低谐波的可控饱和电抗器的制作方法

专利名称：低谐波的可控饱和电抗器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统送变电技术领域，特别涉及一种低谐波的可控饱和电抗器。
背景技术：
随着电力系统的不断发展，对电力系统安全运行要求越来越高，对电能质量的要求也越来越高。串联电抗器可限制短路电流；并联电抗器可限制过电压；电抗器与电容联合可构成滤波电路；电抗器在电力系统的应用是非常广泛的。在一部分应用领域，电抗器的电抗值可以是固定的；在许多应用领域，需要电抗值能随着电力系统运行方式的改变而改变。近年来电抗值可以连续调节的可控电抗器的研究与应用成为热门课题。可控饱和电抗器是可控电抗器的一种重要方式。可控饱和电抗器是利用饱和电抗器铁芯的饱和特性来改变电抗器的电抗值。已经有许多可控饱和电抗器被提出来，一种磁饱和电抗器(专利号2010105840411)；—种饱和电抗器(专利号201110040卯41)；一种低噪音饱和电抗器(专利号2011100409556)；一种可控饱和电抗器(专利号2011101030585)；所表述的饱和电抗器是专门适应电流限制器要求而发明的饱和电抗器，主要利用饱和电抗器的开关特性。发明专利号为2006100476121 的“自馈式可控电抗器”，发明专利号为200810011902X的“一种自身取能的快速响应可控电抗器”，一种饱和电抗器主体(专利号2011100207304)；—种自励式可控饱和电抗器及其控制方法(专利号2011100048327)所表述的饱和电抗器各具特色，但是，这些饱和电抗器的交流工作电压、电流波形不够好，产生波形畸变还较大。中国水利水电出版社2008年出版蔡宣三，高越农著《可控饱和电抗器原理、设计与应用》一书对可控饱和电抗器作了总结。 苏联人1986年发明的磁阀型饱和电抗器对减小饱和电抗器谐波有改进，但是，磁阀型饱和电抗器的输出波形仍然会产生较大高次谐波，影响电力系统的电能质量。

发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种有较好电流和电压工作波形，波形畸变和高次谐波很小的可控饱和电抗器。为实现上述目的，本发明采用如下结构一种低谐波的可控饱和电抗器，它包括一个可控饱和电抗器铁芯，铁芯包括一根中心柱，两根侧柱，一根旁柱，四根柱子平行；所述四根柱子两端分别有横梁构成磁通回路；其中，中心柱与旁柱的横梁在一条直线上，两根侧柱的横梁在另一条直线上，两条直线相互垂直；两根侧柱分别对称分布在中心柱两侧，两根侧柱截面积相等，两根侧柱截面积之和等于中心柱截面积；旁柱的截面积等于或小于中心柱截面积；在中心柱有交流线圈Li， 旁柱有交流线圈L2，一根侧柱有直流线圈L3、平衡线圈L4，另一根侧柱有直流线圈L5、平衡线圈L6 ；直流线圈L3与直流线圈L5的匝数相等，平衡线圈L4与平线圈L6的匝数相等；交流线圈Ll的两个端子分别为可控饱和电抗器两个输入端子，交流线圈L2的两端短接；平衡线圈L4的同名端与平衡线圈L6的同名端连接，平衡线圈L4的异名端与平衡线圈L6的异名端连接，两个平衡线圈形成闭合回路；直流线圈L3的同名端与直流线圈L5的同名端连接， 直流线圈L3的异名端与直流线圈L5的异名端分别与可控直流电源的输出端连接，形成直流闭合回路；可控直流电源与直流线圈L3、L5输入端连接，给直流线圈L3、L5提供直流电流，直流电流大小通过可控直流电源人为控制或自动控制。所述交流线圈Ll连接电力系统，直流线圈L3与直流线圈L5的直流电流从零变化至最大值时，交流线圈Ll的中心柱铁芯不饱和。所述交流线圈Ll连接电力系统，直流线圈L3与直流线圈L5的直流电流为零时， 交流线圈Ll流过励磁电流，可控饱和电抗器电抗值最大；可控直流电源给直流线圈L3、直流线圈L5提供的直流电流增大，交流线圈Ll流过的交流电流增大，可控饱和电抗器电抗值减小；可控直流电源给直流线圈L3、直流线圈L5提供最大的直流电流时，交流线圈Ll流过的交流电流有最大值，可控饱和电抗器电抗值最小；控制直流线圈L3、直流线圈L5中直流电流的大小，控制可控饱和电抗器的电抗值的大小。所述低谐波的可控饱和电抗器铁芯有两条主要磁通闭合回路，一条由交流线圈Ll 和交流线圈L2组成交流磁通闭合回路，另一条由直流线圈L3和直流线圈L5组成直流磁通闭合回路；交流线圈Ll与交流线圈L2安装在交流磁通路径的不同路段，直流线圈L3与直流线圈L5安装在直流磁通路径的不同路段；交流线圈Ll铁芯与交流线圈L2铁芯的两铁芯过渡连接处，直流线圈L3铁芯与直流线圈L5铁芯的两铁芯过渡连接处，交流磁通铁芯与直流磁通铁芯垂直相连，在连接处，交流磁通方向与直流磁通方向相互垂直；交流线圈Ll铁芯产生的交流磁通可以从一个交汇处分别流入直流回路的两个半边，然后从两个半边汇集到另一个交汇处后流回交流线圈Ll铁芯，并形成不经过交流线圈L2铁芯的交流磁通闭环。所述直流线圈L3和直流线圈L5的输入端间还并联电容Cl、过压保护器、非线性电阻，其中，电容Cl使直流电流更平稳，并吸收脉冲干扰电压；过压保护器为保护可控直流电源的电力电子电路，非线性电阻进一步吸收脉冲过电压。本发明的有益效果是通过关键发明“交流线圈L2的两端短接”，使其他功能的设备作为饱和电抗器用途，并且解决了饱和电抗器存在较大谐波的世界共同问题。解决饱和电抗器存在较大谐波问题的方法非常简单。“交流线圈L2的两端短接”的创新点在于，交流线圈L2的两端短接以后，用饱和电抗器自身的线圈提供了一种抵消饱和电抗器高次谐波的电流，用自身的力量纠正自身的缺陷。思路新颖，效果显著。它通过控制大功率电力电子器件，控制直流线圈L3与直流线圈L5的直流电流的大小，即可连续控制电抗器的电抗值的大小。不需要专门的谐振滤波电路，不需要A、B、C三相可控饱和电抗器三角形连接，即可消除直流线圈的铁芯部分饱和所产生的高次谐波。


图1表示一种低谐波的可控饱和电抗器的拓扑结构与连接方式；图加为低谐波的可控饱和电抗器的主体铁芯的正视图；图2b为低谐波的可控饱和电抗器的主体铁芯的侧视图；图2c为低谐波的可控饱和电抗器的主体铁芯的俯视图。
其中，1.交流线圈端子I，2.交流线圈端子II，3.可控饱和电抗器铁芯，4.过电压保护器，5.非线性电阻，6.可控直流电源，7.中心柱，8.旁柱，9.侧柱I，10.侧柱II。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。一种低谐波的可控饱和电抗器的拓扑结构与连接方式如图1所示。图加为低谐波的可控饱和电抗器的主体铁芯的正视图；图2b为低谐波的可控饱和电抗器的主体铁芯的侧视图；图2c为低谐波的可控饱和电抗器的主体铁芯的俯视图。一种低谐波的可控饱和电抗器包括一个可控饱和电抗器铁芯，铁芯包括四根柱子，一根中心柱7，一根旁柱8，侧柱19，侧柱1110，四根柱子平行；四根柱子两端分别有横梁构成磁通回路；中心柱7与旁柱 8的横梁在一条直线上，侧柱19与侧柱IIlO的横梁在另一条直线上，两条直线相互垂直； 侧柱19与侧柱IIlO分别对称分布在中心柱7两侧，侧柱19与侧柱IIlO截面积相等，侧柱 19与侧柱IIlO截面积之和等于中心柱7截面积；旁柱8的截面积等于或小于中心柱7截面积；中心柱7有交流线圈Li，旁柱8有交流线圈L2，侧柱19有直流线圈L3、平衡线圈L4，侧柱IIlO有直流线圈L5、平衡线圈L6 ；交流线圈Ll的两个端子为可控饱和电抗器两个输入端子，即交流线圈端子Il和交流线圈端子112，交流线圈L2的两个端子短接；直流线圈L3 的同名端与直流线圈L5的同名端连接，直流线圈L3的异名端子与直流线圈L5的异名端子分别连接可控直流电源6的输出端子，形成直流闭合回路；可控直流电源6给直流线圈L3、 直流线圈L5提供直流电流，直流电流大小通过可控直流电源6人为控制或自动控制。所述低谐波的可控饱和电抗器铁芯有两条主要磁通闭合回路，一条由交流线圈Ll 和交流线圈L2组成交流磁通闭合回路，另一条由直流线圈L3和直流线圈L5组成直流磁通闭合回路；交流线圈Ll与交流线圈L2安装在交流磁通路径的不同路段，直流线圈L3与直流线圈L5安装在直流磁通路径的不同路段；交流线圈Ll铁芯与交流线圈L2铁芯的两铁芯过渡连接处，直流线圈L3铁芯与直流线圈L5铁芯的两铁芯过渡连接处，交流磁通铁芯与直流磁通铁芯垂直相连，在连接处，交流磁通方向与直流磁通方向相互垂直；交流线圈Ll铁芯产生的交流磁通可以从一个交汇处分别流入直流回路的两个半边，然后从两个半边汇集到另一个交汇处后流回交流线圈Ll铁芯，并形成不经过交流线圈L2铁芯的交流磁通闭环。所述一次线圈Ll连接电力系统。直流线圈L3与直流线圈L5的直流电流为零时， 由于交流线圈L2的两个端子短接，阻止交流磁通流过交流线圈L2所在的旁柱；交流线圈 Ll产生的磁通经中心柱7与侧柱19(侧柱1110)构成磁通回路；由于侧柱19与侧柱IIlO 分别对称分布在中心柱7两侧，侧柱19与侧柱IIlO截面积相等，侧柱19与侧柱IIlO分别流过1/2交流磁通；由于直流线圈L3与直流线圈L5的直流电流从零变化至最大值时，交流线圈Ll的中心柱铁芯不饱和，且侧柱19与侧柱IIlO截面积之和等于中心柱7截面积，中心柱7不会饱和，侧柱19与侧柱IIlO也不会饱和；一次线圈Ll流过励磁电流。可控直流电源给直流线圈L3、L5提供的直流电流增大，侧柱19与侧柱IIlO在直流电流作用下部分饱和，磁阻增大；交流线圈Ll产生的磁通一部分经中心柱7与侧柱 19(侧柱1110)构成磁通回路，剩余的磁通经旁柱8流通，旁柱8有交流线圈L2，交流线圈 L2短接，交流线圈L2中将产生交流电流来抵消流经旁柱8的交流磁通；侧柱19与侧柱IIlO 流过的是交流和直流混合磁通，磁通波形畸变，并对交流线圈Ll产生影响，企图使交流线圈Ll中的电流产生波形产生畸变。旁柱8流通的是中心柱总磁通扣除侧柱19、侧柱IIlO 磁通和漏磁以后剩余的磁通，也不是正弦波，也是波形畸变的磁通，旁柱8的磁通在交流线圈L2中产生电流，该电流也对交流线圈Ll的电流产生作用，该作用的基波分量正好与侧柱19(侧柱1110)磁通基波分量的作用相同，该作用的高次谐波分量正好与侧柱19(侧柱 1110)磁通高次谐波分量的作用相反；也就是侧柱19与侧柱IIlO畸变磁通对交流线圈Ll 电流产生的电流波形畸变企图正好被旁柱8上交流线圈L2的电流波形畸变企图所抵消，使交流线圈Ll中流过的电流波形恢复为正弦电流。交流线圈L2短接，对交流线圈L2中的交流电流阻抗很小，恢复交流线圈Ll中正弦波电流的作用较大。直流电流注入可控饱和电抗器直流线圈L3、直流线圈L5，没有使可控饱和电抗器交流线圈Ll中的电流产生波形畸变， 仍然是很好的正弦波。不需要专门的谐振滤波电路，不需要A、B、C三相可控饱和电抗器三角形连接，即可消除直流线圈回路的铁芯部分饱和产生的高次谐波。直流线圈L3、直流线圈L5流过的直流电流小，交流线圈L2的电流小，交流线圈Ll 中将流过的正弦电流小。直流线圈L3、直流线圈L5流过的直流电流大，交流线圈L2的电流大，交流线圈Ll中将流过的正弦电流大。可控直流电源给直流线圈L3、直流线圈L5提供最大的直流电流时，侧柱19与侧柱IIlO深度饱和，交流线圈Ll产生的磁通一部分作为漏磁溜走，成为交流线圈Ll的最小电抗值。剩余的磁通流过交流线圈L2，并在交流线圈L2 中产生最大电流，该电流相应成为交流线圈Ll中的最大电流。可见，控制直流线圈L3、直流线圈L5中直流电流的大小，即可控制可控饱和电抗器的电抗值的大小。侧柱19与侧柱IIlO深度饱和后，继续加大直流线圈L3、直流线圈L5中的直流电流，对可控制可控饱和电抗器的电抗值的变化影响很小，没有实际意义；却会使损耗加大。 可见，可控直流电源给直流线圈L3、直流线圈L5提供的最大直流电流应合理设计。太小，不能充分发挥可控饱和电抗器电抗值的调节作用；太大，造成可控饱和电抗器不必要的损耗。交流线圈Ll产生的交流磁通从交汇处分别流入直流回路的两个半边，两个半边有相同的铁芯结构，两个相同铁芯结构上分别有直流线圈L3和直流线圈L5，所述两直流线圈的匝数相等；交流线圈Ll的交流磁通在直流线圈L3和直流线圈L5产生感生电动势，直流线圈L3和直流线圈L5得到相同的电压；直流线圈L3的同名端与直流线圈L5的同名端连接，交流磁通在直流线圈L3和直流线圈L5产生的交流电压相互抵消，直流线圈两个异名端之间电压为零，使得交流电压对直流电流回路不产生影响；为了进一步减小交流电压对直流电流回路的影响，增加平衡线圈L4、平衡线圈L6，平衡线圈L4的匝数等于平衡线圈L6 的匝数，平衡线圈L4的同名端与平衡线圈L6的同名端连接，平衡线圈L4的异名端与平衡线圈L6的异名端连接；如果交流磁通在直流线圈L3和直流线圈L5有不平衡电压，也同时在平衡线圈L4与平衡线圈L6产生不平衡电压，该不平衡电压在平衡线圈L4与平衡线圈L6 的闭环中产生环流，以抵消直流线圈L3和直流线圈L5的不平衡电压。平衡线圈L4与平衡线圈L6匝数多，平衡的效果好；但是，加大了可控饱和电抗器的暂态过程。平衡线圈L3与平衡线圈L6匝数少，平衡的效果不好。所以，平衡线圈L4与平衡线圈L6的匝数要综合考虑，合理设计。如果直流线圈L3和直流线圈L5的不平衡电压不是太大的情况下，可以取消平衡线圈L4与平衡线圈L6。可控直流电源6给直流线圈L3、L5提供直流电流，直流电流大小可以通过可控直流电源6人为控制或自动控制。可控直流电源输出的直流电流流过直流线圈L3和直流线圈L5，直流线圈L3和直流线圈L5产生的直流磁通大小相等，方向相同；直流磁通只在侧柱 19与侧柱IIlO构成的直流磁通回路流通，不流到交流线圈Ll与交流线圈L2的铁芯。直流线圈L3和直流线圈L5的输入端并联电容Cl，可使直流电流更平稳，并吸收脉冲干扰电压；并联的过压保护器4可保护可控直流电源的电力电子电路。并联的非线性电阻5进一步吸收脉冲过电压。一种低谐波的可控饱和电抗器也可采用一种柔性分合器及其控制方法(专利号 2011100245645)，或采用一种电压与电流调节器(专利号2011100881759)提出的铁芯结构。由于交流线圈L2两端短接，旁柱中的实际磁通很小。旁柱的截面积可以小于中心柱。所述一种低谐波的可控饱和电抗器的各部件可用现有技术设计制造，完全可以实现。有广阔应用前景。
权利要求
1.一种低谐波的可控饱和电抗器，其特征是，它包括一个可控饱和电抗器铁芯，铁芯包括一根中心柱，两根侧柱，一根旁柱，四根柱子平行；所述四根柱子两端分别有横梁构成磁通回路；其中，中心柱与旁柱的横梁在一条直线上，两根侧柱的横梁在另一条直线上， 两条直线相互垂直；两根侧柱分别对称分布在中心柱两侧，两根侧柱截面积相等，两根侧柱截面积之和等于中心柱截面积；旁柱的截面积等于或小于中心柱截面积；在中心柱有交流线圈Li，旁柱有交流线圈L2，一根侧柱有直流线圈L3、平衡线圈L4，另一根侧柱有直流线圈 L5、平衡线圈L6 ；直流线圈L3与直流线圈L5的匝数相等，平衡线圈L4与平线圈L6的匝数相等；交流线圈Ll的两个端子分别为可控饱和电抗器两个输入端子，交流线圈L2的两端短接；平衡线圈 L4的同名端与平衡线圈L6的同名端连接，平衡线圈L4的异名端与平衡线圈L6的异名端连接，两个平衡线圈形成闭合回路；直流线圈L3的同名端与直流线圈L5的同名端连接，直流线圈L3的异名端与直流线圈L5的异名端分别与可控直流电源的输出端连接，形成直流回路；可控直流电源与直流线圈L3、L5输入端连接，给直流线圈L3、L5提供直流电流，直流电流大小通过可控直流电源人为控制或自动控制。
2.如权利要求1所述的一种低谐波的可控饱和电抗器，其特征是，所述交流线圈Ll连接电力系统，直流线圈L3与直流线圈L5的直流电流从零变化至最大值时，交流线圈Ll的中心柱铁芯不饱和。
3.如权利要求1所述的一种低谐波的可控饱和电抗器，其特征是，所述交流线圈Ll连接电力系统，直流线圈L3与直流线圈L5的直流电流为零时，交流线圈Ll流过励磁电流， 可控饱和电抗器电抗值最大；可控直流电源给直流线圈L3、直流线圈L5提供的直流电流增大，交流线圈Ll流过的交流电流增大，可控饱和电抗器电抗值减小；可控直流电源给直流线圈L3、直流线圈L5提供最大的直流电流时，交流线圈Ll流过的交流电流有最大值，可控饱和电抗器电抗值最小；控制直流线圈L3、直流线圈L5中直流电流的大小，控制可控饱和电抗器的电抗值的大小。
4.如权利要求1所述的一种低谐波的可控饱和电抗器，其特征是，所述低谐波的可控饱和电抗器铁芯有两条主要磁通闭合回路，一条由交流线圈Ll和交流线圈L2组成交流磁通闭合回路，另一条由直流线圈L3和直流线圈L5组成直流磁通闭合回路；交流线圈Ll与交流线圈L2安装在交流磁通路径的不同路段，直流线圈L3与直流线圈L5安装在直流磁通路径的不同路段；交流线圈Ll铁芯与交流线圈L2铁芯的两铁芯过渡连接处，直流线圈L3 铁芯与直流线圈L5铁芯的两铁芯过渡连接处，交流磁通铁芯与直流磁通铁芯垂直相连，在连接处，交流磁通方向与直流磁通方向相互垂直；交流线圈Ll铁芯产生的交流磁通还从一个交汇处分别流入直流回路的两个半边，然后从两个半边汇集到另一个交汇处后流回交流线圈Ll铁芯，并形成不经过交流线圈L2铁芯的交流磁通闭环。
5.如权利要求1所述的一种低谐波的可控饱和电抗器，其特征是，所述直流线圈L3和直流线圈L5的输入端之间还并联电容Cl、过压保护器、非线性电阻，其中，电容Cl使直流电流更平稳，并吸收脉冲干扰电压；过压保护器为保护可控直流电源的电力电子电路，非线性电阻进一步吸收脉冲过电压。
全文摘要
本发明公开了一种低谐波的可控饱和电抗器。它包括一个可控饱和电抗器铁芯，铁芯包括一根中心柱，两根侧柱，一根旁柱；四根柱子两端有横梁构成磁通回路；中心柱有交流线圈L1，旁柱有交流线圈L2，一根侧柱有直流线圈L3、交流线圈L4，另一根侧柱有直流线圈L5、交流线圈L6；交流线圈L1的两个端子为可控饱和电抗器输入端子，交流线圈L2的两端子短接；直流线圈L3的同名端与直流线圈L5的同名端连接，直流线圈L3、L5的异名端连接可控直流电源的输出端子，形成直流闭合回路；可控直流电源给直流线圈L3、L5提供直流电流，直流电流大小可人为控制或自动控制。本发明的装置有较好电流和电压工作波形，装置运行中波形畸变很小，高次谐波很小。
文档编号H01F27/30GK102360766SQ201110260658
公开日2012年2月22日 申请日期2011年9月5日 优先权日2011年9月5日
发明者李晓明 申请人:山东大学