【正文】 6特性；第六章，結合工程應用實例，分析總結。2 磁閥式可控電抗器工作原理及特性72 磁閥式可控電抗器工作原理及特性2 Magic Valve Type Controlled Reactor Working Principle and Characteristics 工作原理（Working Principle）MCR（磁閥式可控電抗器）的主鐵心在制造時分裂為兩個芯柱：芯 A 和芯B。令芯柱橫斷面為 S，A 和 B 的橫斷面均有一面積較小部分，每個面積減小段所分隔開的兩端鐵心上繞有 N/2 匝數(shù)的線圈，在每個小段繞組各設一個繞組抽頭，使得取值為 ，每個鐵心兩端抽頭間用晶閘管 （ ）連接，不同2=N? 1K2鐵芯上的上下兩個繞組交叉連接后，與電源并聯(lián)，續(xù)流二極管則橫跨在交叉端點上 [10] [11]。在其容量內，只有較小橫斷面的鐵芯能夠達到磁路飽和，其余均因不飽和而呈現(xiàn)線性，可調節(jié)較小橫斷面鐵心的飽和度從而實現(xiàn)對電抗器容量的調節(jié)。目前，制造 MCR（磁閥式可控電抗器）的工藝簡單，經(jīng)濟可靠，可在對無功功率進行補償、提高電網(wǎng)的輸電能力、調整電網(wǎng)電壓、限制過電壓等多種場合、多個領域進行廣泛的應用。其結構電路可簡化如圖 21 所示。1K2KD1NsinmeEt????abdcefki ki39。i2A芯 芯 B圖 21 磁閥式可控電抗器結構電路Figure 21 Structure circuit diagram of magicvalve controlled reactor對圖 21 分析可以知道，如果兩個晶閘管 、 都截止，鐵芯上繞組線圈1K2對稱，則整個器件可以視作變壓器空載運行。假設我們設定電源 為正，那么e的電壓為正， 的電壓為負。如果給以信號讓 形成通路，那么 、 等電1K2K1ab位，電路的直流控制電壓( )以及電流 、 是由電源 經(jīng)變比為 的sinmEt??39。di ?線圈自藕變壓后由匝數(shù)為 的線圈得到。進而很容易得出 形成通路時的等2N1效電路如圖 22(1)所示。同樣可推導出來，如果 在電源方向為負的時候形成2K通路， 、 同電位，于是可以得出如圖 22(2)所示的等效電路 [12]。cd工程碩士學位論文8 di39。di12N2N12N2N,abcef39。i39。iii di39。di122 12N2Nef39。i39。iii,cab(1) 導通等效電路圖 (2) 導通等效電路圖1K2K圖 22 晶閘管導通等效電路圖Figure 22 Equivalent circuit diagram of thyristor conduction對圖 22 進行研究后我們知道：發(fā)出信號使 形成通路所產生的控制回路1電流 、 的方向和 形成通路時的控制回路電流 、 一致，經(jīng)一個正負交39。di2 39。di替的工頻波形周期， 、 輪流形成通路便等價于全波整流電路，中間轉換時1所需的電流由二極管 D 所形成的通路予以支持。改變 、 觸發(fā)角就能夠讓1K2控制電流隨之調整，達到調整電抗器鐵芯飽和度的目的，最終實現(xiàn)對電抗器容量連續(xù)、平滑的調節(jié)。不難得出：MCR 的工作與控制回路巧妙的集成在一起，結構變得緊湊而簡單 [13]。因此，通過上面的分析，就可以總結出 MCR 與以往所用的電抗器在結構方面異同如下 [14]：第一、鐵芯的飽和度都是由直流控制，實現(xiàn)對容量平滑、連續(xù)可調。第二、MCR 經(jīng)抽頭線圈獲得自耦電壓，經(jīng)晶閘管整流成為直流控制電源，其他飽和電抗器卻需要單獨引入直流電源才能實現(xiàn)對其控制。正由于其直流控制電流獲取途經(jīng)的差異，從而導致各自伏安特性的差異較大，磁閥式可控電抗器的伏安特性呈現(xiàn)近似的線性關系，而傳統(tǒng)可控飽和電抗器的伏安特性的非線性特征是非常明顯的。第三、磁閥式可控電抗器的工作繞組和控制繞組巧妙的設置在一起，而傳統(tǒng)可控飽和電抗器工作繞組和控制繞組卻是分離的，結構更為復雜，損耗也就很自然的較大。第四、磁閥式可控電抗器稱之為“磁閥”的原因是，其鐵心橫斷面中有一較小段，除了橫斷面較小段外的他部分都磁路不飽和而成線性，形成了特殊的2 磁閥式可控電抗器工作原理及特性9控制特性，橫斷面較小段的功能如同閥門，控制磁路。 電抗器各工作狀態(tài)之間的轉換條件及判斷（The Transition Conditions and Judgment Between Working States of the Reactor） 要 想 對 其 進 行 運 用 ， 就 必 須 先 了 解 每 個 器 件 各 自 的 工 作 狀 態(tài) 情 況 ， 器 件 所 受 電壓 、 電 流 以 及 控 制 信 號 發(fā) 出 狀 態(tài) 決 定 了 每 個 器 件 的 通 斷 情 況 。 因 此 ， 需 要 對 這 些電 壓 和 電 流 進 行 分 析 ， 才 能 掌 握 MCR 在 工 作 中 的 各 個 狀 態(tài) 是 如 何 演 變 的 [11] [14] [15]。 首先定義觸發(fā)角：假設在其工作接線兩端加上 的電壓信號，令sinmeEt??從電勢為零處到給 或者 觸發(fā)信號的時間差為 ，那么我們就把 稱1K2 t??之為 或者 的觸發(fā)角。12其次，如果 ，MCR 就相當于一臺空載運行的變壓器，因為并沒有???有效的觸發(fā)信號來驅動晶閘管的通斷，使抽頭繞組形成通路。這個時候， 關1K斷、二極管 D 通路、 關斷。 或者 的端電壓正比于電源，比值由 決定，212K?相位相差 180176。當電源 電勢為正的情況下， 兩端電壓與電源同， 兩端電壓與之相差e1 2180176。而形成反向。若在 的時候，給 發(fā)出觸發(fā)信號，這個時候它將形t???1成通路，而 關斷，二極管 D 形成通路。所以可得到式 ：2K ()1()()0ttfBf??當 形成通路后，二極管 D 關斷的時間與整個回路磁性分布情況有關，有可能會在 形成通路的時候迅速關斷，也可能會滯后一段時間，但關斷所需要1的時間很短。在此我們令從 形成通路的時候到二極管截斷這中間的電角度滯1后量為 。0??，當中間起續(xù)流作用的二極管 D 關斷后： 形成通路， 也將關斷。當電1K2源為正的時候，MCR 中的晶閘管 并沒有關斷，而 兩端電壓與電源反向，1難以形成通路，二極管 D 只可能在電源為正時間段內快結束的某一個時候形成通路，其條件為： （）12[()()]sinttmfBflEtNR???根據(jù)以上分析，磁閥式可控電抗器在正弦電壓的作用下，晶閘管 、 、1K2二極管 D 輪流導通的情況如圖 23 所示：工程碩士學位論文10sinmeEt??0?D導通導通1K?1?1??導通D1導通導通2K導通導通 2KD導通t?圖 23 磁閥式可控電抗器工作狀態(tài)變化過程Figure 23 Working process transformation of MCR由圖 23 可知， 形成通路后，二極管有兩次構成通路的時間段：一個是1K，另一個是 。在 期間， 、二極管都形成通路的時間點產生于 形成通?1?1 1K路的那一剎那，延續(xù)時間長度為 ，第二次 、二極管都形成通路的時間點產?1K生于電源為正的最后一段時間，可持有的時間為 。兩次二極管動作的時間點?由下式?jīng)Q定： （）12sinmEtFRN???明顯可以看出， 越大， 和二極管 D 都形成通路的時間段就()1K越長，反之亦然。當向晶閘管發(fā)出觸發(fā)信號時有 ，那么 完全形成通路=0??1K的話， ，這個時候 MCR 將達到最大容量， 中沒有高次分量，=2??12()FN?這個時候 ，同時可得：1max? （）4()tgr???對比較大容量的 MCR 而言，其 的取值范圍一般在 ～ 之間，?的變換范圍一般為 1176?！?176。，與 180176。相比而言是非常小的，可不予考慮。? 工作特性分析（The Analysis for Working Characteristic） 等效電路為了理論分析的方便，可將電抗器的電路進行簡單化的等效，根據(jù)磁閥式可控電抗器的電磁方程能夠看出，電磁情況在電源為正和為負時具有對稱關系。那么，只需要對它的任意一個或正或負的時間段進行研究即可，將研究得到的2 磁閥式可控電抗器工作原理及特性11各狀態(tài)簡述如下 [15]：A 狀態(tài)、 關斷、 關斷、D 形成通路；1K2B 狀態(tài)、 形成通路、 關斷、D 形成通路；C 狀態(tài)、 形成通路、 關斷、D 關斷。12對于 A 狀態(tài)( 關斷、 關斷、D 形成通路)： （）1221()ddRFtN???整理后得到： （）1212()()0dBAt??令： （）12dFiN??則上式()可寫為 : （）12()02dBdRiAt??對于 B 狀態(tài)而言（ 形成通路、 關斷、D 形成通路）：K2 （）12()dNitd?對于 C 狀態(tài)（ 形成通路、 關斷、D 關斷)：2 （）12sin()(11mdBdRNEtiAt???????由以上公式可以把 MCR 的直流控制回路用圖 24 右側來進行等效，在圖中： （）1()0Kt????導 通截 止很明顯，在晶閘管 單獨形成通路時，控制回路可等效成：內阻為，直流電源為 的電路；但是 關斷時，整(1)R??()sin/(1)dmEtt?????1K個控制回路中的電流將由二極管支路來提供。再深入對工作回路進行研究，其狀態(tài)分析如下：A 狀態(tài)( 、 關斷，D 形成通路)：1K2 （）122sin()mddEtdBRFtNA????整理后有： （）1212sin()()2mdBttN?工程碩士學位論文12令 （）12dFiN??則式()可寫為： （）12sin()2mdBREtAit??B 狀態(tài)（ 形成通路、 關斷、D 形成通路）：1K （）12si()mdNt it?C 狀態(tài)（ 形成通路、 關斷、D 關斷)：1 12sin()2dBREtAit??根據(jù)以上公式 MCR 工作回路可用圖 24 左側來等效。 sin()1mdEtKt????sinmeEt?? D221R??????R12BNN圖 24 MCR 的簡化等效電路Figure 24 Equivalent circuit diagram of MCR所以，MCR 可以用圖 24 所示的左邊工作回路順向串聯(lián)、右邊控制回路反向串聯(lián)的電路來進行等效。 伏安特性根據(jù)前面分析，MCR 的伏安特性曲線自然也可以從其磁路方程推導出來。從圖 25 可以看出： 它的伏安特性在不同的電流電壓標幺值之下，呈不同斜率的直線，所以可以看作接近線性關系，可以注意到各個斜線并非從坐標原點出發(fā)，對工頻參數(shù)運行時所產生的諧振有抑制作用 [14] [15] [16] [17] [18]。2 磁閥式可控電抗器工作原理及特性13??14?08?7236?0?/U?標 幺 值/mI?標幺值圖 25 MCR 伏安特性Figure 25 Currentvoltage characters curve of MCR 諧波特性根據(jù)前面介紹的可控電抗器結構特性，可以推導出如下關系 [14] [15]［19］ 。 1221()()Btt????????（）一般情況下， 、 為非正弦，假定 為：2B1B 111233()cos()cos()cos()dmmmtttt?????????????? ?（）則 可寫為：2B ()112233()s()s()s()dmmmtttt?? ? ?由圖 24 可知，控制回路繞組的感應電勢可用下式描述： () 1122244()[4sin()8sin()]2ddmmBeAttNtt?????????? ?由此可以說明，因 MCR 的控制回路可以用圖 24 右側反向串聯(lián)來等效，那么它的奇數(shù)次諧波可以自行消除，從而實現(xiàn)減弱感應電勢的效果，剩下的主要工程碩士學位論文14為偶次分量。要是不考慮圖 24 中工作回路的內部阻抗，那么公式() 可以寫成如下形式： ()12sin()2mdBNEtAt???進而可以得到：