一种基于高低压双路供电的磁控电抗器快速励磁装置的制作方法

本实用新型涉及一种电力无功补偿设备，具体地说涉及一种基于高低压双路供电的磁控电抗器快速励磁装置。

背景技术：

近几年来，磁控电抗器在电力无功补偿等领域的应用越来越普遍，但是磁控电抗器响应速度慢的不足也凸显了出来，使磁控电抗器在需要快速响应场合的应用受到了限制。从改进励磁电路设计和控制手段两个方面努力提高磁控电抗器的响应速度已经取得了积极的成效，将中小容量磁控电抗器的响应速度控制在40ms以内的成功事例很多。对于大容量尤其是超大容量的磁控电抗器，由于受磁控电抗器的结构和铁心体积的等条件的制约，提高其响应速度仍然是需要进一步研发的课题。

技术实现要素：

针对大容量磁控电抗器的结构特点，本实用新型提出了一种结构简单，励磁速度快，可靠性高等诸多优点的基于高低压双路供电的磁控电抗器快速励磁装置。

解决上述技术问题的技术方案是:

一种基于高低压双路供电的磁控电抗器快速励磁装置，其特征在于：由励磁变压器B₁、低压全波可控整流电路DC₁与高压全波可控整流电路DC₂、中和变压器B₂以及功耗电阻R、过压保护元件MOV组成，各部件的连接关系是：励磁变压器B₁的结构：励磁变压器B₁的二次绕组由一段绕组N_2-1、二段绕组N_2-2、三段绕组N_2-3、四段绕组N_2-4串联组成，二次绕组的中心抽头N₀作为可控整流电路的公共端；

低压全波可控整流电路DC₁的结构：励磁变压器B₁二次侧的一段绕组N_2-1与1#功率晶闸管VT₁相连接，二段绕组N_2-2与2#功率晶闸管VT₂相连接；

高压全波可控整流电路DC₂的结构：励磁变压器B₁二次侧的三段绕组N_2-3与3#功率晶闸管VT₃相连接、四段绕组N_2-4与4#功率晶闸管VT₄相连接；

低压可控整流电路DC₁与高压可控整流电路DC₂的连接关系:低压可控整流电路DC₁与高压可控整流电路DC₂的直流输出端相并联；

中和变压器B₂的连接关系：中和变压器B₂串联在高压双路全波可控整流电路DC₂和低压双路全波可控整流电路DC₁的直流输出端与磁控电抗器励磁绕组L_d的输入端之间；功耗电阻R、过压保护元件MOV和续流二极管VD并联在高压双路全波可控整流电路DC₂和低压双路全波可控整流电路DC₁的直流输出端；励磁变压器B₁与高压双路全波可控整流电路DC₂和低压双路全波可控整流电路DC₁及中和变压器B₂相串联。

本实用新型的有益效果：经试验测试和运行实践检验，本实用新型提出的高低压双路供电的励磁方案具有快速励磁的鲜明特点，将磁控电抗器的响应时间缩短到30ms以内，使磁控电抗器在风电无功补偿以及提升机、轧钢机等需要快速无功补偿场合的应用更具优越性。由于励磁电路只采用四只晶闸管就实现了高低压励磁输出，与双全控桥整流电路采用六只晶闸管相比，不仅减少了晶闸管的数量，降低了励磁电路的制造成本，也简化了触发信号的数量，避免了触发信号高压隔离的麻烦，使触发电路和控制电路都得到简化，提高了励磁装置的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的实施电路示意图；

图3为图1中励磁变压器的电路结构示意图；

图4为图1中中和变压器的电路结构示意图；

图5为图1中低压全波可控整流电路结构示意图；

图6为图1中高压全波可控整流电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做详细说明。

一种基于高低压双路供电的磁控电抗器快速励磁装置，如图1所示，由励磁变压器B₁、低压全波可控整流电路DC₁与高压全波可控整流电路DC₂、中和变压器B₂以及功耗电阻R、过压保护元件MOV组成：各部件的连接关系如图2所示，励磁变压器B₁的结构如图3所示：为了满足高低压双路供电的需要，励磁变压器B₁的二次绕组由四段组成，励磁变压器B₁的二次绕组由一段绕组N_2-1、二段绕组N_2-2、三段绕组N_2-3、四段绕组N_2-4串联组成，二次绕组的中心抽头N₀作为可控整流电路的公共端，一段绕组N_2-1、二段绕组N_2-2与中心抽头N₀间的交流电压u_N2-1=u_N2-2=100V，三段绕组N_2-3、四段绕组N_2-4与公共端N₀间的交流电压u_N2-3=u_N2-4=1000V。励磁变压器B₁的一次绕组电压为10kV。图中的虚线为励磁变压器B₁的静电屏蔽层，应用中将该屏蔽层接地。

低压全波可控整流电路DC₁的结构如图5所示，励磁变压器B₁二次侧的一段绕组N_2-1与1#功率晶闸管VT₁相连接，二段绕组N_2-2与2#功率晶闸管VT₂相连接；其输出直流电压约为100V，图中的L_d为磁控电抗器的励磁绕组，即为低压励磁电路的负载，将磁控电抗器的动态响应时间控制在30ms以内，实现了磁控电抗器的快速励磁。图中的二极管VD是为释放励磁绕组L_d的交流储能而设置的续流元件，电阻R是为提高励磁速度而设置的功耗元件。在交流电的一个周期内功率晶闸管VT₁和VT₂轮流导通一次，在负载L_d上得到的是经VT₁和VT₂全波整流的直流电压。

由于N_2-1绕组和N_2-2绕组的输出电压u_N2-1=u_N2-2=100V，经功率晶闸管VT₁和VT₂全波可控整流后的直流电压略低于100V。

在低压全波可控整流电路工作期间，高压全波可控整流电路中的晶闸管VT₃与VT₄始终处于截止状态，对高压全波可控整流电路没有任何影响。

高压全波可控整流电路DC₂结构，如图6所示：励磁变压器B₁二次侧的三段绕组N_2-3与3#功率晶闸管VT₃相连接、四段绕组N_2-4与4#功率晶闸管VT₄相连接；其输出直流电压约为1000V。图中的L_d为磁控电抗器的励磁绕组，即为低压励磁电路的负载。图中的二极管VD是为释放励磁绕组L_d的交流储能而设置的续流元件，电阻R是为提高励磁速度而设置的功耗元件。

在交流电的一个周期内功率晶闸管VT₃和VT₄轮流导通一次，在负载L_d上得到的是经VT₃和VT₄全波整流的直流电压。

由于N_2-3绕组和N_2-4绕组的输出电压u_N2-3=u_N2-4=1000V，经功率晶闸管VT₃和VT₄全波可控整流后的直流电压略低于1000V。

在高压全波可控整流电路工作期间，低压全波可控整流电路中的晶闸管VT₁与VT₂始终处于截止状态，对低压全波可控整流电路没有任何影响。

低压可控整流电路DC₁与高压可控整流电路DC₂的连接关系为：低压可控整流电路DC₁与高压可控整流电路DC₂的直流输出端相并联，其直流电流经过中和变压器B₂以后作为磁控电抗器的励磁电源。为了消除磁控电抗器励磁绕组感应交流电压对可控整流电路的有害影响，在本装置中引入了中和变压器B₂。该变压器由两个匝数相等绕向相反的绕组N₁、N₂与一个口字型铁心组成。N₁₁与N₂₁为中和变压器的输入端，N₁₂与N₂₂为中和变压器的输出端。由于绕组N₁与N₂的匝数相等且绕向相反，磁控电抗器励磁绕组的感应交流电压在中和变压器B₂中相互抵消，消除了磁控电抗器励磁绕组存在的交流感应高压对可控整流电路的安全威胁，而中和变压器对直流励磁电流的传输几乎没有影响，并对高低压全波可控整流电路DC₁与DC₂中的可控整流元件实施过压保护。

中和变压器B₂的连接关系如图4所示，中和变压器B₂串联在高压全波可控整流电路DC₂和低压全波可控整流电路DC₁的直流输出端与磁控电抗器励磁绕组L_d的输入端之间；功耗电阻R、过压保护元件MOV和续流二极管VD并联在高压全波可控整流电路DC₂和低压全波可控整流电路DC₁的直流输出端；励磁变压器B₁与高压全波可控整流电路DC₂和低压全波可控整流电路DC₁及中和变压器B₂相串联。用来提升励磁速度的功耗电阻R则并联在低压可控整流电路DC₁和高压全波可控整流电路DC₂的直流输出端。

在控制信号的作用下，根据磁控电抗器阻抗变化的需要，或者功率晶闸管VT₁、VT₂导通，低压全波可控整流电路DC₁向磁控电抗器的励磁绕组输出约100V的直流励磁电压，或者功率晶闸管VT₃、VT₄导通，高压全波可控整流电路DC₂向磁控电抗器的励磁绕组输出约1000V的直流励磁电压，磁控电抗器的励磁绕组则在100V或1000V的励磁电压控制下工作，有利于磁控电抗器阻抗的快速转换。

当磁控电抗器处于稳态时，晶闸管VT₁、VT₂被触发导通，而晶闸管VT₃、VT₄截止，由低压全波可控整流电路向磁控电抗器的励磁绕组L_d提供约为100V的励磁电压，以保证磁控电抗器稳态运行。

当需要增大励磁电流时，即要减小磁控电抗器的电抗值时，转由高压全波可控整流电路向励磁绕组L_d提供励磁电流。此时晶闸管VT₃、VT₄导通，而晶闸管VT₁、VT₂截止。

当需要减小励磁电流时，即要增大磁控电抗器的电抗值时，再由高压全波可控整流电路转为低压全波可控整流电路向励磁绕组提供励磁电流。高、低压全波可控整流电路的工作转换由控制系统根据网络无功补偿的数值需要进行控制。

在磁控电抗器的励磁装置中所采用的功率晶闸管一般为300A和500A，额定电压为3000V~5000V，在本实用新型中，采用的是南车株洲时代生产的KPX系列晶闸管。

消除励磁绕组两端交流电压的有效方法是通过严格控制磁控电抗器的装配工艺，将励磁绕组两端的交流感应电压降低到最低值（例如不大于10V）。除此之外，在励磁电路的直流输出端与励磁绕组的输入端之间串入中和变压器B₂，是消除励磁绕组两端交流电压的有效措施。

根据减小磁控电抗器过渡过程的原理和快速励磁原理，提出了双重励磁的电路方案，在10000kvar等大容量磁控电抗器中应用，其响应速度不大于30ms，取得了满意的励磁效果。

过压保护元件MOV的作用与压敏电阻相似，这里采用的合肥赛凯特公司生产的SKK-XN/V系列吸能式深度过压保护装置，防止意外事故引起直流电压升高而损坏功率晶闸管。

由于磁控电抗器的励磁绕组对于全波可控整流电路来说是电感性负载。为了避免失控现象的发生，并为励磁绕组储能提供释放通路，以提高磁控电抗器的动态响应速度，采用了二极管VD续流的电路方式。

并联在中和变压器N₁₁与N₂₁两端的电容器C为磁控电抗器励磁绕组L_d产生的交流感应电压提供一个释放通道，一则可以吸收一部分励磁绕组L_d两端的瞬时尖峰电压，降低尖峰电压的幅值，二则可以为中和变压器B₂提供交流旁路，降低流入中和变压器B₂的交流电流。