（电机与电器专业论文）智能可控电抗器在节电技术中的应用研究.pdf

a b s t m c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m y ，t h ep o w e rs u p p l y b e c o m e se x t r e m e l y 咖i nal o n gp e r i o d s ok i n d so fp o w e r - s a v i n gs y s t e m sb c c , a m e v e r yw e l c o m e t h i st h e s i sa n a l y s e dt h ep o w e r - s a v i n gt e c h n o l o g yi ne x i s t e n c ea n dt h es t a t u so f t h ep o w e r - s a v i n gi n d u s t r yi nc h i n a b a s e do i lt h ed e s i g nr e q u i r e m e n ta n dt h ep r i n c i p l e o fs a t u r a b l er e a c t o r , an e wd e s i g no ft h ep o w e r - s a v i n gs y s t e mu s i n gr e a c t o ri s a d v a n c e dt os o l v et h ep r o b l e mo fc u r r e n tp r o d u c t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f l o a d s ，t h ev o l t a g eo fp o w e rs u p p l ya n dp o w e rf a c t o ra r ea d j u s t e dt os t a b i l i z et h e v o l t a g ea n ds a v ep o w e r as a m p l eo f t h i ss y s t e mi sp r o d u c e d i nt h e e x p e r i m e n to ft h es a m p l e ，t h ec o r t r o lc h a r a c t e r i s t i c ，o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c ，a n di n p u tc h a r a c t e r i s t i ca r ea l la n a l y z e d a n a l y z i n gt h ee f f e c t st h a t p o w e r - s a v i n gs y s t e ma f f e c t sp o w e rf a c t o ra n dh a r m o n i o u sw a v e ，t h el i l e a s u r e sf o r f i l t r a t i n gh a r m o n i o u sw a v ea n dc o m p e n s a t i n gp o w e rf a c t o rc a nb eg a i n e d t h el o s so f r e a c t o rc o i ni sa c c o u n t e db y a n s y s ，a n dt h ee f f i c i e n c yo f p o w e rs a v i n gi sa n a l y s e d a tl a s t ，a na p p l i c a t i o no ft h i sp o w e r - s a v i n gs y s t e mi ni l l u m i n a t i o ni s p u t f o r w a r d u s i n gt h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y ，t h i ss y s t e mc a na d j u s tt h e v o l t a g ea n dp o w e ro ft h ei l l u m i n a t i o ns y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ef l u c t u a t i o no fi t s s u r r o u n d i n g ，e l e c t r i c i t yn e ta n d t h el o a d s a n dt h eu t i l i z a t i o no f t h ee l e c t r i c i t yp o w e r c a nb ei m p r o v e d k e yw o r d s ：p o w e r - s a v i n g ，s a t u r a b l er e a c t o r ，a n s y s ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检 索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有 关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 刘踅 2 叼年f 月，o 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 刘齿 溯年| 旯oe 1 第一章引言 1 1 电力节能的意义 第1 章引言 节约能源是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是我国建设节约 型社会的基础和保证。改革开放以来，我国节能工作认真贯彻执行党中央、国 务院关于“资源节约与开发并举，把节约放在首位”和“高度重视节约能源和 原材料，提高资源利用效率”的方针，取得了显著的经济和社会效益。节能在 保证能源供应、提高企业竞争力、改善环境、保持国民经济平稳快速发展方面 都发挥了重要的作用。 然而目前中国的能源利用效率仅为3 0 左右，比发达国家低约1 0 个百分点， 产值能耗比世界平均水平高2 倍多，是德国的1 0 倍多，成为世界上产值能耗最高 的国家之一。在节能工作取得巨大成就的同时，我们还应清楚地看到我国能源 利用效率同国际先进水平的巨大差距，能源的供需矛盾仍然没有从根本上好转， 许多城市都出现了能源短缺的现象。这也成了我国国民经济持续、快速、健康 发展的一个重要瓶颈。 电是重要的能源之一。电在人类社会发展中已成为不可或缺的一部分。然 而，随着经济的发展及能源的消耗，电力的供应却越来越难满足人类社会对它 的需求。2 0 世纪7 0 年代以来，我国电力工业的发展速度还远远赶不上国家生产 建设与人民生活用电需求增长的速度。据近年来统计数据表明，电力需求的增 长一直高于g d p 的增长速度。中国电力企业联合会发布的报告显示：2 0 0 5 年全 年用电量达到2 4 5 6 0 亿k w h ，电力需求增长率为1 3 。全国将随时可能形成严重 的缺电局面。据统计，2 0 0 5 年有2 1 个省级电网用电负荷再创新高，全年的电力 缺口高达2 5 0 0 万k w 。各地电力公司千方百计增加供电，但依然有1 8 个省( 市) 拉 闸限电。 ( 1 ) 节电具有很大的社会效益 首先，由于电能是二次能源，其产生是由一次能源转化而来，且生产过程中 要消耗大量的其它资源，因此节电的同时也是对煤炭、石油等电力生产使用的 一次能源和水、土地等资源的节省。其次，我国的电力生产以火电为主的格局 决定了电能的生产对环境将造成巨大的污染，节电将减少电力的生产，也就减 第一章引言 少了电力生产所带来的环境的污染。再次，为了节电，电力用户和电力企业将 加大能源回收力度，利用余热、余能发电，实行热电冷联产等措施，促进循环 经济的发展。最后，电力的节约将减少电力新增装机的需要，抑制电力建设的 盲目投资，稳定固定资产投资的增长速度，防止电力经济的过热和电力建设的 过剩，降低由此带来的社会风险和金融风险。 ( 2 ) 节电具有很大的经济效益 。 对于电力用户来说，节电所带来的直接效益就是电费的节约。首先是商业 电力用户，商业电力用户要承受较高的电价，中国多数城市的酒楼每年的电力 消耗在5 万l o o 万度，其中年耗电在8 万6 0 万度的用户占绝大多数；一般 酒店每年的电力消耗在3 0 万1 5 0 万度之间，星级酒店每年的电力消耗在l o o 万一l o o o 万度之间，其中每年的用电从5 0 万3 0 0 万度的用户数量占绝大多数。 而超市每年的电力消耗最高达到6 0 0 万度“1 。平均而言，中国商业电价在每度 o 8 1 o 元之间。据调查显示，目前在酒店、超市、商场等商业行业，电费成 本已成为这些行业经营成本中紧随场地费用和人工成本之后的第三开支项目。 其次是工业用户，工业用户是用电的主要力量，因此，工业节电能产生最大的 经济效益。目前，我国各类工业用电动机总用电量约占全国用电量的6 0 。在各 用能企业实施高效节能风机、水泵、压缩机系统优化改造，推广变频调速、自 动化系统控制技术，取得了很好的节电经济效益，特别是变频器用在风机、水 泵和空压机等负荷变化较大的场合时，其节电效果最为明显，节电率均在2 0 9 6 以上，投资回收期一般在1 2 年左右。据预计中国至少每年有8 0 0 亿元的节电 潜力。 节电不仅能够给电力用户带来可观的经济效益，也能够给发电企业和电网企 业带来收益。对电网企业来说，用电量的节省和电网负荷高峰的降低减少了电 网对电能的输送数量，降低了电网的压力，有助于电网的安全稳定运行，节省 了电网的运行和维护成本，减少对电网的建设投入。对发电企业来说，电网负 荷的优化可以提高发电行业的整体运行效率。发电机组的运行效率与其发电出 力有关，出力不足或出力大小的频繁变化都会影响机组的稳定性和运行效率， 提高发电成本。由于电能本身具有不可储存的特性，使得发电机组的出力大小 与电网负荷的高峰和低谷的变化紧密相关。电网负荷的高峰时段，为了保证供 电，大部分机组投入运行，部分机组达到满负荷运行，而电网负荷的低谷时段， 一部分机组将停运或降低出力运行。电网负荷峰谷差越大，发电机组的起停和 2 第一章引言 出力变化越频繁，对机组运行的稳定性和经济性的影响越大。而由于节电，优 化电网负荷所带来的移峰填谷效应，使得电网负荷的高峰降低、低谷提高，减 少负荷峰谷差，有助于发电机组在稳定出力下运行，降低平均发电成本。 1 2 电力节能产业的发展 自1 9 9 6 年由国家经贸委、国家计委、科技部等1 3 个部门和单位共同实施 “中国绿色照明工程”以来。高效节电型照明光源正在被越来越多的人所认识， 已经广泛应用于户内、户外照明场所，如大型市政、公共场所、宾馆饭店、大 型写字楼、政府办公楼等，取得了良好的节电环保效益和社会效益。同时“中 国绿色照明工程”也为节电产业，尤其是照明节电产业发展提供了良好的机会， 建设部在“十一五”城市绿色照明工程规划纲要中提出，2 0 0 6 到2 0 1 0 年累 计节电要达到2 5 。 随着近年缺电局面的持续和电价上涨趋势的日益明朗，节电已从单纯的随 手关灯、节能灯的使用等简单的常识普及，逐渐转变为以工业节电为中心的节 电产业，并迅速发展。我国的节电产业有巨大的市场发展空间。专业研究机构 指出，目前中国已经成为继美国之后世界第二大市场，并完全有可能在近几年 内取代美国，成为全球节电市场最大的买家。 国外节能节电产业的发展已有几十年历史，而在这一领域，国内企业才刚 刚起步。虽然近几年国内一下子涌现出几百家节电生产厂家，但国内节电产业 有着许多先天不足，例如：行业标准与维持其健康有序发展的法规并未出台； 国内节电技术与节电装置虽五花八门，却不乏落后与假冒伪劣产品。目前，国 内节电改造项目还是一些节电产业发达的国家的产品在唱主角。因此，节电在 中国作为一种新兴产业，还有较长的一段路要走，需要大量的法律法规、强大 的研发支持和充分的市场竞争与技术创新来保证。 当前节电产品的研究的重点集中在调压控制技术上，调压技术主要突出在 实时、精确、连续等几个方面，侧重于现代电子技术与电磁技术的有机结合。 目前国内应用的节电产品存在的一些问题： ( 1 ) 节电率不能达到最佳状态，电网电压高时，降压不足，而电网电压低 时，又会出现欠压现象； ( 2 ) 分级调控做不到实时稳定电压、多时段调控等功能； 第一章引言 ( 3 ) 引入机械调控装置，存在机械磨损，降低稳定性、可靠性； ( 4 ) 有些装置由于采用电子元器件，因而会对电网产生谐波干扰，影响电 网的性能。增加滤波装置又会使设备费用增加。 1 3 常用节电方法 在电力供应输送过程中，电力公司或供电局为了减少送电过程中的损耗及 避免尖锋用电时段用电而造成末端用户电压过低的问题，故会以较高的电压输 送，因此造成用户实际承受的电压会在用电低谷时高于设备的额定电压。同时， 根据负载特点，在特定时间特定情况下，可以适当降低负载两端电压，减小负 载功耗。 以城市照明为例，随着我国经济的高速发展，城市功能照明、城市景观照 明建设也取得了飞速的发展。但是伴随而来的是能耗的大幅度提高。而照明时 段上存在后半夜行人稀少而电网电压反而升高，照度本该适当下调反而增大了， 不仅造成能源浪费，还大大影响了设备和灯具的使用寿命。 另外，无功功率的增加会导致电流增大和供电设备视在功率增大， 而且将 导致起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格增大、设备及线路损耗增加。无 功功率的增加会使总电流增大，从而使设备及线路损耗增加。电网中存在的谐 波也使得设备产生附加谐波损耗， 降低供配电设备及用电设备的效率；谐波会 影响各种电气设备的正常工作；谐波引起过电压、过电流使变压器严重过热：使 电容器、电缆过热，绝缘老化，寿命缩短。1 。 正是在此背景下，行业上出现了一种节电设备。它通过对原有电网改造简 单，安装调试方便，不改变用户的用电习惯，能在很短的时间内使用户收回成 本并产生效益。它适用于城市路灯、智能大厦、学校、办公写字楼、宾馆、饭 店，各类商场，银行等用电量较大的场所。由于其成本低，使用方便，回收迅 速等特点，在近几年得到了广泛的应用和较快的发展”1 。 该节电设备主要通过三种手段实现节电目的“1 ： ( 1 ) 主要通过对负载特点及工作情况进行实时稳压、调压，降低负载运行 的功率，减少了用电器不必要的发热。 ( 2 ) 同时兼具滤波稳流，即“清洁”电能的功能，因此它不但降低负载运 行的功率，而且减少谐波引起的损耗，不但达到节电目的，而且延长了用电设 4 第一章引言 备的使用寿命。 ( 3 ) 采用并联移相电容器等手段，进行无功功率的补偿，提高系统的功率 因数。 1 4 本文的主要工作 为了解决目前节电产品存在的主要问题，本文提出了一种采用饱和电抗器 的节电系统设计方案。饱和电抗器由于具有连续平滑调节电压、抑制电流突变、 抑制部分谐波、可靠性高、维护工作量小等优点，这些特点恰好符合节电设备 臼啭性要求。 本课题主要是在详细分析饱和式可控电抗器的工作原理和调压机理的基础 上，提出一种将饱和电抗器应用于节电系统的设计方案。结合节电产品的要求， 设计了采用饱和电抗器节电系统的样机。实验分析了样机的各种参数，尤其对 电抗器的损耗进行了详细的分析计算，并采用a n s y s 软件计算了铁心的涡流损 耗，并估算其节电效率进行了详细的计算。最后在详细分析计算的基础上，设 计了饱和电抗器的直流控制及无功功率补偿系统，完成了采用饱和电抗器的节 电系统的初步设计。 本文做的主要工作有： ( 1 ) 在对饱和电抗器的结构和工作原理进行了论述的基础上，提出了采用 饱和电抗器的节电系统的设计方案，计算并设计采用饱和电抗器的节电系统的 样机 ( 2 ) 通过对样机进行实验分析，着重分析饱和电抗器直流变化与交流输出 的关系以及磁路状态对输出特性的影响，对不同的负载确定合适的调压精度； 分析了引入可控电抗器后可能出现的谐波情况，分析产生的原因，并设计谐波 抑制方案；分析了可控电抗器带来的无功功率损耗，提出无功功率补偿的方法。 ( 3 ) 详细分析并计算了电抗器所带来的损耗，采用有限元分析软件a n s y s ， 对电抗器进行了建模，并计算了电抗器的各种损耗及温度分布情况。在此基础 上，对采用电抗器的节电系统的节电效率进行了详细的分析计算。 ( 4 ) 提出了一种采用饱和电抗器的城市照明智能节电系统设计方案。该系 统基于模糊决策识别技术，采用单片机控制电抗器输出电压，从而合理调节照 明系统电压，实现了对路灯照明系统的最优化控制，达到节省电能的目的。 第2 章饱和电抗器原理及设计 第2 章饱和电抗器原理及设计 2 1 节电设备主要技术分析 2 1 1 主要技术分析 目前，节电设备主要通过对电网电压的合理调节来达到节电的目的。因而 交流有载连续调压技术是其关键“1 。 常用的交流调压方式主要有电磁类调压与电子类调压两种。 电磁类调压有：接触调压器即自耦调压器：感应调压器，它的结构和 电磁原理类似于堵转的绕线转子异步电动机，能量转换关系类似于变压器，它 借助手轮或执行电动机带动传动机构，使定子、转子产生相对角位移，从而改 变定子和转子绕组感应电动势的三相相位移和单相幅值，以达到调节输出电压 的目的；移圈调压器，利用一个沿铁芯高度可以移动的短路绕阻，改变铁芯 中的磁通分布，达到均匀调整电压的目的；补偿式调压器。有载调压电力变 压器，它们都是通过改变一次侧线圈匝数来进行调压。电磁类调压除自耦变压 器调压外，其它调压机构都过于庞大，费用都较高，适用于新建线路，不适用 于小用户和已建成电路的灵活改造。 电子类调压有：晶闸管调压，即采用可控硅斩波原理调压，通过控制晶 闸管的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的 平均值，达到控压节电的目的；逆变调压技术( u p s ) ，u p s 是先将电网的交 流电变换成直流电，再从直流电经过逆变得到交流电，u p s 只改变输出电压， 不改变频率，u p s 可以输出高质量的电源，但是u p s 系统效率较低，价格昂贵， 同时在将交流电转变成直流电的过程中，u p s 系统也会给电网带来电流谐波污 染；脉宽调制技术( p w m ) ，p w m 是应用在逆变器中的控制方法，它在逆 变器输出周期内将直流输入斩成幅值相等宽度可变的脉冲序列输出，它通过控 制逆变开关脉冲宽度的调制来改变每个工作周期中开关导通占空比，从而达到 电压调节目的。电子类调压除晶闸管调压外，其它调压方法相对复杂，且费用 较高。 6 第2 章饱和电抗器原理及设计 以下对常用的两类调压方式晶闸管调压与自耦变压器调压加以说明与比 较。 ( 1 ) 晶闸管调压 它采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管的导通角，将电网输入的正弦波 电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值。这类节电调控设备对线路的 电压调节速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，因为主要是电子 原件，相对来说体积小、设备轻、成本低。但该调压方式存在一致命缺陷，由 于斩波，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量高次谐波，形成对电网系 统谐波污染，危害极大，且不能用在有电容补偿的电路中。现代照明设计要求 规定，照明系统中功率因数必须达到0 9 以上，而气体放电灯的功率因数在一般 在0 5 以下，所以都设计用电容补偿功率因数。在国外发达国家，已有明文规定 对电气设备谐波含量的限制，在国内，北京、上海、广州等大城市，已对谐波 含量超标的设备限制并入电网使用。大功率可控硅斩波型节电设备，因其自身 存在谐波污染的缺陷，如果加装滤波设备，成本太高，是不经济的，所以此类 设备是不宜大量用于电路中。 ( 2 ) 自耦变压器调压 它采用变压器原理，但与普通变压器不同，自耦变压器的一、二次侧线圈 不仅有磁的联系，还有电的联系，所以在输出电压调节范围不大时它的容量比 较小，所消耗的材料少，造价低，效率高，这类产品最大的优点是克服了可控 硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构和功能都很简 单，当然可靠性也比较高。它是目前市场上采用的主要调压技术。 但是由于其核心部件是一个多抽头的自耦变压器，变压比是固定的，一般 副边有三到五个降压抽头，分别降5 v 、1 0 v 、1 5 v 、2 0 v ，一旦接线端固定，降 低电压就是固定值，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动， 这样负载工作电压处在不稳定波动状态，无法起到对负载的保护作用。当电网 电压高时，降压可能不是最佳状态；而电网电压低时，可能出现欠压现象，造 成电气设备无法正常运行。 其次这类调控装置为了能做到对电压的调节一般采用的都是交流接触器来 进行切换。由于接触器是在电路的主回路中进行切换，所以，切换的电流是很 大的，如果用接触器作为节电产品的电压调整装置的话，其安全性、可靠性和 无故障工作寿命都不能保障，存在安全隐患。原因有：交流接触器的工作原 7 第2 章饱和电抗器原理及设计 理是用电磁线圈吸合、断开来控制触头常开或是常闭，属机械移动部件，只适 用于不经常动作的开关场合，如灯具、电器的开起和关断，切换次数是有限的， 不适用于频繁切换的场合。交流接触器在切换动作时，是机械的吸合和断开， 所以会有短暂的1 0 2 0 m s 的断电，我们称之为“闪断”，它会造成一些用电器 不能正常工作。例如对于h i d 灯( h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g e dl 锄p 一高压气体放 电灯，如高压钠灯、金卤灯、高压汞灯等) ，这种闪断会导致h i d 灯熄灭。这 种灯的特性决定，在熄灭以后，必须等到灯管冷却，蒸气压下降后才能再点亮， 一般需要5 1 0 m i n 左右，在使用中，这将是个严重故障。所以固定多档自耦降 压器一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能，这也就是这类节电产品的 缺点所在。 2 1 2 饱和电抗器应用于节电技术的可行性 饱和电抗器由于具有连续平滑调节电压、抑制电流突变、谐波污染少、可 靠性高、维护工作量小等优点，这些特点恰好符合节电设备的特性要求，因此 将其应用于节电设备作为主要调压控压元件。 饱和电抗器与其他电磁类调压器的相比较，饱和电抗器可以在有载情况下 连续无级平滑均匀调节交流电压，它不像感应调压器那样，制造时要求精度高， 结构上又有传动部分；也不像移圈调压器那样笨重，那样高噪声、高损耗；与 多抽头电抗器相比，在同样的调节范围内，具有带电均匀无级调压的特点。饱 和电抗器与电子类调压器相比较，饱和电抗器适宜工作在高电压、大电流状态 下，具有可靠性高、不易损坏、维护少等优点。当然，饱和电抗器也有不理想 的地方。一是需要增加一套直流电源装置，二是在线路中造成无功损耗，三是 具有电磁惯性。这些问题可以采取附加电路予以改善。 饱和电抗器过去主要应用于调节电炉和各种电热装置、调节照明、用于电 弧焊接装置、均匀调节电压、限制短路电流的电抗器、作为可调节功率因数c o s ( a 的试验负载、用作稳定交流电压、用于电机调速方面以及作为无触点继电器等 方面。以上的应用主要是较为粗略调控方案，且多是通过手工完成，需要人工 反馈。电力电子控制的适时、准确、自动控制等特性，恰好弥补饱和电抗器不 足之处，随着电力电子技术的发展，使饱和电抗器与现代电力电子结合成为必 然，这也是省电器发展的方向之一。 8 第2 章饱和电抗器原理及设计 2 2 饱和电抗器原理 2 2 1 概述 变压器在工作时，铁心中的磁通都是交变的，即仅有交流励磁。如果在铁 心上除交流励磁外再加上直流励磁，这时铁心励磁特性将有很大的改变。饱和 电抗器就是基于这种条件下制成的。 饱和式可控电抗器是利用铁磁材料的饱和特性来实现其电抗值改变( 可控 制) 的。其电抗值的大小随铁心磁路的饱和程度而定，而铁心饱和程度的改变， 是铁心在交流磁化的基础上，用改变直流磁化的多少来实现的。 饱和电抗器分为扼流式和自饱和式两大类。白饱和电抗器串联在整流变压器 的二次侧与整流元件之间，用以调节整流电路的相控角度。在自饱和电抗器中， 铁心的直流励磁是由整流电路中自身的直流提供，故称为自饱和式。扼流式饱 和电抗器串联在用电设备的一次侧，用以调节用电设备的输入电压和输入电流， 即用以调节用电设备的输入容量，故称为扼流武。在扼流式饱和电抗器中，铁 心的直流励磁是由外部直流电源提供的o m “”“。 由于扼流式饱和电抗器的电抗可以平滑的调节。扼流式饱和电抗器主要用于 调节负载电流和功率。它多用在：调节电炉和电热装置的温度；调节照明：均 匀调整电压；作为限流电抗器：稳定交流电压；电动机的调速；作为无触点的 继电器等。 2 2 2 单铁心饱和电抗器原理 图2 1 表示由一个二柱式铁心、一个交流工作线圈和一个直流控制线圈所组 成的单相饱和电抗器的结构原理图0 1 。 容易得出，其电抗值表达式如下： j ：2 疵：2 矿0 4 m v 2 s j x 1 0 4 ( 2 1 ) 。 ， 式中，三为交流工作绕组电感( h ) ；，为频率( h z ) ；n s 为交流工作绕组匝 数；劝铁心截面( c m 2 ) ；，为平均磁路长度( c a n ) ；口为动态导磁系数。 9 第2 章饱和电抗器原理及设计 f j 萋 旭d 萋 l 图2 1 单铁心饱和式可控电抗器原理图 u 卜交流电源电压( v ) 毛一交流同路t 作电流( a ) s 交流工作绕组匝数魄一直 流控制电压( v ) 心一直流控制绕组匝数 图2 2 铁心磁导率与直流电流矗的关系 由式2 1 可以看出交流工作绕阻的电抗x 与铁心磁导率成正比。而根据 铁心的磁化特性，在铁心合成磁密口达到饱和的情况下，是随铁心加直流磁 化的多少而改变的。所以饱和电抗器的铁心必须在饱和状态下工作。图2 2 表 示铁心相对磁导率与直流电流厶的关系“。 在饱和电抗器铁心中的合成磁通是由尽和厶共同建立的。首先假定交流工 作线圈的电压弧保持不变。当没有直流厶时，如图2 3 饱和电抗器特性曲线中， 曲线b s 所示，铁心中的磁通按正弦规律变化，因铁心没有饱和，工作在b 一日曲 线的线性区域，风按正弦规律变化，风亦按正弦规律变化，铁心工作点处于励 磁曲线的线性段，磁导率系数不变，饱和电抗器的电抗值凰不发生变化。当 直流线圈通有直流电流厶时，在铁心中，第一个半周期内交直流磁通相加，而 l o 交流工作靖 第2 章饱和电抗器原理及设计 在第二个半周期内交直流磁通相减，如图2 3 曲线口所示。铁心工作点由d 移 至，合成磁感应强度为曰= 最+ 玩。这时铁心进入饱和区，尽管最没有变化， 但由于励磁曲线的非线性，在质变化的一周内，其磁场强度平均值随着直流磁 通分量的改变而发生了变化，引起磁场强度发生显著的变化，由j l 增大到日， 由于交流回路的电压u s 不变也就是最不变，饱和电抗器动态磁导率： p = b h ( 2 2 ) 式中，口为合成磁感应强度( t ) ；h 为合成磁场强度( a m ) 箨军矿-i i 呵一一一r 一 | i i h 拶 根l 、 。 图2 3 饱和电抗器磁化特性曲线 因此改变直流电流，d ，就改变饱和电抗器交流电抗值x 。，且随着直流控制 电流的增大，电抗值减小。 为了便于分析饱和电抗器的工作特性，常绘出不同函数关系的曲线簇。图 2 4 为交直流同时磁化曲线。左起第1 条曲线是载直流控制电流为零时的，随着 直流磁场强度的增加，曲线逐渐向右移动。在同一交流磁感应强度傀l 下，因直 流磁场强度风不同，对应于横坐标有着不同的凰值。 第2 章饱和电抗器原理及设计 珉 执 o hh轧h屯h 钒| k 图2 4 交直流同时磁化曲线 因此在交直流同时磁化曲线上画一些与横坐标平行的直线( 即曰s 等于常数 的直线) ，则这些直线与交直流同时磁化曲线簇相交得出许多交点，每个交点对 应着一对风和凰值，从而可以画出交流磁场凰和直流磁场风的函数关系曲线。 由于，与日成正比，因而也可以得到交流电流有效值厶和直流磁场厶的关系函 数曲线。 但实际上，不采用单铁心形式的饱和电抗器。其一，因为当交流绕组通过 电流时会在铁心中产生一交变磁通。此磁通会在直流绕组中感应出交变电势。 这样交流绕组和直流绕组之间的关系就如同变压器一、二次绕组之间的关系一 样，破坏了直流电源的正常工作。其二，单个双柱式铁心的交流绕组中的电流 波形会发生很大的畸变，使之不对称于时间轴。图2 3 中曲线给出了这一变 化情况。图中风的交流磁感应( 磁通密度) 、磁场强度是在直流磁场强度为零时 对时间的变化关系，是对称于时间轴的。有直流磁场强度作用后，对应于曰的 交直流合成的磁场强度日就不对称于时间轴了，这显然是所不希望的。 2 2 3 双铁心饱和电抗器原理 为了克服单铁心饱和电抗器的缺点我们用两个单铁心饱和电抗器并联组成 双铁心结构“，如图2 5 所示。 1 2 第2 章饱和电抗器原理及设计 图2 5 并联型可控饱和电抗器接线图 并联型可控饱和电抗器由两个铁心构成。两个铁心上的交流绕组并联，直 流控制绕组反向串联，如图2 5 所示。直流控制线圈在两个铁心中产生的磁场 方向相反，对一个铁心起助磁作用，而对另一个起去磁作用。设交流电压源是 按余弦函数变化的，并且控制绕组的电阻和漏磁都很小，这时交变磁场的磁感 应强度是按正弦函数变化的：b s = b m s i n m t 。为分析方便，根据，和h 的正比关 系，将图2 3 转换成如图2 6 所示的b 一，曲线。如果没有直流控制电流，那么 两个铁心中只有交流磁通，交流绕组中的电流如曲线所示 客军 一嬲 队一一 了莉； 一 | | i ： ， 矧 七： l i o 1 ： j t 一、) 胗 | 卜jni ，i l 心 图2 6 并联型可控饱和电抗器原理图 当直流控制绕组中有直流电流通过时，铁心中将同时存在直流和交流磁通。 1 3 第2 章饱和电抗器原理及设计 假设在前半周期左边铁心的恒定磁场与交变磁场方向相同，而在右边铁心与之 相反。这时候，两铁心中的磁场强度对电流的函数关系可分别用曲线、来 表示。由于两个交流绕组是并联的，电抗器总的工作电流由两个交流绕组电流 相加得到，如i 所示。虽然f 1 与如对时间轴来说是不对称的，因此包含偶次谐 波。但由于i 1 和i 2 是呈镜像对称关系，它们的偶次谐波在相位上是相反的。因 此，经叠加后f 将对称与时间轴，偶次谐波将在交流绕组中循环流动，不会到 电源中去。 将i 与i 相比较可以看出：在同一交变磁场的情况下( 即交流工作电压不 变) ，当恒定磁场存在时，工作电流要显著增加。根据这一特性，调节直流控制 电流的大小，就可以控制交流工作电流的大小。 在图2 5 所示的电抗器结构中，每个直流控制绕组中都将有一个由交流磁 通产生的感应电动势。由于两个绕组中的电动势方向是相反串联的，因此在直 流控制绕组中不会产生交流电流。 2 3 饱和电抗器用于节电技术的设计 2 3 1 节电系统设计 根据饱和电抗器特性可知，将扼流式饱和电抗器串联在用电设备的一次侧， 通过调节电抗器电抗值的大小，就可以调节用电设备的输入电压和输入电流， 即而调节用电设备的输入容量。 本文提出一种采用饱和电抗器的节电控制方案。通过采用饱和电抗器合理 调节用电设备的电压、功率，达到节省电能的目的。如图2 7 所示电路原理图。 图2 7 电路原理图 1 4 第2 章饱和电抗器原理及设计 假定负载为纯阻性z o = r 。，并忽略饱和电抗器交流工作线圈的电阻 r s = 0 。设电源电压为u c 、饱和电抗器输出电压为u o ( 即负载压降) ，流过负 载的电流为厶。则根据电路图可得： 五= 1 兰垒一= 1 ；兰呈一 ( 2 3 ) 。露+ ( 2 万z ) 2r j + j ； u o 丽u 丽c r o2 丽u c r , c z 4 ) r j + ( 2 班) 2 + 肖； 由式( 2 3 ) 、式( 2 4 ) 可以看出，交流工作电流厶及负载电压【，0 随电抗 值x 。改变。由饱和电抗器原理分析可知，改变直流控制电流大小可以连续调节 电抗值墨的大小。从而通过直流控制就可以对负载电压、电流进行连续调节。 所以根据负载运行特点和电网电压变化，控制饱和电抗器直流控制电流可以达 到调节负载的功率消耗达到省电的目的。 为详细分析电抗器交流输出电压与直流控制电流关系，通常采用图解法求 出，如图2 8 所示。该图是在图2 4 的基础上给出的，即将其纵坐标交流磁感应 强度风改为和它成正比的交流线圈上的端电压魄，横坐标交流磁场强度凰改为 和它成正比的负载电阻上的电压降i s r o 。忽略线圈的漏磁和电阻，则有 晖+ ( 以) 2 = 昵 ( 2 5 ) o 五日x 岛丘l x 岛 k 3 x r o 图2 8 电抗压降与电阻压降圆图 从式( 2 5 ) 和图2 8 中看出，玩和l s r o 关系为一个中心在坐标原点上而半径 1 5 第2 章饱和电抗器原理及设计 为阮的圆。此圆与交直流磁化曲线相交于，d o ，而1 各点，每一个交点的横坐 标表示负载电阻上的电压降础o ，纵坐标表示交流线圈上的端电压魄。当保持交 流电源电压魄不变时，s 小则魄大，j 球。大则魄小。当直流电流等于零时，交 流线圈上的电压魄最大，而负载电阻两端上的电压降球。最小。很清楚，交流线 圈和负载电阻上端上的电压降的变化轨迹是一个圆。 因为： 风一旦趔! - ，毋：u 1 0 s 。n 。s ：。n 。s 日。：毕，以：华 所以又可以将方程式变换如下： ( 刳2 + = z 亿e ， 式中：为全部电源电压等于电抗器电压降时的饱和电抗器磁感应强度； 两( 为短路电流氏时的磁感应向度。 公式可以用图2 9 表示。经过作图可以得到饱和电抗器的特性曲线，凰= 几) 。改变一下坐标就可以绘成图2 1 0 所示的特性曲线，一般称为v 特性曲线。 口# b c h a o 髓l 槐2 胁3 确 一 兰釜辫矗 挑f 如) 、 图2 9 饱和电抗器特性曲线图2 1 0v 特性曲线 1 6 第2 章饱和电抗器原理及设计 2 3 2 饱和电抗器参数设计 ( 1 ) 饱和电抗器结构 由于单铁心饱和电抗器的诸多缺点，这里采用双铁心扼流式饱和电抗器， 结构如图2 1 1 所示： 图2 1 1 原理结构示意图 它由两个铁心组成，铁心上分另b 缠有四个线圈，分交流和直流两部分。如 图，a l x l ，a 2 x 2 ，a 3 x 3 ，) ( 4 为交流绕阻，他们并联后接交流电源：b l y l ， b 2 y 2 ，b 3 y 3 ，b 4 y 4 ，为直流绕阻，他们串连后接直流控制端。接线时，a l x l 与a 2 x 2 ； a 3 x 3 与a 4 x 4 接线相反，从而在各个铁心中产生的交流磁通同向。b 1 y l ，与b 2 y 2 ； b 3 y 3 与b 4 y 4 ，同向串连，他们之自j 反向串连，从而可以相互抵消交流绕阻在直 流端产生的感应电动势。 ( 2 ) 参数设计要求及参数计算叫豳1 设计电路原理图如图2 6 所示，电路电源电压u c = 2 2 0 v ，频率f = 5 0 h z 。设 负载为纯阻性负载，电抗与负载串联，因而有l o = i s 。负载功率最大值为，b 。 = 1 0 k v a ，最小功率为，o m i n = l k 、，a 。负载两端电压要求在1 9 0 2 2 0 v 调节， 即一= 2 2 0 v ，c ，o 自= 1 9 0 v 。要求电抗器功耗凡小于1 0 0 w 。 1 ) 电抗器容量的最大值与最小值 电抗器两端电压最大值： 。 r ：一 = u c 2 吧“1 1 0 v 电抗器电流最大值： 1 7 第2 章饱和电抗器原理及设计 l = l b 。= p o | u 。= 4 5 4 5 a 所以电抗器容量最大值为： p s m “= 【，s m 出, , m = 5 k v a 根据电抗器特性，要使得魄降为0 需要较大的i d 。当电抗器输出电压 u o = 2 1 7 8 v 时( 误差为1 ) ，可以认为电抗器已经不再起降压作用，即认为h 。 = 2 1 7 8 v ，此时电抗器压降设为最小值u s 。i 。： u s 。= u ：一u j 。= 3 1 0 v 当输出负载功率最小，且电抗器值最大时，流过电抗器的电流最小： 以。= u 。，。u ：= 3 9 2 5 a 2 ) 电抗值x 的最大和最小值 为使电流i s 最小时，电抗器压降魄能达到1 1 0 v 电抗值： x 一：譬：2 8 0 q 电抗器要保证再i s 最大时，电抗器压降弧能降到3 1 v ，电抗值最小为： x 。：磐：0 6 8 2 1 2 3 ) 铁心参数： 铁心直径： ( 等) 0 2 5 = 7 4 c m 铁心截面积： s ：z d = 2 3 2 6 3 e m 2 每个铁心上交流工作线圈匝数： 以= 等圳：o m 廿。6 直流控制线圈匝数： 1 8 第2 章饱和电抗器原理及设计 色4 小结 虬= 警= n - 本章主要通过对节电系统性能要求进行分析，详细分析了目前节电系统采 用的主要技术手段。对扼流式饱和电抗器的基本原理做了详细的介绍，分析了 采用饱和电抗器的优缺点。根据节电系统要求，设计了采用饱和电抗器的节电 系统基本框架，并计算了饱和电抗器的基本参数。根据计算结果制作出了其样 机系统。 1 9 第3 章电抗器特性实验分析 3 1引言 第3 章电抗器特性实验分析 通过对饱和电抗器样机的各种性能进行实验，并结合电抗器铁心的b 一卸曲 线进行分析。分析饱和电抗器的各种性能并为后续进一步设计提供可靠的数据 基础。 主要对电抗器以下几个特性进行测量分析： ( 1 ) 铁心的磁饱和特性曲线实验分析； ( 2 ) 直流控制电流特性实验分析； c 3 ) 电源变化对系统影响特性实验分析； ( 4 ) 负载变化对系统影响特性实验分析； ( 5 ) 电压电流谐波实验分析； ( 6 ) 功率因数分析。 3 2 实验电路及基本参数 根据第二章设计电抗器结构示意图如图3 1 所示，它由两个铁心组成，铁心 上分别缠有四个线圈，分交流和直流两部分。a l x l ，a 2 x 2 ，a 3 x 3 ，x 4 为 交流绕阻，他们并联后接交流电源；b l y l ，b 2 y 2 ，b 3 y 3 ，b 4 y 4 ，为直流绕阻， 他们串连后接直流控制端。接线时，a l x l 与a 2 x 2 ：a 3 x a 与a 4 x 4 接线相反， 从而在各个铁心中产生的交流磁通同向。b l y l ，与b 2 y 2 ；b 3 y 3 与b 4 y 4 ，同向串 连，他们之间反向串连，从而可以相互抵消交流绕阻在直流端产生的感应电动 势。 2 0 第3 章电抗器特性实验分析 图3 1 原理结构示意图 电抗器基本参数：单个铁心体积为1 5 1 0 4 m 3 ；质量为1 1 k g ； 截面积为 2 4 x 1 0 。3 m 2 ；铁磁材料型号为z h 8 ；单个交流线圈匝数为1 5 0 匝；四个交流线 圈并联电阻r a c 为o 0 8 9q ；单个直流线圈匝数为9 0 匝：四个直流控制线圈串 连电阻r d c 为0 5 6 0 。 实验电路接线图如图3 2 所示。接调压器可调节输入电压在0 2 5 0 v 之间变化。阮端接直流控制电源，试验采用一直流电流最大为3 a 的可调电流源。 负载分别选用电阻值为3 2 0 、7 5 q 、1 5 0 q 、3 0 0 0 。 图3 2 实验电路连线图 2 1 第3 章电抗器特性实验分析 3 3 饱和电抗器试验分析 3 3 1铁心的磁饱和特性曲线测量与分析 铁心的饱和特性曲线是铁心的固有特性。饱和电抗器就是利用铁心的饱和 特性来改变其电抗值的大小，从而实现调节输出电压的目的。因而测量铁心的 饱和特性曲线是实验分析的基础。这里通过对电抗器电压电流的测量，首先得 到电抗器的伏安特性曲线。再通过计算得到铁心的饱和特性曲线。为下面实验 分析提供铁心的特性参数。 ( 1 ) 实验方法及结果 测量电路如图3 2 所示，在不同的直流控制电流状态下，测量在电压u c 以 5 v 为一个等级从0 v 开始到2 2 0 v 时，对应的电流值尼。依据下面两个公式求出 对应的b ，日值。从而绘出铁心的饱和特性曲线。 丑：坠，h ：i c n s( 3 1 ) 4 4 4 f u s s ， 式中，u c 为电抗器两端电压( v ) ；l c 为电抗电流( a ) ：n s 为交流绕阻的匝数( 匝) ； ，为铁心中心长度( m ) 。 醌几， 卯 4 0 2 0 d o 1o 2o 3 0 40 5 o 石 j c a 图3 3电抗器伏安特性曲线簇 将实验数据经过计算并使用o r i g i n 数据处理软件进行处理后得到如图3 3 所 示的电抗器伏安特性曲线和图3 4 所示的铁心的交直流同时磁化瞌线。( 4 表示 第3 章电抗器特性实验分析 交流磁场强度日的有效值，口表示交流磁通密度b 的有效值。) 图3 4 交直流同时磁化曲线簇 ( 2 ) 实验结果分析 如图3 4 ，左起第一条为直流控制电流为0 时的磁化曲线，随着直流电流的 增大，磁化曲线逐渐向右移动，铁心逐渐进入不