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饱和电抗器原理
发布日期: 2011-03-24 浏览次数: 4524

摘要:以去年首次在中国投运的高压电动机磁控软起动装置为背景,介绍作为软起动装置执行元件的磁饱和电抗器,指明它实质上是一个开关,阐述它的作用、特点和分析方法。

一、引言:
饱和电抗器是一种饱和度可控的铁芯电抗器。50~70年代是磁饱和电抗器在电气自动化领域较盛行的时期[1,2,3]。它既可以作为放大器件,又可以作为执行元件。相对于电真空器件,它耐受恶劣环境的优点令人瞩目,相对于交磁放大机系统,它的静止性受到垂青。当时,国内外关于磁饱和电抗器和磁放大器的著述和相关新铁芯材料的研制报导屡见不鲜。在我国,在70年代已形成磁放大器产品系列[2]。70年代以后,以双极型电子器件和SCR为代表的电力电子器件逐渐在电气控制领域占统治地位。饱和电抗器因惯性较大、功率放大倍数较小等缺点而被排挤,其发展受阻。但是,饱和电抗器是一种既有长处又有短处的电力器件。在电阻炉炉温等较慢过程的控制中,以饱和电抗器为功率器件的系列产品仍然在使用。在如何将它应用在较快过程的控制中,人们的研究和探索仍在继续。也取得了一些可喜的成果[3]。我认为,高压电动机软起动是一个能够使饱和电抗器扬长避短发挥重要作用的领域。

二、三相饱和电抗器的基本形式
三相饱和电抗器有多种形式,在图1中表示了裂芯式和传统式的两种。

图1(a)为裂芯式结构,三相分立,一相一个铁芯。挨近小截面的是直流绕组(共6个)。绕在直流绕组外面的是交流绕组(共3个)。两个直流绕组产生的磁通在两个小截面铁芯上形成环路。而交流绕组产生的磁通通过大截面铁芯形成环路。

图1(b)为传统式。直流绕组套住6个铁芯和6个交流绕组。交流绕组每相2个,串连连接。一相交流电流在2个铁芯上产生2个环路的磁通。2个环路的时钟方向相同。

图1列出的仅是有代表性的形式。其它的可行形式还很多,例如图1(a),若将交流绕组挪位,令它套住大截面铁芯,就演绎为另一种可行形式。
所有可行形式的共性是:


三、饱和电抗器的分析方法:
饱和电抗器不是线性器件。

变压器、电动机均有线性化等效电路,从中可以得到相当满意的结果,饱和电抗器却不然。

分析的难点在于铁芯的数学模型。铁芯是由 曲线描述的,铁芯的状态由 曲线上的工作点表征。在实际运行中,如果直流励磁电流的变化较慢,而运行工作点轨迹又延伸到远离坐标原点的区域,(这正是作为高压电动机软起动装置执行元件的饱和电抗器的实际运行特点。)我们就有理由将实际的 曲线理想化为图2曲线。图2保留了铁芯的基本电磁特性,忽略了磁滞回环等次要因素,从而使分析得以大大简化。



四、作为高压电动机软起动装置执行元件的饱和电抗器的特点:
(1)饱和电抗器是一个大功率的器件,设计制作时应注意防范强电磁干扰。
(2)饱和电抗器承当着高压和380伏低压的隔离作用。
(3)在起动初瞬,要求交流绕组立即流通2~3倍电动机额定电流。这个要求可以通过预加励磁电流的方法实现,也可以通过饱和电抗器设计满足。后者更为可取。
(4)饱和电抗器的负载是大电动机。它是感性的,其等效阻抗随转速增高而增大。特别是起动初瞬,它近似为纯电感。
(5)饱和电抗器的工作是短期的。一次起动过程通常不超过60秒。

结束语
自从2002年5月第一台2000千瓦高压磁控软起动装置在河南济源钢铁公司正式投运以来,作为工业产品的高压磁控软起动装置在投运数量上已达到了两位数,软起动容量也增长到5500千瓦。

以饱和电抗器为执行元件的软起动技术,已经受到电工理论界和电机软起动产业界的广泛关注。在网上,也常常有网友问及作为高压电动机软起动装置执行元件的饱和电抗器的原理及设计,谨以此文就教于同行。

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