一種齒形磁楔快速可調(diào)電抗器

魏新勞+王夢(mèng)嬌+官瑞楊

摘要：針對(duì)一般磁楔電抗器無(wú)法快速改變電抗值的問(wèn)題，提出了一種新型可調(diào)的齒形磁楔式電力電抗器，與一般磁楔電抗器相比，這種電抗器可以通過(guò)成倍地減小調(diào)節(jié)距離來(lái)成倍地提高調(diào)節(jié)速度，以一臺(tái)設(shè)計(jì)制作的220 V、8 kVar齒形磁楔電抗器樣機(jī)為研究對(duì)象，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，建立了該電抗器的三維磁場(chǎng)模型，計(jì)算磁楔在兩個(gè)極限位置時(shí)的電抗器磁場(chǎng)分布，應(yīng)用ANSYS的LMATRIX宏命令計(jì)算該電抗器的電感調(diào)節(jié)特性。研究結(jié)果表明：該電抗器與一般磁楔電抗器相比，不僅可以提供相同的電感調(diào)節(jié)特性，而且具有數(shù)倍的電感調(diào)節(jié)速度。

0引言

在電力系統(tǒng)中，電抗器是一種重要的電氣裝置，廣泛的應(yīng)用于限制工頻過(guò)電壓、消除發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁、限制操作過(guò)電壓、線路容性充電功率、潛供電流抑制、限制短路電流和平波等。電抗器按特性分為固定電抗器和可調(diào)電抗器。固定電抗器在工作過(guò)程中電抗值保持不變，而可調(diào)電抗器在工作過(guò)程中可以根據(jù)實(shí)際需要改變電抗值。

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和對(duì)電抗器性能要求的提高，實(shí)際中希望電抗器的電抗值可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)或控制，如用于配電網(wǎng)中自動(dòng)消弧線圈的電抗器、用于故障限流的可控串聯(lián)電抗器、用于超（特）高壓輸電線路限制容升和無(wú)功補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)高壓電抗器等。這些可調(diào)電抗器作為特殊的電抗器，可根據(jù)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)自身容量，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓和控制無(wú)功功率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并改善電能質(zhì)量。可調(diào)電抗器分為：氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器、晶閘管控制電抗器、磁控電抗器、PWM控制電抗器和超導(dǎo)可調(diào)電抗器。與其他類型可調(diào)電抗器相比，傳統(tǒng)的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制，不產(chǎn)生諧波。作者研究的可調(diào)電抗器是一種新型的調(diào)氣隙式可調(diào)電抗器。

傳統(tǒng)的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器動(dòng)鐵心與固定鐵心豎直相對(duì)，通過(guò)改變動(dòng)鐵心與固定鐵心的豎直距離，改變氣隙大小，從而改變電抗器的電感值。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖然可以實(shí)現(xiàn)電感值的連續(xù)無(wú)級(jí)可調(diào)，但是在調(diào)節(jié)過(guò)程中，由于動(dòng)鐵心移動(dòng)方向與主磁通流通方向重合，動(dòng)鐵心會(huì)受到較大的電磁吸力，加上其自身重力也很大，因此電感的調(diào)節(jié)速度非常慢，甚至導(dǎo)致電感量與氣隙距離關(guān)系重復(fù)性差。此外，動(dòng)鐵心受到很大的交變電磁力作用，其使用過(guò)程中振動(dòng)、噪聲較大。

為了解決傳統(tǒng)的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器存在的問(wèn)題，本文部分作者曾發(fā)明了一種新的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器——磁楔調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器，并且取得了專利授權(quán)。本文把這種電抗器稱為一般型磁楔調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器。通過(guò)磁楔的抽出和插入就可以改變磁路的磁阻，從而改變電抗器的電感量。因?yàn)榇判ǖ暮穸葍H僅等于最大氣隙的寬度，因而，與傳統(tǒng)的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器相比，可動(dòng)部分的體積和重量大大減低，因而可以獲得更快的調(diào)節(jié)速度。另外，與傳統(tǒng)的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器相比，在調(diào)節(jié)過(guò)程中所需要的機(jī)械調(diào)節(jié)力很小。由此帶來(lái)了比較小的噪聲和重復(fù)性好的電感一間隙調(diào)節(jié)特性。

雖然這種電抗器已經(jīng)具備了比傳統(tǒng)的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器更快的調(diào)節(jié)速度，但是，仍然有可以進(jìn)一步改進(jìn)的地方。這正是本文所要研究的主要內(nèi)容。

1齒形磁楔快速可調(diào)新原理的提出

對(duì)于一般型磁楔調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器，只有當(dāng)磁楔完全被抽出后，磁路的磁阻才能達(dá)到最大，只有當(dāng)磁楔完全插入后，磁路的磁阻才能達(dá)到最小。雖然該種電抗器的可動(dòng)部分的體積和重量都遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器，但其可動(dòng)部分的實(shí)際調(diào)節(jié)行程在許多情形下可能比傳統(tǒng)氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器的調(diào)節(jié)行程長(zhǎng)，從而降低了該種電抗器的電感量調(diào)節(jié)速度。

為解決這一問(wèn)題，作者進(jìn)一步提出了一種新型磁楔可調(diào)電抗器——齒形磁楔可調(diào)電抗器。其原理如圖1所示。

圖1中，磁楔被設(shè)計(jì)成齒形結(jié)構(gòu)，且齒的寬度小于槽的寬度，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于：磁楔的實(shí)際行程只需要達(dá)到單個(gè)齒和單個(gè)槽寬度和的一半，即可使磁路的磁阻從最大值（最小值）變化到最小值（最大值）。圖2中給出了齒形磁楔的兩個(gè)極限位置。