專利名稱:帶空氣隙的自控可變電抗器的制作方法
本發(fā)明涉及一個電力設(shè)備，即一種類型的可變電抗器，它包括有三芯柱磁芯，交流供電的初級線圈(或稱輸入線圈)，以及一個直流控制回路。
一般，作可變電抗器用的初級線圈至少包括一個交流供電線圈，交流電流在三柱磁芯的二個磁柱中感應(yīng)相同密度的交變磁通。另一方面，向控制電路提供直流電流，它在這二個芯柱內(nèi)感應(yīng)相同密度的直流磁通。交流和直流磁通在兩個芯柱之中的一個助磁而在另一個中減磁，無論交流電流正、負(fù)半波都是如此。在兩芯柱中的每一個磁柱中感應(yīng)的直流磁通的作用，是使磁芯過飽和或欠飽和，確定交流磁導(dǎo)率，可以確定初級線圈電抗，通過對控制電路直流電流幅值的改變，致使改變在兩個芯柱中感應(yīng)出的直流磁通密度，就可以改變電抗值。人們已經(jīng)提出調(diào)節(jié)直流電流數(shù)值的一個復(fù)雜系統(tǒng)，可獲得一個理想工作特性的可變電抗，有些系統(tǒng)將初級線圈的交流電流進行整流，并將該整流后的電流提供給控制回路。
現(xiàn)有的這些可變電抗器所具有的缺點是工作特性不穩(wěn)定，如對于磁芯材料的固有特性，磁芯構(gòu)造的變化，由于受熱或磁芯內(nèi)最微小的位移，電源頻率等對電抗值的影響都是很敏感的。另外，現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計的這種電抗器不能獲得初級線圈在交流變化范圍內(nèi)的最佳工作狀態(tài)。因此，在初級線圈給定電壓時端壓微小的變化可變電抗無功功率的響應(yīng)特性不好。而這種特性在交流調(diào)節(jié)時是很重要的。
因此，本發(fā)明基本出發(fā)點在于在二個芯柱中均引入氣隙來消除上述各種缺點，而二磁柱中的交流和直流磁力線是同向或反向的。
更具體地，本發(fā)明提出的可變電抗器，包括三芯柱的磁芯，其中每一個都具有首端和末端，所有首端通過磁芯的首端公共點相互連接，所有的末端通過磁芯的末端公共點相互連接;交流供電的初級線圈;控制線圈以及向控制線圈提供直流電流的裝置，所提供的直流幅值是隨可變電抗器的參數(shù)而異。
初級線圈和控制線圈根據(jù)磁芯配備，以便交流電流和直流電流在第一個磁柱中感應(yīng)出的交、直流磁力線分別在交流正，負(fù)半波內(nèi)是同向或是反向。
而在這二芯柱中，當(dāng)交流電流分別在正，負(fù)半波時交流磁通和直流磁通是相互反向或同向的。
在第一和第二芯柱內(nèi)分別感應(yīng)的直流磁通，其磁密隨直流電流變化而異，從而改變初級線圈的感抗。
第一芯柱中感應(yīng)出的合成磁通，穿過第一個芯柱和氣隙，而第二芯柱中感應(yīng)出的合成磁通穿過第二個芯柱及其氣隙。
根據(jù)發(fā)明的最佳實施例，電參數(shù)即為向初級線圈供電的交流電流幅值，而直供電裝置包括一個二極管橋式電路，該電路將初級線圈和控制線圈相互串聯(lián)，對流過初級線圈的交流電流進行整流并向控制線圈提供整流電流(自控操作)。
根據(jù)本發(fā)明的另一最佳實施例，初級線圈包括相互串聯(lián)的第一繞組和第二繞組，分別繞在第一和第二芯柱上，并供以交流電，這樣該交流電即在第一芯柱中感應(yīng)出第一交變磁通，在第二芯柱中感應(yīng)出第二交變磁通，該第一和第二交變磁通在上述三芯柱的第三芯柱中彼此同向。而控制線圈包含一個附加在第一繞組上的第三繞組和一個附加在第二繞組上的第四繞組，第三和第四繞組相互串聯(lián)，分別繞在第一和第二芯柱上，并供以直流電流，這樣，該直流電流便感應(yīng)直流磁通，該磁通在由第一和第二芯柱所確定的磁路內(nèi)成回路。
較為可取的是，第一和第三繞組繞在第一芯柱上，這樣第一芯柱上的氣隙位于第一和第三繞組的中央，而第二和第四繞組也繞在第二芯柱上，第二芯柱上的氣隙位于第二和第四繞組的中央。
可變電抗器可包括在磁芯繞上一個通以直流的偏流線圈，也可包括一個定值電抗器與一控制線圈串聯(lián)。
本發(fā)明的目的，優(yōu)點及其它特點將通過參考附圖所給出的最佳實施例會更明顯。其中圖1a)表示按本發(fā)明帶氣隙的自控可變電抗器，該電抗器包括三芯柱磁芯。
圖1b)表示圖1a)中電抗器磁芯的三芯柱截面圖的一種。
圖1c)為圖1a)中帶空氣間隙的自控可變電抗器的等值電路;
圖2，3，4和5表示圖1a)的可變電抗器不同工作的實際曲線和理論曲線。
圖6a)和6b)對等值電路加以說明，即1a)中可變電抗器的工作特性可以由附加元件來調(diào)正。
圖7表示按本發(fā)明將電抗器磁芯的兩個芯柱上線圈特殊布置;
圖8a)，8b)，8c)表示如何對電壓調(diào)整器用的可變電抗器的工作特性進行調(diào)節(jié)。
圖9表示在架空網(wǎng)絡(luò)上，由電容耦合用可變電抗器來調(diào)整交流供電電壓的情況。
如附圖1a)所說明的，包括由標(biāo)號1表示的磁芯，磁芯由中央芯柱2和外側(cè)芯柱3和4組成，為了使磁芯1結(jié)構(gòu)上方便，三個芯柱都基本安裝在一個平面上。三個芯柱首端通過公共點34相連，其尾端通過公共點35連接，磁芯由疊片方便地構(gòu)成，疊片平行布置于三個芯柱所在的平面上。這些疊片用圖1b)上的標(biāo)號20表示，圖1b)表示芯柱2到4沿圖1a)中A-A軸線所作的截面圖。
當(dāng)然，磁芯1各個芯柱疊片20的數(shù)量和厚度要根據(jù)磁芯的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來選擇。
正如圖1b)所述，中央芯柱2和外側(cè)芯柱3和4，每個具有交叉截面，截面幾乎是環(huán)形并具有相同面積。
雖然外側(cè)芯柱3，4的橫截面具有相同面積是很重要的，但是中央芯柱2的橫截面可以等于或大于芯柱3，4的面積，該三芯柱2，3和4的截面也可以是方形或矩形。
有必要進一步說明，由磁鋼或其他磁性材料構(gòu)成磁芯的鋼片20在磁化曲線上具有拐點是很重要的。
為了避免在疊片20的連接區(qū)域內(nèi)具有局部飽和現(xiàn)象，(這種現(xiàn)象會矯直磁化曲線的拐點)，疊片20至少分三個階梯角45°相接，圖1a)上的5，6兩處作為例子說明。
現(xiàn)在再回到圖1a)磁芯的外側(cè)芯柱3，在其中間有一個氣隙7，同時外側(cè)芯柱4在其中間有一個氣隙8，這二個氣隙7，8具有相同長度。
第一線圈1在此簡稱為“初級線圈”，是通過交流電源9供電的，第一線圈是由繞在外側(cè)芯柱3上的第一線圈10a和繞在外側(cè)芯柱4上的第二線圈10b組成。還有控制線圈是由疊加在線圈10a上的11a和疊加在線圈10b上的11b所組成。將具有相同匝數(shù)的線圈10a和10b串聯(lián)，并將具有相同匝數(shù)的線圈11a和11b也串聯(lián)。線圈10a和10b最好是沿外側(cè)芯柱3環(huán)繞，以使氣隙7位于它們的中心，用同樣方式，線圈10b和11b沿外側(cè)芯柱4環(huán)繞，以使氣隙8置于它們的中心。線圈的這種布置是有好處的，因為它可以顯著地減少在空氣隙中的漏磁。
一個含有四個二極管的全波整流橋12將通過初級線圈的交流電流進行整流，供給控制線圈裝置，從而自動控制可變電抗器在此，將整流后的電流簡稱為“直流電流”。
實際上，整流橋12在電源9端之間把初級線圈以及控制線圈直接串聯(lián)，以使初級線圈的交流電流被整流來供給控制線圈裝置。因此，流過串聯(lián)線圈1a和1b的直流電流的幅值是流過串聯(lián)線圈10a和10b中交流電流的函數(shù)。
線圈11a和11b的極性及其串接都必需這樣選擇;即控制線圈裝置中的直流所感應(yīng)出的直流磁通沿著外側(cè)芯柱3和4成固定的閉合磁路流過。因此，在中央芯柱中不產(chǎn)生直流磁通。在兩外側(cè)芯柱3，4內(nèi)，由線圈11a和11b產(chǎn)生的直流磁通分別由箭頭13，14表示。這種感應(yīng)磁通的作用是使磁芯1過飽和或欠飽和。因此，初級線圈的阻抗減少，而通過初級線圈的交流電流就增加，直到達(dá)到穩(wěn)定值。
通過初級線圈的交流電流值在每一時刻都為正值，線圈10a和10b分別產(chǎn)生由箭頭15和16表示的交流磁通。交流磁通15和16在中央芯柱2內(nèi)由17所示是相助的。
直流磁通13和交流磁通15彼此反向，以便在外側(cè)芯柱3內(nèi)產(chǎn)生由箭頭18所示的合成磁通。相反地，直流磁通14和交流磁通16在外側(cè)芯柱4內(nèi)同方向，后者由箭頭19表示。
當(dāng)然，當(dāng)電源9的交流電流在正半波時，交流磁通和直流磁通如上所述疊加。很容易理解，同樣情況下，當(dāng)通過線圈10a和10b的交流電流為負(fù)半波時，就會產(chǎn)生相反現(xiàn)象，在外側(cè)芯柱3，4中由線圈10a和10b感應(yīng)出的交流磁通具有相反的方向。
應(yīng)該指出的是既使磁芯1的中央芯柱2與外側(cè)芯柱3和4的橫截面一樣時，由于前面所述磁通的分布，剩余磁通以及磁芯的其它芯柱在飽和時產(chǎn)生的漏磁不得進入中央芯柱2，因此，中央芯柱2實際上達(dá)不到飽和。
圖1c)表示為圖1a)的帶有氣隙的自控電抗器的等值電路圖。初級回路(包括串聯(lián)連接的線圈10a和10b)的阻抗可用電阻Rp和電抗WLp串聯(lián)表示，而控制回路(串聯(lián)的線圈11a和11b)的阻抗可以由電阻Rs和電抗WLs串聯(lián)表示，這里L(fēng)p是包括串聯(lián)線圈10a和10b的初級回路的電感值，LS是串聯(lián)線圈11a和11b的電感值，并且W是初級線圈中交流電流頻率f的角頻率2πf。ip是經(jīng)過初級線圈的交流電流，is是流過控制線圈的直流電流，它是由電流ip流過整流橋12整流獲得。應(yīng)該指出的是，電流is總是和經(jīng)過整流橋12整流的電流同向，角標(biāo)p與初級線圈裝置有關(guān)，而角標(biāo)s與控制線圈有關(guān)。
如圖1c)所示，控制線圈11a的匝數(shù)是初級線圈10a匝數(shù)的n倍，n稍大于1。同樣地，線圈11b的匝數(shù)是線圈10b匝數(shù)的n倍。
由于控制線圈11a和11b與初級線圈10a和10b的匝數(shù)比n稍大于1，并且流過線圈11a和11b的整流后的控制直流電流is總是等于或大于交流電流ip的幅值，在每個外側(cè)芯柱3或4中的合成磁通總具有相同極性，即由直流電流is感應(yīng)的相應(yīng)磁通決定的極性(見圖1a)的箭頭18和19)后面將描述沒有偏流線圈的情況。
外側(cè)芯柱3的磁路與外側(cè)芯柱4相同，在兩個芯柱中磁通也是相同的，但在相位上差180°。由于磁通是按局部磁滯回線在每個芯柱內(nèi)產(chǎn)生，所在可變電抗器對有效電流i的曲線上，電流上升和下降是不相同的。圖2描述該局部磁滯回線。
從is＝ip＝imax開始，imax是交流電流ip的峰值，當(dāng)交流電流趨向于一imax時，外側(cè)芯柱3和4之一中的磁通f1＝(nis+ip)減少。與此同時，按不同曲線在趨于磁通值f2＝〔(n+1)imax〕附近，在另一外側(cè)芯柱中磁通f2(nis-ip)增加。因此，圖2的局部磁滯回線在電流值(n-1)imax和(n+1)imax之間。ic表示矯頑磁性電流而fr表示合成磁通。
在如下解釋中，將使用部分非線性理論典型曲線。同時，也將簡要討論考慮其真實情況曲線如何對所得結(jié)果(即局部磁滯回線和磁化曲線的拐點)進行修正。
圖3闡述非線性磁化曲線部分情況，它表示高壓f(i)和電流i的關(guān)系。f(i)是在頻率f時為獲得電感值B所要求的交流電流ip的峰值電壓，根據(jù)關(guān)系式f(i)＝NωβA，這里W已經(jīng)確定N是交流電流通過的線圈的匝數(shù)，A是用以提供磁通通路的磁芯的有效橫截面。對于帶氣隙的自控可變電抗器的運行要得到盡可能接近圖3的曲線是容易做到的。
圖3中i＝0到i＝i0之間的上半曲線的第一直線段具有斜率WL1，第二直線段具有斜率WL2，因此，i大于i0，i0為對應(yīng)圖3拐點的電流。
可變電抗器在穩(wěn)定運行的特性，引人注目的是其工作峰值電壓V0及對應(yīng)的峰值電流imax，考慮到電阻RS和RS與無功WLp+2WL2和WLS+2nWL2比較可忽略不計，考慮到當(dāng)二極管在零相位角導(dǎo)通時的端電壓和可變電抗器的工作峰值電壓相比可忽略不計，磁通f1(nis+ip)的減少等于磁通f2(nis-ip)的增加，即沒有磁滯回線，那么就可以用數(shù)學(xué)方法描述，在穩(wěn)態(tài)運行和形成兩個直線段的磁化半曲線的情況，如圖3所示，峰值電壓V0對峰值電流imax形成三個具有不同斜率的直線段，圖4就是用來描述V0對imax的曲線。
圖4的上半曲線的第一直線段，0≦imax≦i0/(n+1)的斜率為(WLp+2WL1)，因此按這一斜率電壓V0從0上升到(WLp+2WL1)·i0/(n+1)。
圖4的上半曲線第二直線段i0/(n+1)≦imax≦i0/(n-1)的斜率為m＝〔(WLp+WL1+WL2)-n(WL1-WL2)〕(1)
因此，工作峰值電壓V0沿直線段，電流imax按斜率m從i0/(n+1)到i0/(n-1)，電壓V0從V0＝(ωLp+2ωL1)i0/n+1到V0＝(ωLp+2ωL2)·i0/n-1在電流imax≧i0/(n-1)的范圍內(nèi)，圖4的半曲線的第三段的斜率(ωLp+2ωL2)，根據(jù)該斜率，電壓V0隨imax的函數(shù)發(fā)生變化。
圖4的半曲線的不同斜率的直線段表明電抗器的工作峰值電壓V0隨著初級線圈的輸出電抗(ωLp)變化而不決定控制線圈的電抗ωLS。這一結(jié)論是完全通用的并且適用于如圖3所示的典型磁化曲線和圖2所示局部磁滯回路。
從斜率m的表達(dá)式中，可以看出適當(dāng)?shù)剡x擇匝數(shù)n可以任意改變電壓對電流的斜率，因為電流imax處于i0/(n+1)和i/(n+1)之間。
實際上是因為(ωLP+2ωL1) (i0)/(n+1) =(ωLP+2ωL2) (i0)/((n-1))即因為n= ((ωLP+ωL1+ωL2))/((ωL1-ωL2)) (2)
斜率m等于零，而且電壓值是一常數(shù)，從圖4的中間直線段的電流imax的關(guān)系中可以得到這一電壓值，即V0＝(ωL1-ωL2)i0。
應(yīng)該注意到電壓值V0＝(ωL1-ωL2)i0與在圖3的縱軸f(i)和斜率為ωL2的線段的延長線的交點相對點。
當(dāng)需要獲得正或負(fù)的斜率m，完全可以適當(dāng)?shù)匦拚粋€匝數(shù)比n。斜率對比值n的敏感性就像(ωLp+2ωL)/(ωLp+2ωL1)一樣小，即使斜率m被修正，圖4的縱軸V0和半曲線中心直線段的延長線的交點總是一個。應(yīng)該注意在圖4下半曲線上也會出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。
以圖3為例子用數(shù)學(xué)的方法建立的連續(xù)富里葉表達(dá)式來表示可變電抗器的初級線圈中的交流電流ip，這就可能得到這個電流ip的諧波分量的表達(dá)式。在電流ip范圍的兩端，即0≦imax≦i0/(n+1)和imax≧i0/n-1，ip是正弦的，因此僅含有基頻。因此，在這電流范圍的兩端區(qū)間內(nèi)可以對電流ip進行諧波分析。這種分析表明除電流ip在峰值時可以由下式表達(dá)im a x=i0n 〔1-n(ω L1-ω L2)ω LS+n2ω L2+n2ω L1〕]]>
以外電流具有高次諧波分量。在這個區(qū)間范圍以外，電流是完全正弦的。這些結(jié)果很重要，實際上，當(dāng)給定峰值電流imax，電壓V0的幅值如上所述取決于ωLS，有可能通過精確調(diào)節(jié)ωLS來修正電流波形而獲得正弦波，當(dāng)電流imax和電壓V0予先選定時，在正常運行情況下要求限制諧波，這種方法可以特殊使用。電抗ωLS的值可以通過引入一個具有固定值電感22到控制電路，即線圈11a和11b串聯(lián)來調(diào)節(jié)，如圖6a)所示。如果還不滿足要求，可以采用濾波的方法，在一個三相系統(tǒng)中所可以采取一定的結(jié)線方式，例如根據(jù)本發(fā)明三個帶有空氣隙的自控可變電抗器接成三角形。
由于不可能獲得一個真正如圖3所示為例子的磁化曲線，也不可能獲得一個真正的如圖4所示的電壓V0與電流imax的關(guān)系曲線，為了將它更好用于實際，在此簡單討論對理論進行修正。
如上面所述，磁通不是遵循典型磁化曲線1而且按上限為(n+1)imax，下限為(n-1)imax的局部磁滯回線變化，同時，在外側(cè)芯柱之一內(nèi)的磁通從對應(yīng)于深度飽和的最大值(n+1)imax減少到較小值，在另一個外側(cè)芯柱的磁通(n-1)imax，從其值為(n-1)imax向(n+1)imax增加。即使，磁通值(n+1)imax與典型磁化曲線上的值相一致，認(rèn)為沒有明顯錯誤，這個結(jié)論不適用于磁通值(n-1)imax，該值與具有上限為(n+1)imax的交流ip的頻率下磁滯回路上的磁通減少相對應(yīng)。要想精確地預(yù)計磁通在(n-1)imax的值是困難的，因為這一磁通值對于芯1的疊片20的配置，磁性材料的質(zhì)量，線圈發(fā)熱產(chǎn)生的任何位移，在(n+1)imax時磁通值，甚至與頻率的關(guān)系等因素的影響都是敏感的，正如我們將要詳細(xì)討論，空氣隙7和8被加入磁芯的兩個外側(cè)芯柱3，4中，這是為了減小各種缺陷和在確定的電壓下提高電抗器的調(diào)壓范圍。當(dāng)用氣隙來減小斜率ωL1時，上述的影響因素即使不采取措施消除的話，也可以顯著的得到改善。另一個值得考慮的問題是要得到在電流ip的頻率下一定飽和度的矯頑電流ic值。另外，當(dāng)具有氣隙時，剩磁導(dǎo)致低于斜率ωL1。圖5表示一個新的用簡單的方式考慮剩磁和矯頑磁場修正的磁化曲線。這里，剩磁引起的影響是促使飽和有繼續(xù)增加的趨勢，因此增加斜率ωL1所產(chǎn)生的影響可被忽略。
一個適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)表明具有氣隙的可變電抗器由于矯頑磁場，其工作峰值電壓V0對于電流imax減少(ωL1-ωL2)ic，該數(shù)學(xué)推導(dǎo)也同樣適用于圖4上半曲線的中間電流范圍，它變成(i0-ic)/n+1≦imax≦(i0-ic)/n-1同樣，對于其它表達(dá)式中的i0也用i0-ic代替。這里應(yīng)該注意到，在此，沒有將電抗器沿磁滯回線的工作引起的對電流波形修正考慮過去。
圖6a)和6b)表示偏置線圈，它含有分別繞于外側(cè)芯柱3，4上的線圈23a和23b。這兩個線圈23a和23b串聯(lián)連接，并且用與控制線圈11a和11b相同方式繞于芯柱3，4上，為的是響應(yīng)偏置直流電流而產(chǎn)生流經(jīng)外側(cè)芯柱3，4所確定的閉合磁路的直流磁通。根據(jù)電流ip01的方向，這個磁通與由線圈11a和11b產(chǎn)生的直流磁通可能同方向也可能反方向。這些線圈23a和23b，如圖6a)所示可以由一個可變直流電流源24或可變直流電壓源通過電阻25提供電源。在這個電路中增加一個附加的電感線圈給23a和23b提供一個更穩(wěn)定的直流電流是適當(dāng)?shù)?。另一種可能就如圖6b)所示，在磁芯1上配置附加線圈裝置，它包括分別繞在芯柱3和4上的線圈26a和26b，并且它產(chǎn)生一個電流由二極管27和28整流并經(jīng)過可調(diào)電阻29供給線圈23a和23b，該可調(diào)電阻用來調(diào)節(jié)整流后電流的幅值，從而供給線圈23a和23b直流電流ip01。也可以加入一個附加的電感線圈30來產(chǎn)生一個更穩(wěn)定的直流電流ip01。這個偏置電流ip01和矯頑電流ic的方程等效。由于它可以具有兩個極性中的任意一個，那么它可以用來抵消矯頑電流ic的影響或通常將工作峰值電壓調(diào)節(jié)到需要值。
為了提高波形的質(zhì)量，不同的線圈有效地疊加在芯柱3，4上，如圖7所示，以使氣隙置于它的中間，偏置線圈23a首先纏繞在芯柱3上，再繞線圈26a(如果有的話)，然后按初級線圈10a和控制線圈11a次序纏繞。相應(yīng)地，偏置線圈23b首先纏繞在芯柱4上，再纏繞線圈26b(如果有的話)，然后按初級線圈10b和控制線圈11b的順序纏繞。
在使用如圖3所示的典型曲線，磁化曲線的半曲線由兩個斜率為ωL1和ωL2的直線段表示。因此，當(dāng)電流(n+1)imax超過電流i0，然后(n-1)imax超過相同的電流值，這樣會引起電壓V0對電流imax表達(dá)式的突變。實際上，磁化曲線的拐點總是園滑的，當(dāng)(n-1)imax從斜率ωL1變到斜率ωL2，磁化曲線將產(chǎn)生類似園滑的拐點。另一方面，當(dāng)電流(n-1)imax進入這個范圍，將產(chǎn)生反向園滑拐點(inVerse rounded knee)。在很大程度上后者拐點的園度稍比前者大，由于n稍大于1，(n-1)imax隨電流imax增加緩慢。這兩個園滑拐點，特別是后者具有減小電流imax的變化范圍的效果，該電流是電壓V0的函數(shù)，這一點可以從圖4半曲線中斜率為m的中間段得到證實。這就是如上所述的為什么要使用其磁化曲線具有突變拐點的磁性材料是合理的原因。甚至為避免該拐點整直，需要合理地構(gòu)成芯子1及疊片20的連接。
現(xiàn)在將更詳細(xì)地檢查氣隙7和8的效果。在外側(cè)芯柱3，4中的每一個中引入一個相同的氣隙來減小圖3所示磁化曲線的斜率ωL1和ωL2和圖2所示的局部磁滯回線，具體地，減小出現(xiàn)在低電感應(yīng)值的大斜率，即ωL1。
合適的近似式如下所示
這里ωL是繞在磁芯的芯柱3或4上線圈的電抗(歐姆)，N是該線圈匝數(shù)。Af是芯柱(3或4)的有效截面，a是氣隙的長度(米)，lf是與芯柱3或4有關(guān)的磁路長度(米)，ω是角頻率，μair等于4π×10-7及μf/uair是構(gòu)成磁芯的磁性材料的相對磁導(dǎo)率。
當(dāng)達(dá)到深度飽和，很明顯，它是在空氣中的線圈電抗。螺線圈的情況下這個電抗可以等于下面的近似式ωL= (ω2.2×10-6Dm2·N2)/(Dm+2.21)這里，ωL是線圈在空氣中的電抗(歐姆)，Dm是線圈平均直徑(米)，l是線圈(螺母管)的長度(以米計算)，其它參數(shù)前面已確定，更精確的計算公式有時也需要。
事實上，后者電抗是用來計算imax≧i0/(n-1)時電壓V0對電流imax的變化，而第一表達(dá)式在imax≦i0/(n+1)區(qū)域內(nèi)適用。
引入氣隙比任何修正的局部磁滯回線都具有優(yōu)越性，它大大降低電抗器的敏感性，事實上，當(dāng)斜率很陡時，很輕微的曲線變化可能造成(n-1)imax處的磁通的重大變化。由于氣隙大大降低電抗ωL1，這種現(xiàn)象將減弱。相應(yīng)地，可以從上述方程(1)，(2)中看出，要獲得一個給定的靜態(tài)特性，對匝數(shù)n的調(diào)節(jié)將不是關(guān)鍵性的。所以，在外側(cè)芯柱3和4中引進氣隙能更好地控制自控電抗器的工作特性，因此，可以得到具有類似特性的電抗器，并且，可以調(diào)節(jié)它，以獲得一個更大的電流變化范圍，所以，對于電壓的輕微變化及在一個預(yù)定的電壓值下的變化，該電抗器能吸收無功功率。而真正地，現(xiàn)有技術(shù)所存在的主要缺點正是可變電抗器在該電壓值下運行時，其參數(shù)調(diào)整太困難。
所以，適當(dāng)選擇氣隙的尺寸可以掩蓋由于磁芯1結(jié)構(gòu)或疊片20的質(zhì)量的變化而造成的微小差異。
然而，帶氣隙的電抗器與已知的可變電抗器相比具有在其電流ip中含有高諧波分量的缺點。但是，具有定值22(圖6a)的電抗器可以在運行點獲得一個正弦電流ip。如前所述，在一個三相系統(tǒng)中，濾波或接成三角形接法可以減少諧波量。
在此應(yīng)當(dāng)注意，即使在飽和狀態(tài)下，與無功電抗相比，電阻仍然很低。因此，這些電阻的影響以及由于各種繞組升溫，阻值增加的影響均可忽略不計。
瞬時響應(yīng)，更確切地說是響應(yīng)時間將在下面簡略地討論。
對于電流范圍imax≦i0/(n+1)，適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)式表示為如果電抗器工作在峰值電壓V0，并且其初始峰值電流是imax＜i0/(n+1)，當(dāng)電壓突然增加△V，半個周期后的電流(其ωL1很大，而n稍大于1)接近于最終值。
對于電流范圍在i0/(n+1)≦imax≦i0/(n-1)，與(ωLs+ωLp+4ωL2)一樣快的響應(yīng)時間較短。
大家知道，大的ωLs值會增加轉(zhuǎn)換所需的時間。所以，引入具有定值的電感線圈22會增加響應(yīng)時間。然而，后者保持穩(wěn)定。
最后，在電流imax≧i0/(n-1)的范圍內(nèi)，與(ωLs+2n2ωL2)一樣迅速的響應(yīng)時間，其值接近于(ωLP+2ωL2)值。
在所有情況下，響應(yīng)時間很短，即大約為半個周期。
在這里能很方便地想到某些應(yīng)用需要將根據(jù)本發(fā)明的帶有氣隙的自控可變電抗器分別與電感線圈32，電容器33，或具有定值的電感線圈36與電容器37串聯(lián)相并聯(lián)，如圖8a)至8c)所示，以便獲得全系統(tǒng)理想的工作特性。
根據(jù)本發(fā)明，帶有氣隙的自控可變電抗器在圖4所示，斜率為m的曲線段上的電壓給定值上構(gòu)成一個由自控吸收無功功率的比較簡單的調(diào)壓無源元件。
可變電抗器可以或者用作旁路可變電抗器或是靜止調(diào)相器，以應(yīng)用于通過吸收無功功率來調(diào)整給定電壓下的電壓。
特別是，本發(fā)明所涉及的一個很重要的電抗器應(yīng)用是將交變電壓進行調(diào)節(jié)再通過架空線，或更普遍地是通過容性電源(電容耦合)供給負(fù)載。圖9表示這樣一個容性電源，它具有和電壓為V的電源38相同的等值電路，(例如它可以是電源傳輸線)和一個電容為C的電容器組39。這個電源向電阻負(fù)載R供電。根據(jù)本發(fā)明，一個帶有氣隙的自控可變電抗器和負(fù)載R并聯(lián)連接。IC為通過電容器組39的電流，iL為通過電抗器31的電流，iR為通過負(fù)載R的電流。VC為電容器組39的端電壓，VL為負(fù)載R和電感器31的端電壓。
當(dāng)電抗器31的值隨著負(fù)載R的值適當(dāng)發(fā)生變化，理論上表達(dá)為負(fù)載R的端電壓VL在給定范圍內(nèi)保持常量。這可以用上面所述的帶有氣隙的自控可變電感器通過選擇斜率(見圖4)等于零來進行。甚至有可能，通過調(diào)節(jié)控制線圈11a和11b匝數(shù)(圖1a))適當(dāng)調(diào)整斜率m(見圖4)來對負(fù)載的函數(shù)VL(電阻兩端電壓隨負(fù)載的增加而增加)進行正調(diào)節(jié)，因而用來獲得一個從電源38到負(fù)載R的最佳有功功率的傳輸。
雖然本發(fā)明已通過可變電抗器的最佳實施例進行了描述，但應(yīng)當(dāng)指出的是在所附權(quán)項的范圍內(nèi)可以對該實施例進行任何修改，也可以對該可變電抗器進行任何其它應(yīng)用，而不改變或更改本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.可變電抗器包括一個有三芯柱的磁芯，其中每個芯柱都具有一個首端和一個末端，上述首端通過該磁芯的第一公共端相互連接，上述末端通過磁芯的第二公共端相互連接；供給交流電的初級線圈；控制線圈；以及給控制線圈提供直流電流的裝置，該電流的幅值可隨與可變電抗器的運行有關(guān)的電參數(shù)的變化而變；上述初級線圈及上述控制線圈，根據(jù)磁芯配置，以使上述交流和直流在上述三芯柱中的第一芯柱內(nèi)感應(yīng)出交流磁通和直流磁通，它們在交流電流分別為正、負(fù)半周時，同向或反向，并且，在三芯柱的第二芯柱內(nèi)感應(yīng)出交流磁通和直流磁通，它們在交流電流分別為正、負(fù)半周時，反向或同向，在上述第一和第二芯柱的每一個中所感應(yīng)出的直流磁通其密度隨上述直流電而變化因而用于改變初級線圈的電抗；上述第一芯柱包括由在該第一芯柱中感應(yīng)產(chǎn)生的合成磁通所穿過的氣隙，上述第二芯柱包括由在該第二芯柱中感應(yīng)產(chǎn)生的合成磁通所穿過的氣隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，其中上述三個芯柱基本上位于同一平面內(nèi);并包括兩個外側(cè)芯柱及一個置于該兩個外側(cè)芯柱之間的中央芯柱。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的可變電抗器，其中上述磁芯的第一和第二芯柱由上述兩個外側(cè)芯柱構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2的可變電抗器，其中磁芯是由與上述平面相平行的疊層組件構(gòu)成，并通過具有至少三階梯的45°角連接，因而防止磁芯的(任何)局部磁飽和。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，其中上述磁芯的三個芯柱，每個都具有同樣形狀和同樣面積的截面。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，其中上述磁芯的第一和第二芯柱長度相同，其中上述第一和第二芯柱每個都具有等面積截面，并且上述第一和第二芯柱的上述氣隙裝置具有同樣長度。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，其中上述第一芯柱的氣隙裝置位于該第一芯柱上磁芯的第一和第二公共點中央，上述第二芯柱的氣隙裝置位于該第二芯柱上上述磁芯的第一和第二公共點中央。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，其中上述三個芯柱均具有一個幾乎圓形的十字形截面。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，其中上述磁芯由磁性材料制成，其磁性曲線具有明顯拐點。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，其中上述電參數(shù)為向初級線圈供電的交流電幅值。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10的可變電抗器，其中上述直流電供電裝置包括對給初級線圈供電的交流電進行整流的裝置以及用該整流電流向控制線圈裝置供電的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求
11的可變電抗器，其中上述整流和供電裝置包括一個將初級線圈與控制線圈相互串聯(lián)的二極管橋式電路。
13.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，其中控制線圈包括一個第一線圈和一個第二線圈，它們相互串聯(lián)，分別繞在上述第一和第二芯柱上，并供以上述直流電，因而該直流電感應(yīng)產(chǎn)生一個直流磁通，在由上述第一和第二芯柱所限定的一個閉合磁路內(nèi)穿過。
14.根據(jù)權(quán)利要求
13的可變電抗器，其中控制線圈包括一個第三線圈和一個第四線圈，它們串聯(lián)，分別繞在上述第一和第二芯柱上，并供以上述直流電，因而該直流電感應(yīng)產(chǎn)生一個直流磁通，在上述第一和第二芯柱所限定的一個閉合磁路內(nèi)穿過。
15.根據(jù)權(quán)利要求
15的可變電抗器，其中上述電參數(shù)是向上述串聯(lián)的第一和第二線圈提供交流電的幅值，并且其中上述直流電供給裝置包括該交流電的整流裝置以及用上述整流電流向串聯(lián)的第三和第四線圈供電的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求
15的可變電抗器，其中上述第一和第三線圈疊加在一起，第二和第四線圈也疊加在一起，上述第一和第三線圈繞在上述第一芯柱上，因而該第一芯柱的氣隙裝置位于第一和第三線圈的中央，第二和第四線圈繞在上述第二芯柱上，因而該第二芯柱的氣隙裝置位于第二和第四線圈的中央。
17.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，包括一個具有一定值并且與上述控制繞組裝置串聯(lián)的電感線圈。
18.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，其中控制線圈包括串聯(lián)的一個第一和一個第二繞組，并且上述可變電抗器包括一個具有一定值并與上述控制線圈裝置的第一和第二繞組相串聯(lián)的電感線圈。
19.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，包括置于磁芯上并供以直流電的偏壓繞組裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求
20的可變電抗器，其中上述偏置線圈由一個直流電源供電。
21.根據(jù)權(quán)利要求
20的可變電抗器，其中上述偏置線圈由置于磁芯上的附加線圈提供直流電流，為調(diào)節(jié)直流電流的幅值上述附加線圈通過整流裝置向上述偏置線圈供電。
22.根據(jù)權(quán)利要求
15的可變電抗器，包括一個第五線圈和第六線圈，它們串聯(lián)連接，分別繞在上述第一和第二芯柱上并供以直流電，因而第五和第六線圈產(chǎn)生一個偏流磁通，它在上述第一和第二芯柱所限定的閉合磁路中穿過。
23.根據(jù)權(quán)利要求
23的可變電抗器，其中上述第一，第三和第五線圈疊加在一起，上述第二，第四和第六線圈也疊加在一起，其中上述第一，三，五線圈繞于上述第一芯柱上，致使該第一芯柱的氣隙裝置位于第一、三、五線圈之中央;而上述第二、四、六線圈繞于上述第二芯柱上，致使該第二芯柱的氣隙裝置位于第二、四、六線圈中央。
24.根據(jù)權(quán)利要求
15的可變電抗器，其中第三線圈的匝數(shù)等于第一線圈匝數(shù)的n倍，第四線圈的匝數(shù)等于第二線圈匝數(shù)的n倍，這里n略大于1。
25.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，其中一個無功阻抗與上述可變電抗器并聯(lián)由此可獲得一個理想的工作特性。
26.根據(jù)權(quán)利要求
26的可變電抗器，其中上述無功阻抗包括一個電容。
27.根據(jù)權(quán)利要求
25的可變電抗器，其中無功阻抗包括一個電感線圈。
28.根據(jù)權(quán)利要求
26的可變電抗器，其中上述無功阻抗包括一個電感線圈和電容串聯(lián)。
29.一個電力系統(tǒng)，包括一個負(fù)載，一個用于向上述負(fù)載提供交流電壓電容電源，和一個與負(fù)載并聯(lián)對向上述負(fù)載供電的交流電壓進行調(diào)整的可變電抗器，上述可變電抗器包括一個具有三芯柱的磁芯，每個芯柱都具有一個第一首端和末端，上述三個首端通過磁芯的一個第一公共端而相互連接，而上述三個末端通過上述磁芯的第二公共端而相互連接;供以來自上述電容電源的交流電的初級線圈;控制線圈;以及。用于向控制線圈提供直流電的裝置，該直流電幅值根據(jù)與可變電抗器運行有關(guān)的電參數(shù)而變化;上述初級線圈和控制線圈根據(jù)磁芯配置因而上述交流和直流電流在上述三芯柱的第一芯柱內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生交流磁通和直流磁通，它們當(dāng)上述交流電流為一正值或負(fù)值時，分別同向或反向并且在上述三芯柱的第二芯柱內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生交流磁通和直流磁通，它們當(dāng)上述交流電流為正值或負(fù)值時，分別反向或同向，在上述每一個第一和第二芯柱內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的直流磁通，其密度隨上述直流電流的幅值變化因而用于改變初級線圈電抗。上述第一芯柱和第二芯柱均包括氣隙裝置，在該第一芯柱和第二芯柱中感應(yīng)產(chǎn)生的合成磁通分別穿過其氣隙。
30.根據(jù)權(quán)利要求
1的可變電抗器，其中初級線圈包括一個第一線圈和一個第二線圈，它們相互串聯(lián)，分別繞在上述第一和第二芯柱上，并供以上述交流電，從而該交流電在第一磁芯中感應(yīng)出一個第一交變磁通，在第二磁芯中感應(yīng)出一個第二交變磁通;第一和第二交變磁通在所述三個磁芯的第三個磁芯里相互加強。
專利摘要
一個可變電感器，包括具有對應(yīng)端相連的一個中央芯柱和兩個外側(cè)芯柱的磁芯；兩個初級線圈，分別繞于外側(cè)芯柱并串聯(lián)聯(lián)接，供以交流電流；兩個控制線圈也串聯(lián)連接，并疊加在初級線圈上。交流電流經(jīng)整流供給控制線圈直流電流，各線圈的方向及連接方式要選擇以使感應(yīng)出的交流和直流磁通在一個外側(cè)芯柱中同向而在另一個中反向。每個外側(cè)芯柱包括一個在該芯柱中感應(yīng)出的合成磁通所穿過的氣隙，較好的是該氣隙處于對應(yīng)初級線圈和控制線圈中央。
文檔編號C07J31/00GK86100229SQ86100229
公開日1986年7月16日 申請日期1986年1月15日
發(fā)明者萊奧納德·伯爾杜克 申請人:海德羅-魁北克公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan