飽和式可控電抗器在供電電壓中的應(yīng)用

1電抗器及油壓機控制系統(tǒng)事實上，電網(wǎng)的電壓往往高于標(biāo)準(zhǔn)電壓。過度高的電壓會導(dǎo)致能耗設(shè)備的發(fā)熱加劇、使用壽命縮短和增加。在不影響設(shè)備正常工作的情況下，合理調(diào)控負載兩端的電壓，已經(jīng)成為目前通用型節(jié)電產(chǎn)品的主要手段。目前調(diào)壓節(jié)能方式主要有電磁類與電子類調(diào)壓兩種。電子類調(diào)壓設(shè)備會產(chǎn)生大量諧波，對電網(wǎng)系統(tǒng)造成污染，危害極大。而廣泛應(yīng)用的自耦降壓式電磁調(diào)控裝置采用抽頭式結(jié)構(gòu)，是一種有級調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)對輸出電壓的智能連續(xù)控制。扼流式飽和電抗器是利用鐵芯的飽和特性，通過改變直流勵磁從而改變其它參數(shù)的電抗器。由于它的電抗可以平滑調(diào)節(jié)，通常用作穩(wěn)壓器或調(diào)壓器的執(zhí)行元件，有時還用作可控電抗器、無接觸磁繼電器等，應(yīng)用極為廣泛。采用飽和電抗器用于調(diào)壓節(jié)能，通過控制電抗器電抗值的變化，實現(xiàn)了輸出電壓的連續(xù)有載可調(diào)，可以達到最大限度的節(jié)省電能的目的。這種方案無機械裝置，不會產(chǎn)生諧波，運行穩(wěn)定，可以實現(xiàn)智能控制。2控壓元件的選擇本文提出一種采用扼流式飽和電抗器的省電器設(shè)計方案。將飽和電抗器串聯(lián)在電網(wǎng)中，控制負載端電壓，同時減小通過負載的電流，從而可調(diào)節(jié)負載的功率。單相電路接線原理如圖1所示。圖中，Uc為電源電壓，Ls為飽和電抗器，Is為負載工作電流，Zn為負載。由于飽和電抗器具有連續(xù)平滑調(diào)節(jié)電壓、抑制電流突變、抑制部分諧波、可靠性高、維護工作量小等優(yōu)點，這些特點恰好符合省電器的特性要求，因此將其應(yīng)用于省電器作為主要調(diào)壓控壓元件。假定負載為純阻性（Zn=Rn），并忽略交流工作線圈的電阻（Rs=0）。設(shè)電抗器輸出電壓為Uo，流過負載電流為Is。則根據(jù)圖1可得則輸出功率為：由以上三式可以看出，電抗值Xs增大，負載的工作電流Is減小，電壓Uo減小，輸出功率Po減小。飽和電抗器正是通過直流控制端電流大小，連續(xù)調(diào)節(jié)其電抗值，對負載功率進行連續(xù)調(diào)節(jié)，從而達到了節(jié)能省電的目的。3鐵芯磁場的非線性扼流式飽和電抗器串聯(lián)在用電設(shè)備的一側(cè)，用以調(diào)節(jié)用電設(shè)備的輸入電壓和輸入電流，即用以調(diào)節(jié)用電設(shè)備的輸入容量，故稱扼流式。這里采用雙鐵心飽和電抗器。它可以消除電路中的偶次諧波。其雙鐵心結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。圖中，Us為交流電源電壓，Ud為直流控制電壓。在雙鐵心結(jié)構(gòu)中，兩個相同匝數(shù)的交流繞組反向并聯(lián)，而直流控制繞組串聯(lián)。其電抗值表達式如下：式中，L為交流工作繞組電感（H）,XL為交流工作繞組電抗（?），f為頻率（Hz）,S為鐵芯柱截面（cm2），μs為鐵芯動態(tài)磁導(dǎo)率，l為鐵芯磁路平均長度（cm）。由（4）式可以看出交流工作繞阻的電抗XL與鐵芯磁導(dǎo)率μs成正比。而根據(jù)鐵芯的磁化特性曲線，如圖3所示，鐵芯的磁通密度B和磁場強度H為非線性關(guān)系，也就是說其斜率μs=B/H是變化的。當(dāng)工作在B-H曲線的線性區(qū)域時（圖3的bc段）μs為常數(shù)，其工作磁感應(yīng)強度為Bs，對應(yīng)的磁場強度為Hs；控制直流電流，改變鐵芯的勵磁，使得工作在飽和區(qū)間（圖3的ab,cd段）后，μs值變小。在交直流共同作用下，兩個鐵芯中的合成磁感應(yīng)強度為：對應(yīng)的磁場強度為：由于鐵芯磁化曲線的非線性，Hs1>Hs。與此相應(yīng)，μs1<μs，電抗值也相應(yīng)變小了。然而正是由于鐵芯的非線性，導(dǎo)致了Hs1、Hs2中含有大量的偶次諧波（如圖2所示）。采用雙鐵心結(jié)構(gòu)就是要消除這種諧波成分。直流控制線圈在兩個鐵芯中產(chǎn)生的磁場方向相反，對鐵芯一個起助磁作用，而另一個起去磁作用。因而當(dāng)兩個并聯(lián)的交流線圈產(chǎn)生的電流合成后的波形對稱于時間軸，不包含偶次諧波分量（如圖所示其次，兩個鐵芯中的交流磁通在控制線圈中所感應(yīng)的電壓大小相等，方向相反，故在Ud端感應(yīng)電壓為零。不會在控制端感應(yīng)出很大的交流電流而影響控制特性，這是采用雙鐵心的另一個優(yōu)點。通過上面分析可以看出，控制直流線圈的電流，也就改變了鐵芯的飽和程度，改變了鐵芯的磁導(dǎo)率，從而改變了交流線圈的電抗。4新省能源設(shè)計與實驗分析4.1負載模板參數(shù)計算根據(jù)前面的分析，設(shè)計電抗器參數(shù)。設(shè)計條件：電源電壓Uc=220V，頻率f=50Hz，負載額定功率：Pomax=10kVA，最小功率Pomin=1kVA。負載兩端電壓調(diào)節(jié)范圍：Uomax=217.8V,Uomin=190V。電抗器主要參數(shù)計算如下。電抗兩端電流最大值：電抗器電流最大值：電抗器最大容量：當(dāng)電抗器輸出電壓為Uomax=217.8V時，電抗器壓降最?。鸿F芯直徑（PZ為鐵芯每柱容量）：鐵芯截面積：S=πD2/4=43.0cm2(13）每個鐵芯上交流線圈匝數(shù)：直流控制線圈匝數(shù)：4.2負載32情況下輸出電壓與直流控制的關(guān)系實驗電路原理如圖1所示，電網(wǎng)電壓為220V，負載為純阻性負載Rn=32?時，連續(xù)調(diào)節(jié)直流控制電流Id從0到4A，用示波器監(jiān)測并記錄輸出電壓變化情況。將實驗最后得到數(shù)據(jù)整理，并使用origin數(shù)據(jù)處理軟件進行擬合后得到負載為32?時，輸出電壓與直流控制的關(guān)系如圖4所示。在OA段，直流電流較小，未能使電抗器進入非線性工作區(qū)，電抗值幾乎不變，Uo也不變。當(dāng)直流控制電流增大，電抗器進入到飽和區(qū)間（AB段）時，電抗值隨直流逐漸減小，輸出電壓逐漸上升。而當(dāng)直流電流過大時，電抗器完全飽和（BC段），電抗值已經(jīng)達到最小值，這時增大直流控制電流已經(jīng)不會再引起電抗值的改變，從而輸出電壓也幾乎不變。通過實驗及分析可以看出，通過控制直流電流達到了連續(xù)地調(diào)節(jié)輸出電壓Uo的目的。4.3省電器輸出電壓將實驗中監(jiān)測得到的電壓波形用示波器（TekrtonixTDS2000）的FFT變換功能進行變換，得到其頻域圖。圖5為電源電壓頻域圖，從圖中可以看出，50Hz基波分量的幅度為19dB,150Hz的為-12.2dB，占總能量的0.07%。圖6為省電器輸出電壓頻域圖。圖中50Hz頻率分量的幅度為18.2dB,150Hz的為-15dB，占總能量的0.05%。從實驗數(shù)據(jù)分析可以看出，采用這種省電器設(shè)計，可以有效地濾除電網(wǎng)中的高次諧波分量，并對三次諧波分量（150Hz）