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本科生毕业论文(外文翻译)

题 目 磁控可控电抗器

磁控可控电抗器

Torbjouml;rn Wass1;2, Sven Houml;rnfeldt2, and Stefan Valdemarsso

ABB Corporate Research, SE-721 78 Vauml;steraring;s, Sweden School of Electrical Engineering, Royal Institute of Technology (KTH), SE-100 44 Stockholm, Sweden

摘要：通过连续的无功补偿控制电力传输的控制电抗器可以减少传输损耗，增加有功功率的传输容量。研究表明铁的饱和现象和高温超导体的高电流密度可用于设计具有大动态范围，低损耗和有限谐波失真的可控电抗器。我们设计并构建了一个具有高温超导体控制绕组的可控并联电抗器的小型原型。研究提出了可控反应堆的磁路的简单模型，并且我们将模型与可控反应堆的实验测量进行比较。

关键词：高温超导体，磁芯，无功功率控制，饱和磁芯

1介绍

无功功率补偿对于获得高速传输电力线的有效操作至关重要。可以通过串联电感和并联电容器来表征远距离传输电线路。该线路针对额定功率进行了优化。在降低功率的情况下，需要补偿感应无功功率。因此，常规并联电抗器的分立单元按照无功功率的需要进行切换。如果可以控制电抗器的电抗，则可以将电抗调节到传输线的负载，从而提供连续的无功功率补偿，减少传输损耗并增加有功功率的传输容量。为满足电力控制日益增长的需求，超导电力设备预计将产生重大影响[1]。

有两种类型的商业可用的可控电抗器：透射器[2]，也称为可控饱和电抗器（SR）和晶闸管控制反应器（TCR）[3]。导体是在铁磁芯上具有两个绕组的器件。通过一个绕组的直流电流，一个控制绕组使铁芯饱和，另一个主绕组的电抗减小。TCR是晶闸管阀和电抗器的组合。通过控制晶闸管阀和电抗器的电流来改变电抗。常规并联电抗器中的磁芯设计基本上有三种方式：无芯，外壳型和间隙型。无芯电抗器是裸线圈。壳型有磁屏蔽绕组，间隙型具有一个由间隔件形成的许多小气隙的铁杆。这三种类型将大部分磁能存储在空气或空气间隙中。与本文中提出的可控电抗器相反，导体存储铁芯中的大部分磁能，并且通过单独的绕组以直流电流控制铁芯的可磁化性。这两者之间的主要设计差异在于控制绕组的放置。在变压器中，直流控制绕组被放置成使产生与主交流磁场方向相同的直流磁场，通过控制绕组的直流电流使铁芯饱和，并且电抗器的电抗减小。在可控电抗器中，控制绕组被放置成使其产生垂直于主交流磁场的直流磁场。因此，控制绕组中的电流可以控制磁芯的磁化方向，从而控制电抗器的电抗而不产生大的谐波。

我们设计并构建了具有高温超导体（HTS）控制绕组的可控并联电抗器的单相小型原型。研究表明铁的饱和现象和HTS的高电流密度可用于设计具有大动态范围，低损耗和有限谐波的可控电抗器并且介绍了可控电抗器磁路的简单模型，将来自模型的计算与可控反应器上的实验测量进行比较。在第二节中，研究提出了基本思想和模式。在第三节中描述了可控电抗器的设计。在第四节中讨论磁路。在第五节，提出实验结果并与模型进行比较。第六节中给出了结论。

2基本原理和模型

基本原理是将磁能存储在铁芯中，并通过控制绕组以直流电流控制铁芯的磁化能力。铁芯成型为中空圆筒。圆筒由晶粒取向的硅钢条制成，具有饱和磁化.将条卷成圆筒状的卷筒。将与易磁化方向平行的钢的轧制方向选择为辊的方向， 这导致电抗器的动态范围更大。 如图1中展示出了中空圆筒和两个绕组的示意图。 控制绕组穿过中空圆柱体，并在铁筒的方向上产生直流磁场。第二绕组在气缸轴线的方向上产生主交流磁场。如图。当铁芯饱和时，图1还标示出了圆柱坐标中的磁通密度和磁场强度矢量。 是通过主绕组的交流电流的峰值，是通过控制绕组的直流电流。对于各向同性材料，矢量B和H具有基本相同的方向并且

(1)

对于给定的和,

如果H足够大，使铁芯饱和，，因此，变成了

（2）

图1 当铁芯饱和时，具有两个绕组的中空圆柱体的示意图和圆柱坐标中的磁通密度和磁场强度矢量

同时由决定，可以用来控制控制磁化方向，从而控制反应堆的电抗。并联电抗器通常以恒定电压工作，因此可以给出，与上述相同的参数，因此作为函数，和和可以通过下面公式计算

（3）

不必要的影响是将交流分量叠加在直流分量上。 将在峰值和最小值 （4）

之间交替，频率是的两倍。这种交流在控制绕组上产生交流电压。为了获得通过控制绕组的纯直流电流，直流电流源必须具有高的输出阻抗。

磁各向异性导致圆柱体在方向上更容易磁化，并且矢量不是相同的方向。因此略低于（2）。对于大，这个偏差变得不太明显。

图2：电抗器示意图

图3：电抗器的磁路，中空圆筒在中间由轭和四条回路围绕。

3 小型可控电抗器的设计

小型可控电抗器的设计和构造在[7]和[8]中有详细描述。图2示出了具有绕组的电抗器的示意图。图3示出了磁路的视图。电抗器包括回路，两个轭和两个绕组。中心臂是中空圆柱体。两个回路和轭关闭磁路，并由定向层压钢制成。轭在中心具有孔，使得控制绕组可以通过中空圆柱体并通过轭来缠绕。控制绕组由产生直流磁场的四个单独的HTS绕组组成。主绕组是产生交流磁场的铜线圈。具有低于临界电流的直流输电电流的HTS的损耗低。当HTS从传输电流或外部源暴露于交流磁场时，在HTS中消耗滞后和涡流发生损耗。对于我们的绕组，只有位于铁桶内部的部分暴露于显着的交流磁场，并且该磁场沿与产生的电流相同的方向比垂直于输送电流定向的磁场损失更小。控制绕组可以由铜制成;然而，由于高电流密度和低损耗，HTS给电抗器提供了更大的动态范围。

4磁电路

A：控制电路

控制电路的磁路相当简单，控制绕组在气缸的方位方向产生磁场。的磁场强度可以被认为是

（5）

其中是控制绕组的匝数，r是圆柱体的半径。圆筒的内半径为15 mm，外半径为26 mm。因此在内部部分比在气缸的外部部分高1.7倍。因此，比在外部部分中更多的磁能存储在圆筒的内部部分中。这种不均匀分布的磁能会减少动态控制范围并产生谐波。然而，中空圆柱体呈现出最均匀分布的直流磁场的几何形状。从这一点来看，可以以r=20,5mm作为平均值来计算。

B：主电路

主绕组在气缸轴线方向上产生交流磁场。主磁路包括气缸，轭和回路。气缸的高度为126 mm。在圆筒和轭之间以及在轭的层叠中总共有一些小的不需要的空气间隙，总长度为。间隙中的磁场强度可以近似为。轭和两个回路的横截面积有中央圆筒的两倍。因此，避免了这些部件的饱和。在理想的情况下，磁轭和回路中的磁场强度远远小于。因此在这些部分中磁路闭合，没有任何显着的去磁效果。然而，当控制绕组通过磁轭时，磁轭也暴露于直流磁场。磁轭具有靠近孔的窄部分（见图3），其中来自控制绕组的磁通集中。如果该磁通密度变得足够大，则会使轭的这些部分饱和。这是不必要的影响，其增加了通过空气的气缸的磁通泄漏，引起谐波，减小电抗器的动态范围并增加可控主电路的磁长度。通过假设磁轭的这些部分的平均长度具有磁场强度，并且其余磁轭和回路的磁场强度远小于安培定律

(6)

当主绕组的匝数是，大致是两者总宽度的一半，为60mm。结果是可控主电路的磁长度比气缸的实际长度大约20％。 可以通过假设当A，从（6）可得

（7）

5 实验

整个反应器浸没在LN2中。 交流绕组由以50Hz频率工作的可变电压互感器馈电。 直流绕组馈送恒流源。四个线圈围绕中空圆柱体放置--两个靠近中心，两个在边缘放置。线圈测量感应电压，从而测量通过气缸的通量密度。

6 结果和讨论

图4：测量主绕组的无功功率在不同恒定交流电压时的函数。

图4标示了当主交流绕组上的交流电压在20,40,60,80和100V的电压下恒定时的电抗器的无功功率的函数。发现气缸中间的磁通密度为分别为0.32,0.64,0.96,1.28和1.60T。正如预期的那样二者同时增加，并且存储的无功电能增加。无功功率=103 kA / m的无功功率大约是当没有电流通过控制绕组时的功率的六倍。

在没有电流通过控制绕组的情况下，主无功功率被存储在铁辊之间的小空气间隙中或层压的轭中。从（7）和我们的测量当可以得知当=0A，大约为1.86mm。从（6）可以得到。图5显示了在圆筒中央测量的,当时间函数保持恒定在10,30,50和70A，平均值分别为15,44,74和103kA / m。

图5：通过控制绕组在不同恒定直流电流下作为的函数，线由公式（2）给出。

简单的模型假设铁缸是饱和和各向同性的。该模型在高时的测量结果和前文假设一致，其中铁柱充分饱和，并且各向异性的影响不太突出，但结果对于在较低时而有所不同。观察到来自气缸的一些漏磁。 当 = 0kA / m时，圆筒端部测量的为中间值91％，当 =103kA / m时，测量的降至81％。

7 结论

研究已经展示并设计具有大动态范围，低损耗和有限谐波失真的可控并联电抗器的可行性。 控制磁化率的技术也可用于其他电力应用，如无线电频率发生器的滤波器和功率控制。 与铜控制绕组相比，HTS控制绕组由于高电流密度而增加了动态范围，并减少了损耗。

致谢

这项工作得到了ELEKTRA计划和ABB的支持。

参考文献

[1] A. P. Malozemoff, “The new generation of superconductor equipment for the electric power grid,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 16, no.1, pp. 54–58, Mar. 2006.
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[3] S. Torseng, “Shunt-connected reactors and capacitors controlled by thyrisors,” Inst. Elect. Eng. Proc., vol. 128, no. 6, pp. 366–373, Nov.1981.
[4] N. Ning, X. P. Li, J. Fan, W. C. Ng, Y. P. Xu, X. Qian, and H. L. Seet, “A tunable magnetic inductor,” IEEE Trans. Magn., vol. 42, no. 5, pp.1585–1590, May 2006.
[5] A. A. Adly, “Controlling linearity and permeability of iron core inductors using field orientation techniques,” IEEE Trans. Magn., vol. 37, no.4, pp. 2891–2893, Jul 2001.
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[7] T. Holmgren, G. Asplund, P. Hidman, U. Jonsson, S. Valdemarsson, and O. Louml;ouml;f, “A test installation of self-tuned AC filter in the Konti-Skan 2 HVDC link,” in IEEE Power Tech. Conf., Stockholm, Sweden, 1995.
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