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      電抗器拓撲結構與阻抗變換分析

      發布時間: 2021/10/20 9:08:37人氣:

      1 引言 
          電抗器按其特性可分為固定電抗器和可變電抗器。隨著電力系統的發展,在很多場合都希望電抗器的電抗值能夠實時調節。

          可變電抗器經歷了從機械式到電磁式,再到電力電子式的發展過程。機械式可調電抗器結構簡單,線性度好,但不能實現電感的平滑調節,目前應用較少。電磁式可變電抗器通過改變鐵心的磁阻來改變電感。磁阻大,則電感??;反之,磁阻小,則電感大。電磁式可變電抗器制造工藝簡單,成本較低,在限制過電壓、補償無功功率等方面應用潛力大。其主要缺點是響應時間長,振動和噪聲較大。電力電子電抗器是近年來研究和開發出來的一種新型可變電抗器,它采用電磁技術、電力電子技術、控制技術、計算機技術等,可實現阻抗值的連續無級可調。典型代表有晶閘管式電抗器、IGBT式電抗器。

          這里主要研究晶閘管式電力電子電抗器,它結合了傳統機械式電抗器和電磁式電抗器的優點,對傳統電抗器進行改進,可實現電抗值的連續無級可調,且高次諧波較小。


      2 電力電子電抗器結構

          傳統的機械式電抗器結構如圖1所示。采用調節分接頭式的方式來改變電抗器的電感,僅能實現阻抗的有級變換。這里所述的電力電子電抗器將傳統電抗器與電力電子技術相結合,其結構如圖2所示。

       

       

          對比圖1,2知,電力電子電抗器將傳統電抗器的單邊繞組結構設計成雙邊繞組結構,其初級繞組與負載、電網串接、次級繞組與電力電子阻抗變換器相接,通過阻抗變換控制器控制電力電子阻抗變換器的工作狀態,調節電抗變換器次級繞組的電流與阻抗,改變電抗變換器初級繞組的電流和阻抗,實現電抗器的阻抗變換。


      3 電力電子電抗器拓撲結構

          電力電子電抗器是一種較典型的可變電抗器。三組兩兩反并聯的晶閘管構成電力電子阻抗變換器,通過控制晶閘管的導通角就可控制電抗器的等效阻抗值。其拓撲結構如圖3所示。其一相的等效電路模型如圖4所示。

       

          文獻已經詳細推導了電力電子電抗器的阻抗變換原理。晶閘管控制角α與電力電子電抗器次級繞組ax端等效阻抗之間的關系為:

          當α=0°時,晶閘管全導通,電力電子電抗器次級繞組相當于短路,電流最大,初級繞組電流最大,此時電力電子電抗器初級繞組阻抗最小。

          當α=180°時,晶閘管關斷,電力電子電抗器二次繞組相當于開路,電流最小,初級繞組電流最小,此時電力電子電抗器初級繞組阻抗最大。

          當α在0°~180°之間時,電力電子電抗器初級繞組阻抗介于最大值與最小值之間,且連續可調。

       

      4 建模與阻抗變換分析

          在Matlab/Simulink中,利用電氣模塊PSB對三相電力電子電抗器進行建模與阻抗變換分析。三相電力電子電抗器仿真模型包括:三相電源模塊、三相可變電抗器模塊、三相晶閘管阻抗變換模塊、脈沖觸發器模塊、負載模塊等。

          設置電源參數:電壓峰值為,頻率為50 Hz;電力電子電抗變換器功率:Pn=107VA,fn=50Hz;初級線圈參數:U1=104V,R1=2 mΩ,L1=0.05H;次級線圈參數:U2=25×105V,R2=2 mΩ,L2=0.05 H;磁阻Rm=200 Ω;勵磁電感Lm=200 H。晶閘管參數使用默認值。設置Series RLC Branch的參數:R=100 Ω,L=0.05 H;C為inf,此時負載為感性負載。改變α得到仿真數據,根據此數據可描點繪出感性負載時α與電力電子電抗器的阻抗模值Z的關系圖,如圖5所示。

       

          由圖5可見,隨著α的增大,電力電子電抗器初級繞組電壓增大,電流減小,初級繞組阻抗增大,即電力電子電抗器阻抗隨α的增大而增大。這與第3節中理論分析完全一致。

      5 電力電子電抗器的應用及實驗

      5.1 電力電子電抗器式軟起動器構建

          軟起動器結構圖如圖6所示。電機起動時,首先合上K1,電力電子電抗器初級繞組與電機、電網串接。根據阻抗變換原理,阻抗變換控制器通過改變電力電子阻抗變換器中晶閘管的觸發角,來改變電力電子電抗器初級繞組的阻抗。隨著該阻抗從大到小減小,加在電機上的電壓由小逐漸增大,電機轉速逐漸上升,當接近額定轉速時,合上K2,斷開K1,軟起動結束,電機以額定轉速運行。

       

      5.2 軟起動實

          實驗對象為Y90S-4型三相繞線電機,其額定功率1.1 kW,定子Y型連接,額定電壓380 V,額定電流2.7 A,頻率50 Hz,額定轉速1 390 r·min-1,功率因數為0.78。為驗證電力電子電抗器在電機軟起動中的應用效果,進行了電機全壓直接起動和帶電力電子電抗器軟起動兩種實驗。

          電機空載全壓直接起動:直接合上K2,電機全壓直接起動,起動電流波形如圖7a所示。圖中,電機全壓直接起動時,起動過程很短,最大起動沖擊電流為13.7 A,為額定電流的5.1倍;帶電力電子電抗器軟起動:合上K1,電機帶電力電子電抗器軟起動,起動電流波形如圖7b所示。

       

       

          電機帶電力電子電抗器起動時,起動過程明顯延長了,電機平滑地起動,最大起動沖擊電流為7.1 A,為額定電流的2.6倍。對比圖7a,b可見,與全壓直接起動相比,帶電力電子電抗器軟起動能減小電機起動電流,達到保護電機及減小電機起動對電網影響的目的。

       

      6 結論

          電力電子電抗器的結構是對傳統機械式可變電抗器結構的創新,這種結構具有高壓與低壓隔離、無源阻抗變換、對元器件的耐壓要求低、阻抗無極調節等優點。已成功運用于高壓電機軟起動、靜止無功補償器、動態諧波抑制、風機水泵的調速等方面,具有廣闊的應用價值。


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