一种正交磁心高速可变电感器
2009-07-09 14:02:15
来源：《国际电子变压器》2009年7月刊
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1 引言
近二十年来，由于电力系统负载的增加及负载性质的多样化，因而对电力系统无功功率的产生和控制提出了许多新的要求。静态VAR补偿器（SVC）是调整和稳定传输线路的方法之一。但是常用的SVC存在一些缺陷，例如，用闸流管控制相位会产生谐波电流。为了改善SVC的性能，有人提出了采用正交型磁心的高速可变电感器。常用SVC存在的另一个问题是这类补偿器的运行速度达不到要求，即当高速的各种电力电子设备被广泛地作为电力系统的负载时，将会造成其线性电压的突然变化。为了快速给以补偿，故要求采用快速的VAR补偿器。本文即提出了用正交型磁心的可变电感器实现高速控制的一种方法。
2 调整控制电感器的结构
快速响应VAC补偿器的基本电路中考虑采用一种普通正交型磁心的可变电感器。图1为这种电感器的示意图，其初级绕组和次级绕组分别为N1和N2，初级电流和次级电流则分别为ic和ia，图中虚线所示的φ1和φ2分别为初级与次级的磁力线。由图1(b)可见，次级绕组N2的有效电感值随初级电流的减小而减小的，也就是说，次级电流受初级电流的控制。图2所示为正交型磁心可变电感器的控制特性，图中示出了输出电流ia受控于控制电流ic，并为线性关系。
3 对电感器的计算与实验结果
图3(a)所示为将一步进电压ec加于初级绕组时，计算得到的该可变电感器的典型响应波形。计算使用spice软件模拟作为基础，次级的交流电压为ea，频率为50Hz。图3(b)所示为该电感器的实验结果，它与计算结果基本吻合。波形图显示出，因为初级控制电路中的阻抗与电感等原因，致使可变电感器的基本响应存在“一阶”时间的滞后。可变电感器中的初级电流和次级电流的响应时间约为300毫秒（15个/周期）。
图4所示为，当可变电感器的次级电流减小时，可清楚地看到与图3相同的趋势。图4(a)、(b)所示为，当初级电压ec逐渐降到零时，计算和实验所得波形图。
瞬时控制初级电流ic是改善响应时间的办法之一，其模拟结果如图5所示。在模拟测试时，开始施加一个高电压于初级绕组；然后，当控制电流达到期望值时，逐渐降低电压，此时，可显示出响应时间降到了20毫秒（即1个周期）；同样，如果能够快速地降低初级电流量，则次级电流也会相应快速减小。按此工作特性，为了使初级电路恢复贮存能量，就必须改变外加的初级电压极性，图6所示为这种模拟试验的结果之一例。
4 直流变换器(DC/DC)的工作特性
以上所述的计算和实验结果表明，采用合适的直流变换器是可以高速控制可变电感器的。例如，为了实现快速启动，就可以采用如图7所示的电压升降变换器。
图8所示为电路开关的波形图。当信号电压es高于高频三角波电压et时，晶体管Tr导通。变换器输出电压的平均值Ec由公式DEd/(1-D)给出，式中D为占空比。因此，加于初级绕组N1的平滑电压ec随信号电压的变化而变化。
图9为加于初级绕组的步进电压之平均值Ec所试验的直流变换占空比的关系曲线。其三角波的频率为10kHz，直流电源电压Ed为50V，在开始20毫秒时的占空比D=0.58，其它周期上的D=0.5。从图9可以看出在试验电路中验证的可变电感器的调整控制结果。
5 小结
本文主要论述正交型磁心可变电感器的基本响应特性，其计算和测试结果的一致性良好。文中还提供了一种用简易的升降变换器高速控制可变电感器的方法。如果需要高速控制可变电感器的起动与停止，可使用一个双极型直流变换器（如四个1/4变流器）。总之，正交型磁心可变电感器在电力系统中对负载的变化进行强化补偿是有效的。
（参考文献略）
近二十年来，由于电力系统负载的增加及负载性质的多样化，因而对电力系统无功功率的产生和控制提出了许多新的要求。静态VAR补偿器（SVC）是调整和稳定传输线路的方法之一。但是常用的SVC存在一些缺陷，例如，用闸流管控制相位会产生谐波电流。为了改善SVC的性能，有人提出了采用正交型磁心的高速可变电感器。常用SVC存在的另一个问题是这类补偿器的运行速度达不到要求，即当高速的各种电力电子设备被广泛地作为电力系统的负载时，将会造成其线性电压的突然变化。为了快速给以补偿，故要求采用快速的VAR补偿器。本文即提出了用正交型磁心的可变电感器实现高速控制的一种方法。
2 调整控制电感器的结构
快速响应VAC补偿器的基本电路中考虑采用一种普通正交型磁心的可变电感器。图1为这种电感器的示意图，其初级绕组和次级绕组分别为N1和N2，初级电流和次级电流则分别为ic和ia，图中虚线所示的φ1和φ2分别为初级与次级的磁力线。由图1(b)可见，次级绕组N2的有效电感值随初级电流的减小而减小的，也就是说，次级电流受初级电流的控制。图2所示为正交型磁心可变电感器的控制特性，图中示出了输出电流ia受控于控制电流ic，并为线性关系。
3 对电感器的计算与实验结果
图3(a)所示为将一步进电压ec加于初级绕组时，计算得到的该可变电感器的典型响应波形。计算使用spice软件模拟作为基础，次级的交流电压为ea，频率为50Hz。图3(b)所示为该电感器的实验结果，它与计算结果基本吻合。波形图显示出，因为初级控制电路中的阻抗与电感等原因，致使可变电感器的基本响应存在“一阶”时间的滞后。可变电感器中的初级电流和次级电流的响应时间约为300毫秒（15个/周期）。
图4所示为，当可变电感器的次级电流减小时，可清楚地看到与图3相同的趋势。图4(a)、(b)所示为，当初级电压ec逐渐降到零时，计算和实验所得波形图。
瞬时控制初级电流ic是改善响应时间的办法之一，其模拟结果如图5所示。在模拟测试时，开始施加一个高电压于初级绕组；然后，当控制电流达到期望值时，逐渐降低电压，此时，可显示出响应时间降到了20毫秒（即1个周期）；同样，如果能够快速地降低初级电流量，则次级电流也会相应快速减小。按此工作特性，为了使初级电路恢复贮存能量，就必须改变外加的初级电压极性，图6所示为这种模拟试验的结果之一例。
4 直流变换器(DC/DC)的工作特性
以上所述的计算和实验结果表明，采用合适的直流变换器是可以高速控制可变电感器的。例如，为了实现快速启动，就可以采用如图7所示的电压升降变换器。
图8所示为电路开关的波形图。当信号电压es高于高频三角波电压et时，晶体管Tr导通。变换器输出电压的平均值Ec由公式DEd/(1-D)给出，式中D为占空比。因此，加于初级绕组N1的平滑电压ec随信号电压的变化而变化。
图9为加于初级绕组的步进电压之平均值Ec所试验的直流变换占空比的关系曲线。其三角波的频率为10kHz，直流电源电压Ed为50V，在开始20毫秒时的占空比D=0.58，其它周期上的D=0.5。从图9可以看出在试验电路中验证的可变电感器的调整控制结果。
5 小结
本文主要论述正交型磁心可变电感器的基本响应特性，其计算和测试结果的一致性良好。文中还提供了一种用简易的升降变换器高速控制可变电感器的方法。如果需要高速控制可变电感器的起动与停止，可使用一个双极型直流变换器（如四个1/4变流器）。总之，正交型磁心可变电感器在电力系统中对负载的变化进行强化补偿是有效的。
（参考文献略）
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