（电机与电器专业论文）可控饱和电抗器在抽油机无功补偿中的应用.pdf

北京交通大学硕士学位论文 料，介绍了新型的磁阀式可控饱和电抗器( m v c r ) ，并分析 了其结构和性能。 补偿装置需要检测电网的无功量，从而对补偿器进行控 制，本文介绍了几种电网无功量的检测方法，包括功率因数、 无功电流、无功功率的检测方法，以及基于瞬时无功功率理 论的瞬时电流检测方法和基于小波理论的无功电流检测方 法。通过比较选择适合于抽油机工作状态及环境的三相无功 功率检测控制方法，此方法以电压电流为检测对象通过计算 得出三相无功功率，基于此种控制方法设计出相应的检测控 制电路。控制核心为单片机，根据所使用的单片机的性能， 充分考虑其内置集成的各种软硬件资源，尽量减少外扩芯 片，使得外围电路简单实用。对于系统的软硬件设计考虑了 可靠性，设计时对可能出现的各种干扰进行了分析，并采取 了相应的抗干扰设计。 本文最后对可控饱和电抗器的各种特性进行了实验验 证，并对补偿装置进行了仿真。仿真和试验的结果与理论分 析相一致，说明本文所提出的补偿装置正确和可行。 关键词：动态无功补偿，可控饱和电抗器，静止无功补偿器， 实验与仿真 u 北京交通大学硕士学位论文 a p p l i c a t l 0 no fm c r0 nr e a c t i v ep o w e r e o m p e n s a t l 0 no f0j lp u 酗p i n gu n l t s a b s t r c t 0 i 1p u m p i n gu m t sa r et y p i c a lr e a c t i v el o a d si np o w e rs y s t e m ， m e ym a i n l yc o m a i n 讹l n s f o r m e r s a 1 1 de l e c t r i c a lm o t o r s ，t 1 1 e m o t o r sa r em o s tt 1 r e ep h a s ea s y n e h o n o u sm o t o r - w h e nt h e y a r ew o 曲n g ，m el o a d so fo i lp 眦p i n gu 1 1 i t sc h a l l g eal o t ，m e r e a c t i v ep o w e rc h a n g eal o t ，a n dt 王l e ya l w a y sw o r kf 0 ra1 0 n g t i m e s ot h e yi n 日u e n c em ep o w e r q u a l i t y ，m e y a r et h e i n t e i f e r e n c ef o rt h e 硎1 e re q u i p m e n t - a n db e c a u s eo ft h e1 0 w p o w e rf a c t o r ，t h ep o w e rd e p 砌e m si n c r e a s e 锄e r c e so fm e u s e r s ，t h eu s e r sh a v ea1 0 to fl o s s s ot h e r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o no f o i l 一衄e dm o t o r s ，w h i c hm a k et h ep o w e rf a c t o r h o l d m gi n af i x 撕o n ，c a ni m p r o v et h ep o w e rq u a l i 以s a v e e n e 唱ys o u r c e s ，a n da d v a i l c et l l ee c o n o m i cp e r f o m a n c e t h e b a s i c r e q u i r e m e n t s o ft 量l e c o n l p e n s a t o r a r e 曲n 锄i c c o m p e n s a t i o na i l dh 培hd e p e n d a b i l i t y t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ep 血c i p l ea 1 1 de 恐c to fr e a c t i v e c o m p e n s a t i o n6 r s t l y t h e nt l l i st 1 1 e s i sa n a l y s e sa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a l l t a g e so fs o m ec o n l p e n s a t o r ，s u c ha sp a r a l l e lc 印a c i t o r ， s v ca n ds v ga n dt h e nd e t e n n m et h ed y n 蛐i cc o m p e n s a t o r o fo i l - f i l e d m o t o r s ； i tc o n 协i n sf ca 1 1 d m c r ( m a g n e t i c c o n t r 0 1 l e dr e a c t o n t h i st h e s i sa n a l y s e sm ep r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r so fm c r a n da j l a l y s e ss t m c t u r e so fm c rm o r e b a s e do n 也ef a c to f o i l - ：e i l e dm o t o r s ，w ed e s i g nt h ep a r 啪e t e ro fm c r a i m i n ga t m 北京交通大学硕士学位论文 t 1 1 ed i s a d v a n t a g e so fm c r ，t h e r ea r es o m en e w 啪er e a c t o r s ， s u c ha sm v c r ( m a g n e t i c v a l v e9 0 n _ 虹d 1 1 e dr e a c t o r ) ，t 1 1 i sm e s i s a n a l y s e st h ep r i n c i p l ea i l dc b a r a c t e r so fl 蛆v c rt o o t h ec o n l p e n s a t o rs h o u l dd e t e c tm er e a c t i v eq u a n t i t y s u c ha s r e a c t i v ef a c t o r ，r e a c t i v ec u r r e n t ，r e a c t i v ep o w e r w ed e t e n n i n e u s i n gt h e 廿1 r e ep h a s er e a c t i v ep o w e ra st l l ed e t e c t m gq u a j l t i 够 b yc o m p 盯i n gt l l e s ed i 伍爿趔l tm e t h o d s 1 1 l i sm e t h o dn e e d st o d e t e c tv 0 1 t a g ea n dc u r r e mo ft 1 1 el o a d s ，a n dm e n g e tt 1 1 er e a c t i v e p o w e rb yc o u l l t i n g t h ec o r eo f m ec o n 的l l e ri ss c m ，b a s e do n t l l ec h a r a c t e r so ft l l es c m ：w es h o u l dc o n s i d e r 廿1 es o m v a r ea 1 1 d h a r d w a r e ，w h i c hi n t e g r a t e di n l es c m w bh a v et r i e do u rb e s t t or e d u c ep e r i p h e r a ls l u g s ，a 1 1 dm a k ep e r i p h e r a lc i r c ns i 瑚p l e a 1 1 dp r a c t i c a l w bh a v ec o n s i d e r e dt 1 1 ed e p e n d a b i l 耐o fs o 胁a r e a n dh a r d w a r eo fm es v s t e m w et h i n ka b o u te v e r yi n t e “b r e n c e ， w h i c hm a ya p p e a r ，a 1 1 dt a k ec o u n t e m e a s u r e s f i n a l l y ，m i st h e s i sv a l i d a t e sm ec h a r a c t e r so fm c rb v e x p e r i m e n t ， a 1 1 ds i m u l a t o rr e s e a r c hi sc a r r i e do u tf o rt h e c o m p e n s a l i o rm o d e l ；t h er e s u l t sa c c o r dw i t l lm et l ：屺o r e t i c a l a n a l y s e s d o n eb e f o r e s ot l l e c o i i l p e n s a t o r i s p r o v e dt o b e a c c u r a t ei nt l l e o r ya n df e a s i b l ei np r a c t i c e k e y w o r d s ： r e a c t i v e p o w e rc o i n p e n s a t i o n ，m c r ， s v c ， e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n i v 北京交通大学硕士学位论文 1 1 无功功率的影响 第一章绪论 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网 络元件的阻抗主要是电感性的，不仅大多数网络元件消耗无功功率， 大多数负载也需要消耗无功功率。无功功率对公用电网的影响主要有 以下几个方面： ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功 率增加。从而使发电机、变压器及其他电气设备的容量和导线容量增 加。同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要 加大。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因 而使设备及线路的损耗增大。 ( 3 ) 使线路变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载， 还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。 无功功率对电网有如此的影响，而网络元件和负载所需要的无功 功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发 电机提供并通过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的 方法是在需要无功功率的地方产生无功功率，也就是无功补偿。 1 2 抽油机无功补偿的目的 油田抽油机分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种。游梁式抽 油机具有结构简单、制造容易、可靠性高、工作持久、适应工况条件 北京交通大学硕士学位论文 好等优点，但游梁式抽油机也存在不足之处，如效率低下、用电成本 高等缺点。无游梁式抽油机有长冲程无游梁抽油机、螺杆泵抽油机等， 它具有功率因数高、效率高等优点，所以抽油机的发展方向是无游梁 式抽油机。但由于历史原因，游梁式抽油机( 俗称磕头机) 被广泛应 用在我国油田系统中，使用游梁式抽油机的油田总数约占机械采油油 田总数的7 5 ，每天需要消耗大量的能源，其电费开支占采油系统费 用支出的6 0 以上。虽然游梁式抽油机和无游梁式抽油机相比有很多 弊端，由于数量多、采油成本较低等原因，游梁式抽油机在一段时期 内还会占据抽油机市场的主导地位，近期内不可能被取代。 抽油机负载是油田配电系统中的主要用电负载，也是决定整个配 电网功率因数的关键。因此，有必要对抽油机的负载特点、抽油机电 机的运行特性以及参数的变化进行研究，为无功补偿方案的确定和 装置的设计提供依据。 油田抽油机的主要用电装置是变压器和电动机，电动机以三相异 步电动机为主，抽油机在电网中为典型的感性负载，工作是吸收大量 的感性无功功率。抽油机为满足重载启动的需要功率较大，正常工作 之后往往处于轻载状态，功率因数较低，最低可到0 2 至o 3 。在一 个工作周期内负载变化大，对无功的需求变化大。 对抽油机无功补偿属于负荷无功补偿，负荷补偿就是对无功功率 进行调整以改善交流电力系统的供电质量，用在那些为某一负荷或某 组负荷而实行无功补偿调度的场合。它所使用的技术和补偿目的与大 电力系统的补偿( 输电补偿) 是有重大差别的。抽油机补偿的目的有 以下三点：一是提高功率因数，减小损耗；二是争取本单位的功率因 数提高到尽可能高的水平，以减小电费支出( 电能价格与功率因数有 关) ；三是改善电压调节。 北京交通大学硕士学位论文 对抽油机这样的负荷进行补偿，首先是一个经济问题，因为在我 们国家，电价是同功率因数有关的。对大型工业负载来讲，如果其未 补偿前的功率因数小于0 8 ，则进行无功补偿在经济上是合算的。由 于抽油机功率因数较低，未补偿前电力部门的罚款已经占到了电费的 大部分。 设线路的总电流为，= 。+ l ，线路电阻为r ，则线路损耗凹为： 凹彰r ：( 厶+ ) 震：掣疋， 式中( q 2 u 2 ) r 这一部分损耗就是由无功功率引起的。可见线路 的损耗与无功功率的平方成正比，为减少输电线路的电能损耗，供电 部门要求用户进行无功补偿，通常应尽可能在靠近需要无功功率的负 荷处产生无功功率，而不应向遥远的发电厂去取无功功率。 其次，在负荷对无功功率的需求不断变化的情况下，电压调整是 一件至关重要的事情。负荷对无功功率需求的变化，回应其电网节点 电压的变化，这就可能影响到与该节点相连接的其他负荷的工作效 率，导致不同负荷的互相干扰，或引起供电电压的脉动。这就需要无 功补偿装置使电压稳定在某一范围内。 线路电压损失为u = 掣 u 其中r 、x 分别为线路电阻和电感电抗。 1 3 抽油机无功补偿装置的要求 抽油机在正常工作时负载变化大，对无功功率的需求变化大，要 求无功补偿装置能够连续动态的提供所需的无功功率。 北京交通大学硕士学位论文 抽油机连续工作时间长，要求补偿装置能够长时间正常工作。抽 油机工作在户外，工作环境比较恶劣，要求补偿装置能够抗干扰。补 偿装置简单可靠，便于维护。 抽油机补偿装置要大面积应用，所以要考虑成本适中。 1 4 常用无功补偿装置的介绍 1 4 1 投切电容器组 设置并联无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法之一，其结 构简单、经济方便。但由于其受分组数量所限，跟踪时跳跃较大，难 以实现动态连续补偿。此外，真空断路器频繁投切所产生的过电压、 电压闪变、断路器损坏等问题尚不能很好的解决。按i e c 标准，为保 证真空断路器的可靠性和正常使用寿命，每年投切次数为1 0 0 0 次， 即每天投切3 次，对于抽油机这样负荷变化频繁的场合，每天投切3 次肯定满足不了工程实际需要。 1 4 2 静止无功补偿装置( s v c ) 现在比较成熟的s v c 多是指使用晶闸管的静止无功补偿装置。包 括晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r t c r ) 和晶闸 管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r - t s c ) ，以及这两者 的混合装置( t c r + t s c ) ，或者晶闸管控制电抗器与固定电容器( f i x e d c a p a c i t o r f c ) 或机械投切电容器( m e c h a n i c a l l ys w i t c h e d c a p a c i t o r m s c ) 混合使用的装置( 如t c r + f c 、t c r + m s c 等) 。 t c r 的基本原理如图卜l ，其单相基本结构就是两个反并联的晶 北京交通大学硕士学位论文 闸管于一个电抗器相串联，而三相多采用三角形联结。改变晶闸管触 发延迟角n 的效果就是改变电流中的基波分量，相当于改变补偿器的 等效感抗，或者说改变其等效电纳，从而改变补偿器吸收的无功功率。 t s c 的基本原理如图卜2 ，其单相结构中的两个反并联晶闸管只 是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联小电感只是用来 抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。t s c 无法连续调节无功 功率，只能分组投切。通常与t c r 混合使用。图卜3 为t c r + 并联电容 器型的s v c 示意图，s 可以是机械断路器也可以是晶闸管开关。 u隅控 、j ) 图卜1t c r 原理图 f i 9 1 1p r i n c i p l e0 f t c r 电纳 丁 图卜2t s c 原理图 f i 9 1 2p r i n c i p l eo ft s e 7 傲胴兼作滤波器m s c 或t s c 图卜3t c r 与并联电容器配合使用的s v c f i 9 1 3s v co ft c ra n dp a r a l l e lc o n n e c t i o nc a p a c i t o r - 5 北京交通大学硕士学位论文 在需使用降压变压器的场合，工程实际中有将降压变压器设计成 具有很大的漏抗。这样可以省掉原来串联的电抗器，降压变压器二次 侧绕组通过晶闸管短接起来。这其实是t c r 的一种变形，又被称为晶 闸管控制变压器( t h y r i s t o rc o n t r 0 1 l e dt r a n s f o r m e r t c t ) 。其 优点是可以降低成本，而且当二次侧发生短路故障时，高的漏抗可使 变压器免受短路应力的影响；另外高漏抗变压器不易饱和，线形度好， 并且比之单独的电抗器有更大的热容量，因此可以吸收感性无功范围 内更大的过负载。缺点是如果需要与并联电容器使用，则电容器只能 接在一次侧的高压母线上，这显然又增加了成本。 t c r 也存在一定的缺点，首先其涉及到高压晶闸管的应用，在一 些电压较高的场合，还要采用晶闸管并联。需光纤隔离控制、冷却装 置、大量的元件保护和一套复杂昂贵的控制、继电保护装置。这样就 造成了设备庞大、设备价格偏高，超出了一般用户的承受能力，且可 靠性差。由其工作原理可以看出t c r 本身就是一个谐波源，其满载时 3 、5 、7 次谐波含量分别为1 3 7 8 、5 0 5 和2 5 9 。还要对其采取比 较复杂的谐波抑制。 借助直流控制的磁饱和型可控电抗器( 简称可控电抗器) 是通过 直流激磁改变铁心的磁饱和度( 即工作点) ，从而达到平滑调节输出 无功的目的。早期也曾用于s v c ，但随着可控硅器件的迅速发展以及 t c r 的出现，由于可控电抗器存在较大的有效材料消耗( 3 k g k v a ) 以 及相对大的有功损耗，使其没有得到足够的重视和推广应用。同样的 由于t c r 也存在一定的缺点尤其是它高昂的造价决定了其在电力系统 广泛应用的不合理性，电力专家们转而更加经济和可靠的可调无功补 偿装置。可控电抗器在一些国家又受到了学者们的重视，提出了可控 电抗器的新的结构。本文将重点研究可控饱和电抗器的原理、结构以 北京交通大学硕士学位论文 及各种特性，并在此基础上介绍一种较新型的磁阀式电抗器。 1 ，4 3 采用全控器件的静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r _ s v g ) s v g 是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿 的装置。其基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或直接并联在 电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直 接控制其交流侧的电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无 功电流，实现动态无功补偿的目的。 严格的讲，s v g 应该分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路 两种类型。其基本电路如图卜4 ，直流侧分别采用的是电容和电感这 两种不同的储能元件。对电压型桥式电路，还需再串上连接电抗器才 能并入电网；对电流型桥式电路，还需在交流侧并联上吸收换相产生 的过电压的电容器。 ( a )( b ) 圈1 4s v g 电路的基本结构( a ) 为电压型( b ) 为电流型 f i g 1 4c ir c u i to fa c t i v ep 0 w e rf i l t e ( a ) v o l t a g et y p e ，( b ) c u r r e n tt y p e 与传统的以t c r 为代表的s v c 装置相比，s v g 的调节速度更快， 运行范围宽，而且在采用多重化、多电平或p 1 i l 技术等措旌后可大大 减少补偿电流中谐波的含量，以此为基础的有源电力滤波器( a c t i v e 北京交通大学硕士学位论文 p o w e rf i l t e r a p f ) 及可以补偿无功功率又可以抑制谐波。更重要的 是s v g 使用的电抗器和电容元件远比s v c 中使用的要小，这将大大缩 小装置的体积，s v g 代表了动态无功补偿装置的一个先进发展方向。 但是受到器件的限制s v g 难以实现高压大容量，由于其相对复杂 的检测和控制电路，以及相应的保护电路，导致其成本比较高，在现 有条件下难以大面积采用。 1 5 可控电抗器的发展 可控电抗器实在磁放大器基础上发展起来的。早在1 9 1 6 年就有 美国的e f w 亚历山德逊提出了磁放大器的报告。到了4 0 年代，随 着高磁感应强度和低损耗的晶粒取向硅钢带及高磁导、高矩形系数的 坡莫合金材料的出现，将饱和电抗器的理论与应用提高到一个新水 平。1 9 5 5 年美国的h f 斯托姆著的磁放大器一书，1 9 5 6 年苏联 的m a 罗津布拉特也著了磁放大器一书，标志着磁放大器发 展的高峰，当时己成为自动化系统不可缺少的基础元件。与此同时， 科技工作者把磁放大器的工作原理引入到电力系统的无功控制。1 9 5 5 年世界上第一台可控电抗器在英国制造成功，其额定容量为1 0 0 mv a ，工作电压为6 6k v 一2 2k v 。其主绕组为两组，均为之字形连 接。这样，对应的两个基波电流在相位上相差3o 度，并且由于有三 角形绕组，3 倍频及7 次以下的奇次谐波自我抵消而不注入电网。根 据当时的测量，电流谐波含量不超过1 5 的额定电流，直流绕组损 耗不超过0 2 5 的电抗器额定容量，主绕组损耗不超过o 8 。但它 有一个缺点，控制直流的改变会导致接成三角形线圈内部电流的变 化，过渡过程时间取决于三角形线圈的时间常数，其值一般很大，故 该装置调节速度很慢。我国的武汉钢铁公司引进一套可控电抗器型动 北京交通大学硕士学位论文 态无功补偿装置，用于轧钢系统的自动无功补偿。运行效果良好。 7 0 年代以来，由于可控硅器件的快速发展及tcr 的出现，可控 电抗器被打入冷宫。对可控电抗器认真的理论研究和实践探索还是近 二十年开始的。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 一磁阀的概念，从而使可控电抗器的发展有了突破性进展。新型可控 电抗器可直接用于直到儿5 0 k v 的任何电压等级的电网作为连续可调 的无功补偿装置，因而可直接接于超高压线路侧。 可控电抗器在电力系统中的应用前景和潜力是十分广阔的和巨 大的。 l 在超高压电网中作调相调压设备。 2 在远距离输电系统中的应用 ( 1 ) 抑制系统过电压 ( 2 ) 提高系统稳定性，增大输电能力 ( 3 ) 抑制系统功率震荡 3 在直流输电系统中的应用 高压直流输电要解决以下几个问题：( 1 ) 补偿无功：整流站及送 变站各需提供直流输送功率的5 0 一6 0 的补偿无功：( 2 ) 调整电 压；( 3 ) 抑制过电压，降低绝缘要求。可控电抗器配合电容器组可 解决上述问题。 4 在有冲击负荷的电力用户和变电站的应用 ( 1 ) 抑制电压闪变 ( 2 ) 补偿用户无功，提高功率因数 ( 3 ) 平衡负载 5 在谐振接地配电网中的应用 应用可控电抗器原理制作的可调消弧线圈具有可靠性高、响应速 北京交通大学硕士学位论文 度快、谐振小等一系列优点，可快速准确补偿单相接地电流，提高供 电可靠性。 6 提高三相整流电路功率因数及抑制谐波 单相可控电抗器接入三相整流电路中的零序回路中，根据负荷变 化而自动调节，可使系统功率因数接近l0 ，高次谐波分量大大减小 2 1 6 本文所做的主要工作 油田抽油机在电网中作为感性负载，需要对其进行动态无功补偿， 对抽油机的无功补偿主要是基波无功功率的补偿。针对抽油机的实际 工作环境，要求补偿装置简单可靠、维护方便，且成本适中便于大面 积推广使用。 比较各种补偿方式本文提出以可控电抗器和电容器组为补偿元件 的定态补偿装置来实现对抽油机的无功补偿。 本文主要进行了以下工作： 1 、分析控电抗器的工作原理、数学模型以及各种特性。 2 、设计可控电抗器的参数。 3 、分析各种无功补偿控制策略的原理，以及所需无功量的检测方 法，基于可控电抗器的无功补偿装置单片机控制系统的设计。 4 、仿真和实验。 北京交通大学硕士学位论文 第二章可控电抗器工作原理和结构 可控电抗器的结构形式多种多样，特性各异。本章将分析研究 种基本的可控饱和电抗器的原理、结构及工作过程分析，在此基础之 上介绍一神新结构的可控电抗器一磁阀式可控电抗器。 2 1 可控电抗器的原理及结构 本文所涉及的可控电抗器都是指磁饱和型的可控电抗器。这类电 抗器都是利用铁磁质磁化曲线的非线性和磁饱和特性这特点的铁 磁器件。也就是说，他们是利用铁磁质的磁导率不是常数这一特点来 工作的，属于交直流同时磁化的非线性电抗器。 2 1 1 铁磁质的铁磁特性 所有物质都是磁介质，大多数物质的磁导率和真空磁导率相接 近，而铁、镍、钴等几种元素组成的物质的磁导率非常高，他们是铁 磁质。铁磁质不仅具有很大的磁导率，而且还有其他特性。 铁磁质的特性不能仅用分子电流理论来解释根据有关资料，这是 由于铁磁质内部有着强大的磁场。 环绕原子核并在确定的轨道上运行的电子具有一定的磁矩，称轨 道磁矩。电子除围绕着原子核作轨道运动外，还围绕自己固有的轴旋 转，这种旋转也会产生磁矩，这种磁矩称为自旋磁矩。1 9 1 6 年爱因斯 坦和德哈斯作了一次实验，证明了铁磁性不是由轨道磁矩引起，而是 由于自旋磁矩引起的。 铁、镍、钴等几种元素的原子，其电子在原子核外的排列顺序和 一般元素有所差异。一般元素原子的电子都是按规定的顺序排列而填 北京交通大学硕士学位论文 满内部各电子层，在这种情况下电子的自旋磁矩都是相互抵消的。而 铁等元素原子的电子不按理想的顺序排列，而使原子具有未被填满的 内部电子层，在这种情况下电子的自旋磁矩不是相互抵消。除以上条 件外铁磁质具有特殊的晶格结构，其相邻两原子核的距离和该原子中 未被填满的电子的内部电子层直径之比大于1 5 。在这种条件下，各 原子间会产生相互作用( 称为“交换作用”) ，它使各未被填满的电子层 中不相互抵消的电子自旋磁矩，按照最易磁化的方向平行排列。即在 没有外磁场的作用下，铁磁质中的自旋磁矩可以在小范围内自发的排 列起来，这样就形成了一个自发磁化区。这自发磁化区是由很多原子 组成，这个小区域通常称为磁畴。铁磁质内部存在磁畴，每一个磁畴 都是一个强大的内磁场。 由上所述，可见元素的原子内存在未被填满的电子层是物质具有 铁磁性的必要条件。而相邻两原子核的距离和该原子中未被填满的电 子的内部电子层直径之比大于1 5 是物质具有铁磁性的附加条件。 实验已证明了磁畴的存在，磁畴结构可以由多种方法观察到。相 邻磁畴的分界层称为畴壁。 在没有外磁场时，铁磁质磁畴的磁场朝着不同方向，因此对外不 显出磁性。但是只要加以较小的外磁场，部分磁畴的排列就沿着外磁 场发生变化，强大的内磁场大大地增强了外磁场，使铁磁质对外有很 大的磁性。 2 1 2 铁磁质的磁化特性 铁磁质加外磁场后，其磁感应强度将明显的增大，外磁场可以用 磁场强度h 来表示，h 和b 的关系可通过实验测得。实验时将被测铁 磁质做成环形。环上绕线圈，通过测量线圈中的电流i ，可以算出磁 北京变通大学硕士学位论文 场强度h 。另一方面通过仪器测量相应的穿过环形铁磁质横截面的磁 通中，从而算出b 。实验中h 和b 都是从零开始的，逐渐增加电流i 使h 增加，得到一组对应b 、h 值。铁磁质的b h 曲线称为磁化曲线， 它反映了铁磁质的磁化程度随磁场变化的规律。铁磁质磁化曲线是非 线性的，各类铁磁质的磁化曲线都具有类似的形状，如图2 一l 。 初始阶段( o a 段) ，h 增加时b 增加较慢，第二阶段( a b 段) ，h 增加时b 增加得很快；第三阶段( b m 段) ，h 增加时b 几乎不再增加， 这时铁磁质的磁化以达到饱和。m 点的磁感应强度称饱和磁感应强度。 0 图2 1 磁化曲线示意图 f i 9 2 1d i a g r a m a t i cs k e t c ho f 吡g n e “z a t i o nc u r v e 铁磁质的磁化曲线应如何解释昵? 初始外磁场h = o 时，磁畴的畴壁隔开各磁畴，各磁畴的磁化方向 是混乱的，故b = o 。h 增加时( 在磁化曲线o a 段) ，那些磁化方向与 外磁场h 成锐角磁畴有较少的势能，与外磁场成钝角的磁畴有较大的 势能；势能小的磁畴体积会增大，而势能大的磁畴体积会缩小，因而 产生可逆畴壁位移，这时若撤去外磁场，踌壁将恢复到原来位置，在 这阶段磁畴的磁化方向的旋转过程较慢，当h 再增加时( 在磁化曲线 a b 段) ，这时主要是磁畴的不可逆畴壁位移。在这一阶段由于磁场强 度超过一个临界值，这时畴壁就会不受阻碍的大幅位移，直到全部位 北京交通大学硕士学位论文 移终了。最大磁导率也产生在这一阶段。若撤去外磁场，磁畴将不能 完全恢复到原来位置。当h 再增加( 磁化曲线b m 段) ，这时畴壁位移 结束，磁畴的磁化方向开始在不同程度上转向外磁场方向，称磁畴转 向。在磁畴转向过程中，磁化进行的很慢，即b 的增加很慢。当磁畴 的方向与外磁场的方向都一致时，铁磁质就饱和了，相对于磁化曲线 m 点。还要说明的是磁化曲线过m 点后，不会出现水平部分，这是因 为当外磁场增加时，磁畴的磁化强度还会增加，相当于弱磁质的情况。 b h 曲线上每一点的b 与h 之比就是该材料在相应h 值得磁导率 u ，铁磁质的磁导率不是常数，其相对磁导率也不是常数。h = o 时 的相对磁导率为初始相对磁导率m 。当h 增加时起初u 。值增大，但到 达最大相对磁导率u 一后就逐渐下降，随着h 再增加，u ，值逐渐接近为 1 ，这些关系在技术上有其重要意义；u 一是我们在低磁场下使用铁磁 材料的一个重要参数；具有m 或u 。的磁化曲线上的一点成为拐点， 它往往是材料工作点的参考点。所以我们在利用铁磁质来获得强磁场 时，只有利用远离饱和区域的那段曲线效果才最大，靠近饱和区u r 值 反而下降，因此铁磁质只用来获得不超过几万高斯的磁场。 2 1 3 可控饱和电抗器的原理和结构 可控电抗器的工作原理是基于用直流绕组电流的大小来改变交 流负载电路的电抗。其原理图如图2 2 所示，它是一个有交流绕组和 直流绕组的铁心磁路。交流线圈内流过的负载电流l ，其大小为 毛= 了南，其中疋为交流回路的有效电阻，毛为交流线圈 的电感，圪为交流电源电压有效值。 北京交通大学硕士学位论文 图2 2 饱：和电抗器原理图 f i 9 2 2p r i n c i p l eo fm c r 当屹和兄不变时，交流负载电流l 和交流线圈的电感量厶有关。 在不计漏磁的情况下，交流线圈电感量可以用下式表示： t 鼍p s n ： 一了一厂 式中z 为磁通的平均路径长度，虬为交流线圈匝数，为磁路铁 心的磁导率。可知交流线圈的电感量在一定的磁路和匝数下和磁路铁 心的磁导率成正比，因此交流线圈的负载电流也由磁路铁心的磁导率 决定。改变磁导率就可以改变交流线圈的电感，从而改变电流和电抗 器的容量。由于铁磁质的磁导率不是常数，在正常工作下磁导率随铁 心的饱和而减小，而铁心饱和程度的变化可以通过改变直流绕组的励 磁电流l 来实现。l 增大则铁心的磁感应强度增大，铁心接近饱和， 磁导率减小，从而电感值减小，交流电流l 也随之增大，反之，直流 电流l 减小工作电流l 也随着减小。直流电流的大小可以控制交流电 流的大小。直流绕组也被称为控制绕组，交流绕组也被称为工作绕组。 北京交通大学硕士学位论文 “肖 一 ，八 ” 占：毫讼 ，2 ， b = 岛血口飞z科 ( 日+ 晟) i 曾 ! 。 图2 3 单铁芯在直流激磁下h 和b 的变化曲线 f i 9 2 3h 、bc u r v eo fm c rw i t hs i n g l ec o r eb yd ir e c tc u r r e n tm a g n e t i c f i e l d 图2 3 表示在无直流激磁和有直流激磁时，磁路的磁场强度随正 弦变化的磁感应强度而变化的曲线。1 1 为铁心磁化曲线，曲线a 为无 直流激磁时磁路磁感应强度b 随时间做正弦变化的曲线_ 8 = b 。s i n 耐， 由磁化曲线可得曲线口。，为相应的磁场强度h 随时间变化的曲线。图 中曲线b 表示有直流激磁时，磁感应强度b 随时间变化的曲线，它是 无直流激磁时的正弦变化曲线和恒定磁感应强度鼠的叠加 b 。= 占+ 巨。由磁化曲线可得相应的磁场强度h 随时间变化的曲线6 ， 由于曲线的非线性饱和特性，在有直流激磁时磁场电流值有了很大变 化，图中6 比日具有较大的幅值。交流电流的变化和h 的变化相同( 由 安培环路定律，= 脚) ，这样由图中曲线的变化也就说明了要改变交 流负载电流只要在直流侧改变直流电流即可。 上述可控电抗器有两个主要缺点“1 ：( 1 ) 从电源取用的交流电流 不对称于时间轴：( 2 ) 由于直流绕组和交流绕组总是绕在同一铁心上， 北京交通大学硕士学位论文 根据变压器的原理，交流绕组流过交流电时，在铁心中产生的交流磁 通必然会在直流控制绕组中产生交变感应电势。为了解决第二个缺 点，可在直流线圈上串联一个较大的扼流圈来扼制交流电流，但这样 却增加了直流绕组电路的时间常数。改进的可控电抗器的铁心都是有 两个相同尺寸和磁化特性的铁心组成，每个铁心上都绕有相同的交流 工作绕组和直流控制绕组。两铁心的交流绕组采用顺向的并联接法， 而直流绕组采用反向的串联接法。其结构如图2 4 所示。假设在交流 电的前半周期，左边电抗器的恒定磁场与交变磁场方向相同，而在右 边电抗器中则恒定磁场与交变磁场方向相反。所感应的交流电动势相 互抵消，不会产生不良影响。a 、b 是交流输入端，c 、d 是直流输入 端，在实际应用中交直流绕组往往引出一些抽头以满足不同的需求。 图2 4 双铁芯饱和电抗器 f i 9 2 4m c rw it hd o u b l ec o r e s 图2 5 是图2 4 所示双铁心饱和电抗器的b h 变化曲线。假设控 制电流方向如图2 4 所示，则曲线3 和4 分别是左右两个铁心中磁感 应强度随时问变化的曲线，3 和4 分别为其对应的磁场强度变化曲线。 饱和电抗器从电源取用的电流为两并联交流线圈电流之和，因此由曲 线3 1 和4 相加得曲线5 1 ，该曲线按一定的比例可以表示为电抗器从电 北京交通大学硕士学位论文 源取用的电流，且对称于时间轴。2 和2 。是无直流激磁下的b h 变化曲 线，可以看出在同一交变磁场下，当恒定磁场存在时，从电源取用的 电流值有显著增加，实现了直流控制交流的作用。 图2 5 双铁心饱和电抗器中b 和h 的变化曲线 2 2 可控电抗器工作过程分析 可控电抗器实际工作的物理过程是比较复杂的，分析起来比较困 难，所以需要定的简化，把可控电抗器的动态磁化曲线转化为矩形 理想磁化曲线来处理，可以得到一些简单的数学表达式，并能反映基 本的物理过程。进行分析之前先做如下假设： ( 1 ) 矗：= ( ) 2 也 r ，丘= ( 甍) 2 巨 毛，其中岛为控制 回路电阻，r 为交流回路电阻。毛为电源电压半周平均值： 毛= 妻r 乓s i n 甜占= 昙瓯 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 电源电势为e = 瓦s i i l f ，且丢患五= e ，e 为磁感应强度 饱和值。 ( 3 ) 初始时刻( t = o ) 无控制电压最= o ，电抗器磁状态处于稳 定，在t = 0 时开始加一电压为b 的直流控制电源。 ( 4 ) 铁芯磁化曲线为矩形理想磁化曲线，忽略铁损。 2 ，21 可控电抗器空载运行 源电势。根据假设2 ，可控电抗器铁芯经电势e 反复磁化不饱和，相 r _ o ，= o 1 蜀= 最= 一志c o s 舡却。s 埘r 2 2 2 过渡过程 假定在电源电势进入正半周时接入直流控制电压，此时可控电抗 器原空载状态遭到破坏，进入负载工作状态，从而产生了过渡过程。 接入控制电压后，在可控电抗器中便有两种电压作用：电源电动势e 和直流控制电压臣。由于开始时铁芯处于未饱和状态，因此可得： 厂 f o ， = o 1 之e = 姗c 等+ 争 - ， i l 巨= 啊鲁一争 联解上式得： 北京交通大学硕士学位论文 f 堕：丝互丝( 2 2 ) j d 。n 5 i 堕：! ! ! 二墨丝 l 出s 由上式可看出，铁芯l 与铁芯2 的磁感应强度旦、吃的变化速度 不同。若把磁感应强度的变化率大于零称为激磁，反之称为去磁，则 由上式可得，交流电源电压为正使得两铁芯均处于激磁状态，而直流 电压使得铁芯1 激磁，铁芯2 去磁，故铁芯1 中磁感应强度上升速度 加快，铁芯2 中磁感应强度上升速度减慢。由于蜀、岛的幅值均为b ， 因此在f = 乇。( t 2 ，t 为电源周期) 时铁芯1 饱和，而铁芯2 未饱和。 从f = o 开始到f = 屯l ，铁芯1 饱和时刻止，铁芯1 中磁感应强度的 绝对变化量为且( 屯。) = 2 b = 迥( 。) ，蝇( ，) 中的下标k 代表“快变化”， 括号中的1 表示过渡过程开始的第一个半周期。铁芯2 磁感应强度在 上述时间的绝对变化量为砬( 屯。) = 戤m 2 毽，下标m 表示“慢变 化”。于是两铁芯磁感应强度相差值为： 马( 一马( = 蝇( 1 ) 一喊( 1 ) = 熹如。 ( 2 - 3 ) 当铁芯1 饱和时，其磁感应强度置不再变化，e = 日，= 盯，即 d 耳出= 0 。铁芯2 控制绕组m 上的感应电动势等于零，如同将其短 路一样。因此，全部的交流电源电压经绕组、眠变压后加在电阻r 上，可控电抗器工作如同单铁芯变压器，不过在它的二次侧回路中接 有直流电压源乓。 当铁芯l 饱和舸得警= 蒜蔫 ( 2 _ t ) 北京交通大学硕士学位论文 由于r ：、巨都很小，故铁芯2 中的磁感应强度变化很小，因此铁 芯1 饱和后，铁芯2 中的磁感应强度的变化量b 二。并不大。 综上所述，可得电流f 、的波形及它们的相互关系： ， 他。5 岛= 吃( 1 ) = 吃( i ) + 吃( 1 ) 电抗器与空载时的工作状态相同，铁芯2 将由于电压一e ，2 与一反，2 作 用一致而加快去磁，并在屯：时刻达到负值饱和，即岛= 一e = 门肼， 峨击= o 。与此同时，铁芯1 则由于电压一b 2 和砭2 作用相反， 因此减慢去磁速度，并且在时刻：至半周末又呈现为单铁芯变压器短 设段为半周期中o 一期间，磁感应强度变化较快，并且最终到 饱和区的铁芯中磁感应强度变化的绝对值；或为半周期中。一屯期 的绝对值；b 二为不饱和铁芯在b t 2 期间磁感应强度变化的绝对 值。由于茸承b ，则第一个半周期( 过渡过程的第二阶段) 中出现 饱和时几乎接近半周末。可列出下列方程求硫。 北京交通大学硕士学位论文 耻讽吨s 鼍 1p ：啦+ 埘粤 ( 2 _ 6 ) l西 、一 l f ：m 联立解方醌警= 志 衍s ( 丑+ r 。) 因此由上式可以得到在第n 个半周期中，不饱和铁芯在一t 2 时 间内磁感应强度变化的绝对值峨( n ) 为： 一攀 2 器 c o s 时意缸， ， 由上式可知，在一t 2 期间，影响不饱和铁芯磁感应强度变化的 因素很多。因r 碱( 1 ) + 缄( 1 ) = 缄( 1 ) ，而下半周期的峨( 2 ) = 缄( 1 ) ， 所以有 境( 。) = 最州) ( 2 8 ) 因此，下一个半周铁芯到达饱和的时间均要比前一半周期到达饱 和的时间提前，即 跣+ 壤变成等式 毋= 跣+ 破。这意味着两铁芯中磁感应强度变化的绝对值完全相 北京交通大学硕士学位论文 同，过渡过程便结束，从而建立了稳定工作状态。 通过对各物理量进行定量分析( 详细推导参见文献 2 ) ，可得下 列关系： 伽州忙等噜 丝l( 2 9 ) 5 f 。( 。o ) 为稳定时可控电抗器电流半波平均值，厶为稳态时可控电抗器 控制电流平均值( 等于直流分量) 。上式为半波平均值电流关系，也 就是说可控电抗器工作电流与控制电流之间满足半波平均值的安匝 平衡定律，又由于控制电流半波平均值等于直流控制电压除以电阻， 故工作电流大小( 半波平