1、本科毕业论文（20 届）磁楔式可调电抗器的样机研制所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -磁楔式可调电抗器的样机研制摘要本文在总结前人对可调电抗器原理及方案的基础上，提出了一种新型气隙可调电抗器原理，与以往电抗器铁心不同，在铁心回路中设计了一个水平磁楔，通过对磁楔的调节改变磁路中气隙的长度，使整个磁路磁阻发生变化，从而实现了电抗的平滑连续可调。这种磁楔式可调电抗器与传统的调节气隙电抗器相比没有大震动，高噪音等问题，而且有调节方便，电感量变化范围大等优点。在电力系统中具有控制电压、补偿无功的功能。首先，本文阐述
2、了可调电抗器的现状及其发展前景，并对各种不同类型的电抗器进行了比较，介绍了电抗器的不同用途。并给出了磁楔式可调电抗器的主磁路、磁楔调节系统、工作原理、基本结构、等效类比电路图及其优越性。然后，以 5kVA 磁楔式可调电抗器为示例给出了具体设计计算公式，包括绕组匝数，铁心截面积算法等。并计算出各种理论数值，做出样机。再通过试验对样机进行性能测试，得出了样机的电感调节特性。分析了实际和理论差距。实验证明了磁楔式可调电抗器原理的正确性和可行性。关键词 可调电抗器；磁楔式；气隙哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Prototype of the magnetic wedge adjustable r
3、eactorAbstractBy summarizing the previous adjustable reactor principles and programs， in this paper， I put forward the principle of adjustable reactor of a new type of air-gap. It is different from of the previous reactor core. I design a horizontal magnetic wedge in the core circuit. So， we can cha
4、nge the length of the air-gap in the magnetic circuit by adjusting the magnetic wedge， and the whole reluctance changes， in order to achieve a reactance smooth continuous adjustment. Comparing to the traditional air-gap reactor， magnetic wedge adjustable reactor has no big vibration， noise and easy
5、to adjust， also the range of reactance is large. In the power system， it can control voltage and compensate for the reactive.First， this paper describes the present situation and prospects for the development of adjustable reactor， compares a variety of different types of reactors， introduces differ
6、ent reactors use. Also， it gives the main magnetic circuit of the adjustable reactor， magnetic wedge adjustment system， the working principle， the basic structure， the equivalent analog circuit diagram and its superiority.Then make an example of a 5kVA magnetic wedge adjustable reactor， gives the sp
7、ecific design formula， including winding algorithm and core section area. Produces the prototype， do an experiment for the prototype performance and get the inductance adjustment characteristics. Make an analysis 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -for the actual and theoretical gap.The prototype tests proved the f
8、easibility and correctness of the theory of magnetic wedge adjustable reactor.Keywords adjustable reactor; magnetic wedge; air-gap哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景、目的及意义 .11.2 可调电抗器的历史和现状 .21.3 电抗器的分类及用途 .21.3.1 可调电抗器的原理、分类 .31.4 电抗器的对比分析 .71.5 电抗器的发展前景 .8第 2 章 磁楔式可调电抗器的理论基础 .
9、102.1 基本电磁原理知识 .102.1.1 磁场 .102.1.1.1 磁场的产生和效应 .102.1.1.2 磁感应强度矢量 B.102.1.1.3 磁通量 .102.1.1.4 磁导率 .112.1.1.5 磁场强度矢量 H.112.1.2 安培环路定律 .112.1.3 磁路的欧姆定律 .122.1.4 磁性材料及其特性 .122.1.4.1 铁磁材料的磁化 .132.1.4.2 铁磁材料的磁化曲线 .132.1.5 电抗公式推导 .142.2 磁楔式可调电抗器工作原理 .152.3 磁楔式可调电抗器类比电路及分析 .152.3.1 磁楔完全插入铁心类比电路分析 .162.3.2 磁
10、楔部分插入铁心类比电路分析 .172.3.3 磁楔完全抽出铁心类比电路分析 .182.4 本章小结 .18第 3 章 磁楔式可调电抗器的设计计算 .203.1 电抗器具体计算公式 .203.1.1 铁心参数 .203.1.2 线圈匝数 .203.1.3 绕组形式的选择 .21哈尔滨理工大学学士学位论文- V -3.1.4 气隙等效导磁面积 .213.1.5 主电抗的计算 .213.1.6 初选导线 .213.1.7 电流密度 .223.1.8 线圈高度 .223.1.9 线圈绝缘 .223.1.10 绝缘距离计算 .233.1.11 线圈漏电抗 .233.1.12 铁心窗高 .243.1.13
11、 主磁路重量 .243.2 计算示例 .253.3 本章小结 .29第 4 章 磁楔式可调电抗器的实验与分析 .304.1 主要实验仪器及设备 .304.2 实验原理图和实物接线图 .304.3 实验方法 .314.4 实验结果与分析 .324.5 本章小结 .34结论 .35致谢 .36参考文献 .37附录 .39哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景、目的及意义在电力系统中，可调电抗器具有控制电压和补偿无功等功能，对于提高电力系统稳定性、改善供电质量有重要作用。并且根据电力系统的现状和需求，可调电抗器的研究已经成为了学术界和工业界的热点。在高压输电线路传输小功
12、率时，由于电容效应会在线路末端产生过电压，为补偿线路的容性无功，需要在线路中设置并联电抗器。在传输大功率时，由于感性无功的增加，并联电抗器应从线路上切除。这时如果发生线路的故障切除和重合，空载线路会因失去补偿而产生不能允许的工频过电压和操作过电压，而使用可调电抗器就可以有效的抑制这种过电压。可调电抗器不仅在高压电网中起到抑制过电压的作用，在配电网中可以作为可调消弧线圈来动态补偿接地的容性电流。自动调谐消弧线圈就是根据接地电容电流的变化而自动调节消弧线圈的电感量的装置，从而使单相接地电容电流得到电感电流的有效补偿。但是现在应用的大部分消弧线圈为调匝式的，电感量无法连续调节。因此，配电网迫切需要能
13、够平滑连续调节电感量的消弧线圈。另外，可调电抗器在电机的起动等冲击电流的场合可以对电压波动有抑制的作用。与此同时在无功补偿设备上，电网中已应用的无功补偿装置主要有同步调相机、开关投切电容器组、晶闸管投切电容器、晶闸管控制电抗器、静止无功补偿器等等，但是同步调相机为机械开关补偿设备，响应速度慢、开关故障频率高，它开关的合闸涌流容易产生过电压和谐振。开关投切电容器组的成本较低，但由于不能实现选相位投切而使得开关的合闸涌流很大，而且由于电容器分组数量的限制，无功补偿只能实现有级调整。晶闸管投切电容器虽然克服了开关投切电容器组不能实现选相位投切的问题，但补偿功率不能连续调节的问题依然存在。为了解决上述
14、问题，需要一种成本低、维护简便、低噪声、无大震动、电感量调节范围广的，在高压和超高压电力系统中广泛应用的连续平滑可调无功设备。目前国内外许多学者和科研机构都对可调电抗器进行了深入的研究，取得了一系列成果。本章回顾了可控电抗器的发展历史和研究现状，介绍了可调电抗器的用途，并按照控制方法进行了分类，同时对其控制方法进行了分析比较。哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -1.2 可调电抗器的历史和现状早在1916年美国学者就已经提出了磁放大器的概念，主要应用于自动化系统中作为控制元件。20世纪50年代，俄罗斯的科技工作者将磁放大理论引入电力系统中，对饱和式可控电抗器进行了深入的研究。1955年世界上第一
15、台可控电抗器在英国制造成功。随着70年代晶闸管的发展，晶闸管控制电抗器(TCR)以其控制灵活的特点成为了研究热点。1986年，原苏联的学者A.M.提出了新型的可控电抗器结构，使直流饱和式可控电抗器有了突破性的进展。近些年来，基于高频PWM控制的可控电抗器也在研究之中。与此同时，一些日本的研究人员提出的基于控制磁通原理的正交磁心可控电抗器也日趋走向实用 1。目前，国内外对可控电抗器的研究主要集中在磁阀式可控电抗器和交流可控电抗器上，俄罗斯学者在这方面进行了深入的研究，取得了显著的进展。俄罗斯的磁阀式可控电抗器已经大面积地推向了市场。国内武汉大学对磁阀式 2可控电抗器的研究开展得较早，成功地研制出
16、磁阀式动态无功补偿装置和消弧线圈，运行效果良好。国内的电气厂商现在已开始生产基于磁阀式可控电抗器的动态无功补偿装置和消弧线圈。上海交大，华北电力大学对直流可控电抗器进行了研究；浙江大学对交流可控电抗器进行了较为细致的研究，哈尔滨理工大学对电抗器也有较好研究成果。1.3 电抗器的分类及用途电抗器是一种重要的电气装置，在电力系统中广泛地应用于限制工频过电压、消除发电机自励磁、限制操作过电压、线路容性功率补偿、潜供电流抑制、限制短路电流和平波等。电抗器有很多种分类方式。按磁路结构分，电抗器可分为空心式与铁心式两种。空心式电抗器无铁心磁路，主要由非铁磁材料(如空气、变压器油)等构成，其磁导率是常数，不
17、随负载电流变化而变化。铁心式电抗器的结构主要是由铁心和线圈组成，铁心是电抗器的主磁路，由磁导率极高的硅钢片构成，因其磁化曲线是非线性的，故铁心电抗器的主磁路中铁心是带气隙的，因此磁阻主要取决于气隙的尺寸，由于气隙的存在其磁导在一定范围内近似于线性，但是当电流急剧增大时可能会导致其磁路产生一定的饱和，磁导率降低，磁阻增大从而使得电抗值降低。按照用途分类，电抗器主要有并联电抗器、消弧线圈、限流电抗器、阻尼电抗器、滤波电抗器、平波电抗器等。并联电抗器是并联连接在电力系统中的，主要用来补偿电容电流和抑制超高压长线路末端空载（轻载）时的容性电压升高。消弧线圈用来补偿中性点绝缘，当系统发生对地故障时产生容
18、性电流，消弧线圈能使电弧很快熄灭。限流电抗器包括串联限流哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -电抗器、起动电抗器等。串联限流电抗器串联连接在负载前面用来限制负载的短路电流。起动电抗器用于与容量较大的交流电机串联连接从而实现降压起动，以限制起动电流，避免危及绕组安全，同时降低了对供电电源的较大容量要求。平波电抗器用在整流以后的直流回路中，来抑制输出的直流电压中的纹波。阻尼电抗器(也可称串联电抗器)与电容器组或密集型电容器相串联，用于限制电容器的合闸涌流。滤波电抗器与滤波电容器相串联组成谐振滤波器，一般用于3至17次的谐振滤波甚至用于更高次的高通虑波。按照使用条件分，电抗器分为户内式和户外式。一般情
19、况下，干式铁心电抗器为户内式，如需要户外使用，则需要增加外壳并注意采用适当的冷却方式；空心电抗器因其磁路的开放性多数为户外安装，当其容量小，室内空间足够，并采用一定的防护措施时，空心电抗器也用于室内。大容量空心电抗器由于开放性磁场的影响及室内空间的限制，一般不用于室内。按照电抗特性分，电抗器又分为定值电抗器和可调电抗器。顾名思义定值电抗器就是在工作过程中其电抗值保持不变的电抗器。而可调电抗器则是可以根据实际需要，能在工作中适当的改变其电抗值的电抗器。1.3.1 可调电抗器的原理、分类电抗器其实就是一种电感元件，当在具有电感值L的电抗器线圈中通以角频率为 的交流电流 I时， 它就呈现电抗X(X=
20、L) ，在一般情况下电抗器的电感值L 可表示为：（1-1）2LN式中 为电抗器线圈匝数， 为电抗器磁路的磁导。N（1-2）FI表征线圈内流过的电流激发磁通的能力，其中 表示磁动势， 表示FNI与线圈交链的磁通量，对于结构一定的电抗器，其磁导 与磁路的磁导率及其等效导磁面积 S成正比，与磁路的等效长度 成反比。 综上可知，我们想要调节电抗器的电抗值 可以分别通2XL过改变电流的频率 ，电抗器线圈匝数 N， 和电抗器磁路的等效磁导 。然而对于工作在工频电网的可调电抗器，要改变其电抗值就电抗器本身来说往往只从改变其线圈匝数N或是磁路的等效磁导 入手。综观发展到现在的各种可调电抗器，其类型按参数调节方
21、式的不同，可分为调匝式与调等效磁导式；按连续可调性的不同，分为分级可调与无级可调型；按操作控制的手段不同，则分为机械控制型与电气控制型。下面简单介绍几种可调电抗器（见图1-1）。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -图1-1 可调电抗器分类传统可调电抗器中，一种是机械式使用调节分接头的方式来改变电抗器的电感。它有两种模式，其一是将电抗器绕组按不同的匝数抽出若干个抽头，形成多个分接头结构，利用有载分接开关来切换接入的绕组匝数；另一种是利用晶闸管控制各分接头之间的导通与截止来实现匝数的变化。它们过去常应用于消弧线圈装置中。这种电抗器具有成本低、调节方便的优点。但存在的问题是：电感不能平滑连续调节，因
22、此补偿效果不能达到最佳状态。还有一种调节气隙的方式来改变电感的传统可调电抗器（见图1-2），工作原理是用电动机带动传动机构调节铁心气隙的长度而改变整个磁路的平均磁导从而改变线圈的电感，它的电感可以连续调节，结构简单，线性度好。缺点是：需要较为精密的机械传动装置，响应速度慢，噪 图1-2 调气隙铁心声大，有时会因脏污引起机械动作失灵。因此，传统的调分接头式和调气隙式 3可控电抗器目前应用已经很少。磁控电抗器是通过改变铁心的磁阻大小来实现的。显然，磁阻越大，电感量越小；反之，磁阻越小，电感越大。改变电抗器磁阻的方法一般有两种：一种是外加直流助磁使磁路饱和，也就是直流可控电抗器。这样，铁心未饱和时磁阻小，饱和后磁阻大；另一种是加交流绕组的交流可控电抗器，在控制绕组中产生反方向磁通，用它来调节电抗器铁心中的主磁通，
