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1、饱和电抗器的原理及特性试验吕崇伟 王毅 （北京交通大学）摘要:饱和电抗器是非线性电抗器件，利用铁磁质的磁导率可变进行工作，通过改变铁心磁通从而改变磁导率进行调节电抗器的电感量。本文主要介绍其工作原理及对样机所进行的特性实验。Abstract：A saturable reactor is nonlinear electrical equipment. This paper introduces the operating principle of this equipment. And on the basis of the experiment, the characteristics of
2、the reactor are analyzed. 关键词：饱和电抗器 原理 特性实验饱和电抗器是利用铁磁质磁化曲线的非线性和饱和特性，也就利用铁磁质的磁导率不是常数这一特性而工作的。饱和电抗器属于交直流同时磁化的非线性电抗器。其主要应用于各种调节设备，起到变换阻抗和传输能量的作用，如用来调节电炉炉温，调节灯光和调节交流电动机的转速，它具有能实现平滑调节，损耗小和调节范围广的优点。随着技术的发展饱和电抗器在电力系统中的应用前景和潜力也日益增大，例如可在超高压电网中作调相调压设备，在输电系统中可以抑制系统过电压提高系统稳定性，抑制功率振荡，平衡负载，无功补偿提高功率因数及抑制谐波。一 饱和电抗器
3、的工作原理其基本工作原理是用直流绕组电流的大小来改变交流电路的电抗。原理图如图1，它是一个有交流绕组和直流绕组的铁心磁路。交流电流当交流电压和交流回路电阻不变时，交流电流和交流线圈的电感有关。图1 饱和电抗器原理图在不计漏磁的情况下，线圈电感量可以用下式表示，可知交流线圈的电感量在一定的磁路和匝数下和磁路铁心的磁导率成正比。改变磁导率就可以改变交流线圈的电感，从而改变电流和电抗器的容量。由于铁磁质的磁导率不是常数，在正常工作下磁导率随铁心的饱和而减小，而铁心饱和程度的变化可以通过改变直流绕组的励磁电流来实现。增大则铁心的磁感应强度增大，铁心接近饱和，磁导率减小，从而电感值减小，交流电流也随之增
4、大。直流电流的大小可以控制交流电流的大小。直流绕组也被称为控制绕组，交流绕组也被称为工作绕组。图2 磁化曲线示意图图1所示的饱和电抗器由于交直流绕组缠绕在同一铁心上，交流绕组在铁心中产生的交流磁通会在直流绕组中产生交变的感应电动势。所以饱和电抗器通常采用图3所示的结构。它由两个相同的铁心组成，直流绕组采用方向串联接法，所感应的交流电动势相互抵消，不会产生不良影响。1、2是交流输入端，3、4是直流输入端，在实际应用中交直流绕组往往引出一些抽头以满足不同的需求。图4是图3所示双铁心饱和电抗器的BH变化曲线。假设控制电流方向如图3所示，则曲线3和4分别是左右两个铁心中磁感应强度随时间变化的曲线，和分
5、别为其对应的磁场强度变化曲线。饱和电抗器从电源取用的电流为两并联交流线圈电流之和，因此由曲线和相加得曲线，该曲线按一定的比例可以表示为电抗器从电源取用的电流，且对称于时间轴。2和是无直流激磁下的BH变化曲线，可以看出在同一交变磁场下，当恒定磁场存在时，从电源取用的电流值有显著增加，实现了直流控制交流的作用。 图3 双铁心饱和电抗器图4 双铁心饱和电抗器中B和H的变化曲线二 饱和电抗器的特性分析及实验下面介绍图3所示结构的饱和电抗器的各种特性，实验样机为图3所示结构。图5 单个铁心尺寸具体参数如下：额定工作电压1140V，额定容量1kvar。方形铁心截面积：，取0.93，所以铁心有效截面积取。单
6、个铁心体积。交流绕组1200匝，绕组电阻：20.4。直流绕组350匝，绕组电阻1.5。 额定容量工作时参数：工作电流0.85A，控制电流3.5A，铜损为，铁损为。图6为实验装置的接线图，T为中间变压器，T1为调压变压器。由于样机容量比较小，所以对电源容量的要求比较低，一般市电即可满足。图6 实验接线图1 控制特性（输入输出特性）由于铁磁材料磁导率的非线性变化决定了饱和电抗器的电感值在其极限变化范围内也是非线性的，但在磁饱和度不是很高的情况下其控制特性还是类似线性的。而且为了限制操作过电压一般饱和电抗器的额定容量（电流）也要小于其极限容量（电流）。所以通常设计的饱和电抗器在其额定容量内控制特性基
7、本呈线性关系。调节调压器是电抗器交流绕组加上额定工作电压保持不变，改变直流控制电流的大小得到不同的工作电流。图为实测饱和电抗器控制特性，横坐标为控制电流标幺值，纵坐标为工作电流标幺值。可看出其近似线性的关系。图 7实测控制特性2 伏安特性伏安特性曲线是有关饱和电抗器性能的另一重要曲线，如图7所示。横轴表示交流电流有效值或磁场强度，纵轴表示交流电压有效值或磁感应强度。曲线中的每一条都是在一定的直流电压下获得的，该曲线又被称为交直流同时磁化曲线。该曲线同时是设计饱和电抗器的重要参考。当控制电流一定时，伏安特性曲线可分为三段：01段长短取决于直流电流的大小，直流越大01段越长。这是由于电源电压较低时
8、，磁路工作在直流激磁点附近，也就是磁通以直流激磁为主。12段为恒流控制区，交流工作电流不随电压变化，只是与直流控制电流成安匝关系，可见随着电压的升高，电抗器感抗降低。23段电抗器达到饱和。当电压一定时，从伏安特性曲线也可反映出饱和电抗器的线性控制特性，作B（V）=常数的直线与图7的曲线组相交，就可以画出B（V）一定时，类似于图6的控制特性曲线。图7 饱和电抗器的伏安特性3 谐波分析饱和电抗器交流工作电流中主要含有奇次谐波，偶次谐波含量很小，主要由于控制回路提供了良好的偶次谐波流通回路（见参考文献2）。经过实测，饱和电抗器中谐波主要以3、5、7次为主，尤其是3次谐波，必要时要加LC滤波。图8为实
9、测的3、5、7次谐波与相同控制电流下基波的比值，可以看出随着控制电流的增大，也就是饱和度的增大，各次谐波所占的比例都在减小。这一点从图11的电流波形中也能看出来，随着电流接近额定值波形的畸变也变小了。在三相应用中饱和电抗器可以采用三角形连接，给三次谐波提供良好的流通回路，电抗器本身所产生的三次谐波并不会注入到电源中。还有一些新的接线结构的饱和电抗器如外延三角形接线和曲折形接线饱和电抗器。另外还可以利用图8所反映的谐波特性，两组饱和电抗器配合使用尽量使每组工作在高饱和区以减少谐波。图8 各次谐波与对应的基波比值 图9 左为曲折型接线右为外延三角型接法4 高压大容量饱和电抗器负载特性实验方法 对于
10、大容量的电抗器损耗、温升等负载特性参数对于正常工作和安全运行有着重要的作用。但对于高压大容量的饱和电抗器负载特性实验却由于电抗器电压高、电流大、容量可调不易实现。如图10所示电抗器负载特性试验接线，T为调压器，为中间（匹配）变压器，C为补偿电容，L为待测电抗器。通过调压器和变压器可以达到电抗器工作的额定电压，补偿电容则补偿了绝大部分电抗器的无功电流，降低了电源的容量要求，电容容量选择接近电抗器容量。启动时调压器电压较低，电抗器空载，回路中只有电容的补偿电流。调节电抗器的电感值回路电流逐渐减小，电流最小时则回路中只有有功电流。升高电压重复以上步骤就可得到不同容量下的有功电流，调压器升压范围回路电流不超过允许值为标准。图10负载特性实验接线三 小结 饱和电抗器是一种比较成熟的铁磁器件，应用比较广泛。同样它也存在自身的缺点，如体积重量比较大。随着技术的发展，一些新型结构的饱和电抗器出现在一定程度上克服了缺点。随着超高压特高压电网的相继投入运行，饱和电抗器由于其经济可靠在电网中的应用前景十分广泛。在电气化铁路系统高压大容量的饱和电抗器已用于动态无功补偿。 =0 （纵坐标放大五倍） 图11 饱和电抗器电流波形参考文献：徐武安 电感器件设计与计算 四川科学技术出版社陈柏超 新型可控饱和电抗器理论及应用 武汉水利电力大学出版社
