电压 计及无功补偿设备时的电压，则 东北电力大学硕仁学位论文 即+ 半 设这两种情况下砂保持不变，则由上列两式可得 q + 警= + 警 由此可解得 睁导p 啪学一警) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 式中方括号内第二部分一般不大，可略去。从而，上式可写出为 包= 争( 一 j “ 。 、- ， 这样电压和可控电抗器的电抗容量就形成了一一对应的关系，电压改变时， 保持电压稳定只需改变q 即可。 2 5 3 可控电抗器在消弧线圈中的应用原理 对于中性点不接地三相电力传输系统，当发生单相接地故障时，允许传输 系统正常运行，但由于线路对地电容的存在，在接地点将产生电容电流。在接 地故障点流过的电流等于没有发生故障的另外两相对地电容电流的相量和： i c = - 3 uej c 靠接地点流过的电流； 矿故障相的相电压； c 电网一相对地的电容。 第2 章磁饱和可控电抗器原理与麻用 c b ( a ) 中性点不接地单相接地故障( b ) 补偿后的接地故障 图2 1 1 消弧线圈的补偿作用 电网线路越长，对地电容越大，接地故障相电流也越大。中性点不接地系 统电网发生一点接地故障时，不会破坏线电压的三相对称性，因此不会影响用 电。但是，在不接地点会产生间歇性的电弧，如果对地电容较大，很大的接地 电流长期通过故障点，产生热效应，使周围空间中性质点发生游历，有可能使 单相接地故障发生为相间短路。此外，接地点电弧的间歇性的燃烧，会发生谐 振过电压。如果不伴生其它过电压，这种谐振过电压的数值可达3 3 2 倍相电 压，加在有电气连接的整个网络上，在这种过电压的作用下，电网中的薄弱部 位可能被击穿，单相接地短路便扩大为多相接地短路，造成系统停电。有时即 使不发生间歇性的接地电弧，由于一相接地引起其他两相对地电压升高3 倍， 也可使绝缘薄弱环节的部位发生击穿。 为了使电网安全运行，希望单相接地电流越小越好。单相接地电流越小， 接地电弧熄灭越快。消弧线圈中所流过的感性补偿电流，是由变压器中性点的 位移电压产生的。当发生a 相接地时如图2 - 1 1 所示。中性点的位移电压为 u o = 一u a ，消弧线圈中的电流为： 纠蔷 ( z 式中t 、厶分别为消弧线圈和变压器的电感； 以接地故障的相电压。 采用消弧线圈补偿后，电网发生一点接地时可以长期运行。 莲 u t 厂：一l莲 东北电力大学硕十学位论文 2 6 本章小节 本章对磁饱和可控电抗器的工作原理进行了研究，其基本工作原理是控制 直流励磁电流，来达到平滑调节电感的目的。通过对其工作状态及电磁方程的 研究，建立数学模型，对磁饱和可控电抗器的特性进行研究。其特性为在电抗 器两端电压一定时，电流随晶闸管触发角增大而减小；当晶闸管触发角一定时， 电流与电压为近似的线性关系。根据磁饱和可控电抗器的特性，给出了其在无 功补偿、电压调整、消弧线圈控制中的应用原理。 第3 章系统的硬件屯路设计 第3 章系统的硬件电路设计 3 1系统总体结构设计 以l p c 2 1 3 8 p 5 1 为核心嵌入式处理器的可控电抗器的控制系统，采用了一般 测控系统所具有的普遍结构。在设计思想中的系统原理框图中，我把系统硬件 配置分为：a r m 嵌入式处理器系统、信号输入电路、晶闸管触发脉冲输出电路 三大部分。按照技术方案所述思想，分别对各部分进行元件选取、设计，最终 再把各部分统一起来进行整体设计、调试。图3 - 1 给出了控制系统硬件结构框 图。 ( a ) 控制装置原理框图 l a 蹦处理器 i- 伍圃塑囹 1 1 盟! 型l 日 l p c 2 1 3 8 人 机 r u 兰卫生= 兰：! 二j 接 口 暑矩 疆 瓮= ( b ) 系统硬件控制图 图3 - i 控制装置框图 东北电力大学硕十学位论文 3 2 处理器的选取 作为测控系统的核心部件，处理器的选择对整个系统功能的优化起着至关 重要的作用。面向工控领域的处理器，目前广泛应用的有8 位单片机、1 6 位单 片机、3 2 处理器、面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器( d s p ) 。 5 1 单片机作为从八十年代就开始流行的处理器，其开发技术成熟，应用广 泛，不足之处在于功能过于简单，己经不能适应于目前对测控系统功能和速度 的要求。d s p 器件在工控领域的应用，从长远的观点来看是一个必然的趋势。但 从现阶段各种d s p 器件的情况来看，偏重高端应用领域，其结构功能设计侧重 于有大量数字信号处理的场合，如雷达、多媒体等领域，不适合在工控领域的 使用，而且目前其价格较高，开发技术难度大。a r m 处理器是当今一颗耀眼的新 型2 6 】。该处理器具有以下一些特点： 1 a r m 微处理器的特点 2 7 - 2 9 1 ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件： ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成： ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定；从这些特点可知，a r m 处理器完全满足嵌入式应用系统 的要求，体积小，功耗低，速度快。 为了适应不同的应用领域，a r m 微处器有几个系列，分为高、中、低档，主 要系列有：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m i o e 系列、s e c u r c o r e 系列、 i n t e r 的x s c a l e 、i n t e r 的s t r o n g a r m 。其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m g e 和a r m l o 为 4 个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域 的需求。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的应用而设计的。 2 a r m 微处理器的应用领域 到目前为止，a r m