偏磁式可控电抗器及其应用

苟振文1，危文刚2

（1.宁夏英力特化工股份有限公司   宁夏 石嘴山 753200；2.武汉诺金信科技有限公司   湖北   武汉   430034）

摘要：偏磁式可控电抗器通过自身设计的电源绕组为全控整流桥供电，通过改变整流桥的导通角α产生可控的直流偏磁，在控制绕组开口三角注入可控电抗器的控制绕组，对其阻抗进行调节。在偏磁式可控电抗器的线圈外层设计磁场屏蔽层，和可控电抗器铁芯、上下铁轭共同形成直流磁通回路，有效地屏蔽三相控制绕组产生的直流磁通，可以将偏磁式可控电抗器设计为三相三柱三线包结构，大大降低了电抗器的体积和重量。高压电机软起动是偏磁式可控电抗器一个重要的应用领域，应用容量已接近30MW，前景十分广阔。

关键词：偏磁式   可控电抗器   软起动

0   引   言

可控电抗器因其具备可控硅的调节特性，同时又具备电抗器的安全可靠性，其应用产品深受用户青睐。但是，传统的可控电抗器均设计为三相六（或十二）柱六线包结构，[1]存在着体积庞大，材料消耗大，损耗大，接线复杂的缺点。本文介绍一种新型的偏磁式可控电抗器，具备和传统可控电抗器一样的控制特性和安全性。偏磁式可控电抗器设计为三相三柱三线包结构，体积为传统可控电抗器的50%，具有占地面积小，重量轻，损耗小、成本相对较低的优势。目前，偏磁式可控电抗器已在电动机软起动上大量应用，**电机功率已达到27000KW，接近30MW。

原理与创新

在偏磁式可控电抗器工作绕组两端施加u(t)=Umsinωt工频电压，根据变压器原理，电源绕组会感应出400V的工频电压为全控整流桥供电，通过调节全控整流桥的导通角α，整流出可控的直流电流Ik，从控制绕组的开口三角处注入控制绕组，实现对工作绕组阻抗的平滑调节。[2]偏磁式可控电抗器采用全新的结构原理，具有如下的技术创新：                                           

   图1   偏磁式可控电抗器原理图

自感应整流电源技术

偏磁式可控电抗器利用变压器的原理，设计有电源绕组为整流桥供电，解决了传统可控电抗自需要大容量低压电流为整流器件供电的问题。

全控整流技术

偏磁式可控电抗器利用全控整流桥，将电源绕组的工频电压整流为可控的直流电流注入控制绕组，实现了对电抗器工作绕组的调节。[3]   

开口三角矢量技术

偏磁式可控电抗器采用绕组开口三角处电压矢量和为0的技术特性，将全控整流桥接与控制绕组的开口三角处，确保整流元件承受的电压很低。

漏磁屏蔽技术

偏磁式可控电抗器设计为传统变压器的三柱铁芯结构，将三相控制绕组分别绕制在三柱铁芯的铁心柱上。[4]   三相控制绕组产生的直流磁通方向相同，电抗器铁芯没有闭合的直流磁通回路，直流磁通会散发在空中形成漏磁。这种漏磁的危害性很大，会干扰附近的其他设备，可控电抗器也不能正常工作，因此，这种漏磁通必须加以治理，才能保证偏磁式可控电抗器及其附近设备的正常工作。

在偏磁式可控电抗器线圈的外层设计一磁场屏蔽层，这种磁场屏蔽层采用高导磁性材料（如坡莫合金等）的边角废料加工成细小颗粒后，用环氧树脂浇注在可控电抗器线圈的外层，这样，每相直流磁通通过该相电抗器的铁心柱，上铁轭，磁场屏蔽层，下铁轭形成闭合回路，不再散漏在空气中。[5]   

图2   偏磁式可控电抗器结构图          图3   偏磁式可控电抗器直流磁通回路图

2   控制特性

在额定电压下，偏磁式可控电抗器电流ig和整流桥晶闸管导通角α之间的关系实测值如表1：

表1 晶闸管导通角α和饱和电抗器电流ig之间的关系

由表1可以看出，随着导通角α变大，注入控制绕组直流电流增大，可控电抗器工作电流变大，即随着注入控制绕组直流电流的变化，可控电抗器的电流随之变化，我们可以通过控制导通角α的大小，实现对可控电抗器的连续平滑调节。

3   典型应用

偏磁式可控电抗器可广泛应用于电机软起动、电弧炉调压、消弧线圈、动态无功补偿等技术领域，其中高压电机软起动是偏磁式可控电抗器较为典型的一个应用领域。将偏磁式可控电抗器的三相绕组串接于电动机的定子回路，通过检测电动机的定子电流，通过电流闭环控制系统，实现电动机的恒流软起动，起动完成后自动切换至旁路运行。基于偏磁式可控电抗器具有可控性好、起动平稳无冲击、限流范围可调等优良的“软”的特性，同时具有安全性高、免维护、使用寿命成的特点，是高压大中容量电动机软起动的理想选择。[6]   

绥化象屿金谷生化科技有限公司150万吨玉米深加工项目自备电厂电动给水泵电动机参数如下：

      Pe=1700kW，Ue=10kV，Ie=111.5A

该电动机直接起动电流为额定电流的6--7倍，**电流会达到780A，对电网的冲击较大。采用基于偏磁

式可控电抗器的软起动装置起动电流实测曲线如图4：起动电流382A（约3.4Ie），起动时间14S，起动时电网电压水平为0.93，电网压降不超过7%。现场调试时，工程技术人员认为起动电流偏大，起动时间较短，建议将起动电流设置为3倍额定电流，起动时间可能会达到20S以上，由于用户对起动效果很满意，没有做进一步调整就对该设备进行了验收。

图4 启动电流曲线

4   小结

通过创新技术的应用，在保证控制特性不变的情况下，偏磁式可控电抗器改变传统可控电抗器三相六（或十二）柱结构为三相三柱结构，大大降低了设备的体积和材料消耗。基于偏磁式可控电抗器的软起动装置具有优良的“软”起动特性，具有广阔的应用前景。

   参考文献；

[1]、蔡宣三 自励式可控饱和电抗器[M].清华大学

[2]、危文刚等.偏磁式可控电抗器.国家实用新型专利[J]，ZL2018 2 1013026.X

[3]、郑宏婕主编 电力电子技术与应用[M].福建科学技术出版社 2005.1

[4]、谢毓城主编.电力变压器手册[M].机械工业出版社 2003.7

[5]、危佳仪等.一种直流漏磁通屏蔽可控电抗器.国家实用新型专利[J]，ZL2020 2 0196773.2

[6]、危文刚.高压笼型电动机自励式磁控软启动技术[J]   电气时代 2008.1 70-72