正交铁心式可控电抗器谐波特性分析

蒋雷敏++李佶

摘 要：可控电抗器是一种重要的电力设备，在改善电能质量、减小电能损耗以及提高电力设备系统稳定性等方面发挥着重要作用。本文围绕正交铁心可控电抗器的结构和工作原理，通过对等效磁路的分析，对其工作原理和谐波特性进行了分析。

关键词：正交铁心可控电抗器 谐波特性 等效磁路

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0103-01

正交铁心可控电抗器有着固定的磁路、较低的谐波含量和近似线性的控制特性。近些年来，可控电抗器广泛应用于自动调节消弧线圈和动态无功补偿的工作中，其中正交铁心式可控电抗器以其控制方便和可靠性高等优点而得到广泛的应用。

1 正交铁心可控电抗器概述

目前已经有多种静止无功补偿的装置，如固定电容的静止无功补偿器和基于可控硅控制电抗器等等，随着非线性负载的不断增加，无功补偿和控制面临着新的挑战，直流控制饱和式可控电抗器因其可靠性和控制简便而得到广泛应用，铁心工作在饱和区，要利用其磁化曲线特点才能够达到有效调节电流，当直流控制可控电抗器的铁心工作处于饱和状态的时候，输出的电流中会含有大量的谐波[1]。

正交铁心式可控电抗器控制简便，损耗较小，因其大部分由永久器件构成，同样大电流受到小电流的控制。正交铁心式可控电抗器的铁心工作处于饱和区，工作电流当中有一定成分的谐波。

1.1 正交铁心可控电抗器的结构和工作原理分析

正交铁心可控电抗器由两个U型铁心构成，其形状完全相同，将铁心旋转90度，将两个绕组分别固定在U型铁心上，如果没有控制电流通过控制绕组，铁心中就只有一个交变磁通，于是在控制绕组中因其对称性而没有耦合磁通的变化，也就是主绕组对控制绕组没有耦合变化，直流磁通可以通过调节控制绕组当中的电流来改变，以间接影响。两个正交铁心交界面的磁通主要由两个部分构成：一是在主绕组中的交流电中产生的交变磁通；二是在直流控制绕组的直流电中产生的直流磁通[2]。

1.2 正交铁心可控电抗器等效磁路及基本方程式

根据上述对正交铁心可控电抗器结构和工作原理的分析，以下就磁通流通路径和磁阻模型进行简要概述。

正交铁心可控电抗器在工作的过程中，假设起主要作用的是、、以及四个在非线性区工作的磁阻，若忽略漏磁磁阻，可以得到等效磁路的原理，根据磁路的基本原理，可得到以下公式：

根据磁路的对称性，等效磁路中桥上的4个非线性磁阻当中分别相对的磁阻，在相同的工作条件下，就能够得到。为了方便简化，假设磁阻中非线性磁动势与磁通的关系式是：与铁心材料相关系数为和，通过与上述根据磁路的基本原理得到的公式的结合，可以得到：

由可知，一次侧电流会随着二次侧磁通的增加而增加，且可控电抗器的等效电抗也会随之变小。

假设一次测电源的电压为，那么一次测磁通可用来表示，其中，作为一次侧交流电源的幅值，结合，可得出：

×

由此可知，一次侧绕组的电流能够通过上述方程式得出。在一次侧绕组电流中共有三次谐波，由和项可直接得到主绕组中的三次谐波在基波含量中的比例为：

可知这三次谐波的含量与的平方是反比例的关系，三次谐波的含量随着的增加而变小[3]。

2 正交铁心可控电抗器的试验研究分析

在本文中建立正交铁心式可控电抗器的有限元仿真实体可以利用ANSOFT软件，主要分为步骤，建模、加载分析以及后处理过程，在ANSOFT中，利用软件中三维建模工具绘出立体图形，然后通过计算得出相应的数据，利用后处理工具将出绕组中的电流波形以及铁心中的磁通分布状态进行直观地描绘[4]。正交铁心式可控电抗器的样机可通过其三维有限元模型进行制造，假设正交可控电抗器的工作电压为50 V，为得到一次侧的不同电流可通过对二次测控制绕组通过施加不同的直流控制电流，正交铁心式可控电抗器的控制特性也能通过对电路中可调电阻的控制得到，操作如下：

电压幅值，控制直流电压，通过对电阻R值的调节，即可得到在不同直流控制电流的情况下正交铁心式可控电抗器的电流的波形。同理，制造正交铁心可控电抗器的模型，其铁心可采用0.35 mm的后取向硅钢带卷绕，从控制绕组控制的电流达到3A时的波形可以看出，在工作电流中的谐波含量较大。通过等效磁路的分析方法可知，消谐绕组也具有控制功率的功能，正交铁心式可控电抗器中输出电流的变化与控制绕组中的电流成正比例的关系，会随着控制绕组中的电流的增大而增大[5]。

3 结论

总之，利用等效磁路的方法得出正交铁心电抗器的基本方程式，通过有限元软件的分析，获得了铁心中的磁通分布情况，在正交铁心式可控电抗器的调节和分析过程中得出了它的近似线性的控制特性以及低损耗的优点。

参考文献

[1] 张毅.超导可控电抗器工作原理及样机方案仿真分析研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.

[2] 张旺福.基于正交铁心可控电抗器的研究和开发[D].浙江：浙江工业大学，2013.

[3] 张曙.磁阀式可控电抗器的装置特性与控制系统的研究[D].浙江：浙江大学，2014.

[4] 刘刚.磁阀式可控电抗器的研究及计算机辅助设计[D].济南：山东大学，2012.

[5] 关毅.正交磁化式可控电抗器设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.endprint

摘 要：可控电抗器是一种重要的电力设备，在改善电能质量、减小电能损耗以及提高电力设备系统稳定性等方面发挥着重要作用。本文围绕正交铁心可控电抗器的结构和工作原理，通过对等效磁路的分析，对其工作原理和谐波特性进行了分析。

关键词：正交铁心可控电抗器 谐波特性 等效磁路

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0103-01

正交铁心可控电抗器有着固定的磁路、较低的谐波含量和近似线性的控制特性。近些年来，可控电抗器广泛应用于自动调节消弧线圈和动态无功补偿的工作中，其中正交铁心式可控电抗器以其控制方便和可靠性高等优点而得到广泛的应用。

1 正交铁心可控电抗器概述

目前已经有多种静止无功补偿的装置，如固定电容的静止无功补偿器和基于可控硅控制电抗器等等，随着非线性负载的不断增加，无功补偿和控制面临着新的挑战，直流控制饱和式可控电抗器因其可靠性和控制简便而得到广泛应用，铁心工作在饱和区，要利用其磁化曲线特点才能够达到有效调节电流，当直流控制可控电抗器的铁心工作处于饱和状态的时候，输出的电流中会含有大量的谐波[1]。

正交铁心式可控电抗器控制简便，损耗较小，因其大部分由永久器件构成，同样大电流受到小电流的控制。正交铁心式可控电抗器的铁心工作处于饱和区，工作电流当中有一定成分的谐波。

1.1 正交铁心可控电抗器的结构和工作原理分析

正交铁心可控电抗器由两个U型铁心构成，其形状完全相同，将铁心旋转90度，将两个绕组分别固定在U型铁心上，如果没有控制电流通过控制绕组，铁心中就只有一个交变磁通，于是在控制绕组中因其对称性而没有耦合磁通的变化，也就是主绕组对控制绕组没有耦合变化，直流磁通可以通过调节控制绕组当中的电流来改变，以间接影响。两个正交铁心交界面的磁通主要由两个部分构成：一是在主绕组中的交流电中产生的交变磁通；二是在直流控制绕组的直流电中产生的直流磁通[2]。

1.2 正交铁心可控电抗器等效磁路及基本方程式

根据上述对正交铁心可控电抗器结构和工作原理的分析，以下就磁通流通路径和磁阻模型进行简要概述。

正交铁心可控电抗器在工作的过程中，假设起主要作用的是、、以及四个在非线性区工作的磁阻，若忽略漏磁磁阻，可以得到等效磁路的原理，根据磁路的基本原理，可得到以下公式：

根据磁路的对称性，等效磁路中桥上的4个非线性磁阻当中分别相对的磁阻，在相同的工作条件下，就能够得到。为了方便简化，假设磁阻中非线性磁动势与磁通的关系式是：与铁心材料相关系数为和，通过与上述根据磁路的基本原理得到的公式的结合，可以得到：

由可知，一次侧电流会随着二次侧磁通的增加而增加，且可控电抗器的等效电抗也会随之变小。

假设一次测电源的电压为，那么一次测磁通可用来表示，其中，作为一次侧交流电源的幅值，结合，可得出：

×

由此可知，一次侧绕组的电流能够通过上述方程式得出。在一次侧绕组电流中共有三次谐波，由和项可直接得到主绕组中的三次谐波在基波含量中的比例为：

可知这三次谐波的含量与的平方是反比例的关系，三次谐波的含量随着的增加而变小[3]。

2 正交铁心可控电抗器的试验研究分析

在本文中建立正交铁心式可控电抗器的有限元仿真实体可以利用ANSOFT软件，主要分为步骤，建模、加载分析以及后处理过程，在ANSOFT中，利用软件中三维建模工具绘出立体图形，然后通过计算得出相应的数据，利用后处理工具将出绕组中的电流波形以及铁心中的磁通分布状态进行直观地描绘[4]。正交铁心式可控电抗器的样机可通过其三维有限元模型进行制造，假设正交可控电抗器的工作电压为50 V，为得到一次侧的不同电流可通过对二次测控制绕组通过施加不同的直流控制电流，正交铁心式可控电抗器的控制特性也能通过对电路中可调电阻的控制得到，操作如下：

电压幅值，控制直流电压，通过对电阻R值的调节，即可得到在不同直流控制电流的情况下正交铁心式可控电抗器的电流的波形。同理，制造正交铁心可控电抗器的模型，其铁心可采用0.35 mm的后取向硅钢带卷绕，从控制绕组控制的电流达到3A时的波形可以看出，在工作电流中的谐波含量较大。通过等效磁路的分析方法可知，消谐绕组也具有控制功率的功能，正交铁心式可控电抗器中输出电流的变化与控制绕组中的电流成正比例的关系，会随着控制绕组中的电流的增大而增大[5]。

3 结论

总之，利用等效磁路的方法得出正交铁心电抗器的基本方程式，通过有限元软件的分析，获得了铁心中的磁通分布情况，在正交铁心式可控电抗器的调节和分析过程中得出了它的近似线性的控制特性以及低损耗的优点。

参考文献

[1] 张毅.超导可控电抗器工作原理及样机方案仿真分析研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.

[2] 张旺福.基于正交铁心可控电抗器的研究和开发[D].浙江：浙江工业大学，2013.

[3] 张曙.磁阀式可控电抗器的装置特性与控制系统的研究[D].浙江：浙江大学，2014.

[4] 刘刚.磁阀式可控电抗器的研究及计算机辅助设计[D].济南：山东大学，2012.

[5] 关毅.正交磁化式可控电抗器设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.endprint

摘 要：可控电抗器是一种重要的电力设备，在改善电能质量、减小电能损耗以及提高电力设备系统稳定性等方面发挥着重要作用。本文围绕正交铁心可控电抗器的结构和工作原理，通过对等效磁路的分析，对其工作原理和谐波特性进行了分析。

关键词：正交铁心可控电抗器 谐波特性 等效磁路

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0103-01

正交铁心可控电抗器有着固定的磁路、较低的谐波含量和近似线性的控制特性。近些年来，可控电抗器广泛应用于自动调节消弧线圈和动态无功补偿的工作中，其中正交铁心式可控电抗器以其控制方便和可靠性高等优点而得到广泛的应用。

1 正交铁心可控电抗器概述

目前已经有多种静止无功补偿的装置，如固定电容的静止无功补偿器和基于可控硅控制电抗器等等，随着非线性负载的不断增加，无功补偿和控制面临着新的挑战，直流控制饱和式可控电抗器因其可靠性和控制简便而得到广泛应用，铁心工作在饱和区，要利用其磁化曲线特点才能够达到有效调节电流，当直流控制可控电抗器的铁心工作处于饱和状态的时候，输出的电流中会含有大量的谐波[1]。

正交铁心式可控电抗器控制简便，损耗较小，因其大部分由永久器件构成，同样大电流受到小电流的控制。正交铁心式可控电抗器的铁心工作处于饱和区，工作电流当中有一定成分的谐波。

1.1 正交铁心可控电抗器的结构和工作原理分析

正交铁心可控电抗器由两个U型铁心构成，其形状完全相同，将铁心旋转90度，将两个绕组分别固定在U型铁心上，如果没有控制电流通过控制绕组，铁心中就只有一个交变磁通，于是在控制绕组中因其对称性而没有耦合磁通的变化，也就是主绕组对控制绕组没有耦合变化，直流磁通可以通过调节控制绕组当中的电流来改变，以间接影响。两个正交铁心交界面的磁通主要由两个部分构成：一是在主绕组中的交流电中产生的交变磁通；二是在直流控制绕组的直流电中产生的直流磁通[2]。

1.2 正交铁心可控电抗器等效磁路及基本方程式

根据上述对正交铁心可控电抗器结构和工作原理的分析，以下就磁通流通路径和磁阻模型进行简要概述。

正交铁心可控电抗器在工作的过程中，假设起主要作用的是、、以及四个在非线性区工作的磁阻，若忽略漏磁磁阻，可以得到等效磁路的原理，根据磁路的基本原理，可得到以下公式：

根据磁路的对称性，等效磁路中桥上的4个非线性磁阻当中分别相对的磁阻，在相同的工作条件下，就能够得到。为了方便简化，假设磁阻中非线性磁动势与磁通的关系式是：与铁心材料相关系数为和，通过与上述根据磁路的基本原理得到的公式的结合，可以得到：

由可知，一次侧电流会随着二次侧磁通的增加而增加，且可控电抗器的等效电抗也会随之变小。

假设一次测电源的电压为，那么一次测磁通可用来表示，其中，作为一次侧交流电源的幅值，结合，可得出：

×

由此可知，一次侧绕组的电流能够通过上述方程式得出。在一次侧绕组电流中共有三次谐波，由和项可直接得到主绕组中的三次谐波在基波含量中的比例为：

可知这三次谐波的含量与的平方是反比例的关系，三次谐波的含量随着的增加而变小[3]。

2 正交铁心可控电抗器的试验研究分析

在本文中建立正交铁心式可控电抗器的有限元仿真实体可以利用ANSOFT软件，主要分为步骤，建模、加载分析以及后处理过程，在ANSOFT中，利用软件中三维建模工具绘出立体图形，然后通过计算得出相应的数据，利用后处理工具将出绕组中的电流波形以及铁心中的磁通分布状态进行直观地描绘[4]。正交铁心式可控电抗器的样机可通过其三维有限元模型进行制造，假设正交可控电抗器的工作电压为50 V，为得到一次侧的不同电流可通过对二次测控制绕组通过施加不同的直流控制电流，正交铁心式可控电抗器的控制特性也能通过对电路中可调电阻的控制得到，操作如下：

电压幅值，控制直流电压，通过对电阻R值的调节，即可得到在不同直流控制电流的情况下正交铁心式可控电抗器的电流的波形。同理，制造正交铁心可控电抗器的模型，其铁心可采用0.35 mm的后取向硅钢带卷绕，从控制绕组控制的电流达到3A时的波形可以看出，在工作电流中的谐波含量较大。通过等效磁路的分析方法可知，消谐绕组也具有控制功率的功能，正交铁心式可控电抗器中输出电流的变化与控制绕组中的电流成正比例的关系，会随着控制绕组中的电流的增大而增大[5]。

3 结论

总之，利用等效磁路的方法得出正交铁心电抗器的基本方程式，通过有限元软件的分析，获得了铁心中的磁通分布情况，在正交铁心式可控电抗器的调节和分析过程中得出了它的近似线性的控制特性以及低损耗的优点。

参考文献

[1] 张毅.超导可控电抗器工作原理及样机方案仿真分析研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.

[2] 张旺福.基于正交铁心可控电抗器的研究和开发[D].浙江：浙江工业大学，2013.

[3] 张曙.磁阀式可控电抗器的装置特性与控制系统的研究[D].浙江：浙江大学，2014.

[4] 刘刚.磁阀式可控电抗器的研究及计算机辅助设计[D].济南：山东大学，2012.

[5] 关毅.正交磁化式可控电抗器设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.endprint