直流电抗器

直流电抗器（共3篇）

直流电抗器 篇1

直流侧电抗器广泛用于中小型直流传动电动机的直流侧,改善电动机换向条件,减少电动机铜耗、铁耗及轴电压,改善变流装置放大倍数及直流电动机机械特性。然而,当参数选择不当时,会给传动系统带来一些负面的影响,以下是在一项工程应用中遇到的情况以及处理方法。

1 系统组成

系统组成图如图1所示,本直流传动系统由SIEMENS 6RA7025-6DV62(容量为60 A、420 V)驱动,电动机为某电机厂Z Z J802C直流电动机(容量为7.5 kW、400 V、22.5 A),在传动装置的交流进线侧,安装有快速熔断器F1～F3和交流三相进线电抗器L1～L3,同时还有三相压敏电阻SPD1～SPD3,在传动装置的直流侧,安装有直流平波电抗器L4。这套系统在应用中作为轧机电动压下系统使用,其各个参数的大小见表1。

此外还有一套轧机辊道传动系统,系统组成与上类似,所不同的是直流装置为6RA7018-6DV62(容量为30 A、420 V),直流电动机为Z4-112(容量为3.7 k W)。

2 设备调试时的故障现象

在调试电动压下系统时,将电动机联轴器与机械设备脱开,当输入完电动机等参数后未作电流优化时,系统运行正常。之后作电流优化,面板显示优化成功。在电流优化成功之后再试运行,步骤为,:主回路合闸,在励磁正常后,打开系统使能开关,此时,在未给定输入值时,面板显示故障代码F004,检查发现主回路交流侧快速熔断器中有一相熔断。

3 分析判断

3.1 电枢改换负载判断

在以上电流优化完成的基础上,将电动机电枢负载改换为1 kW电炉丝,在主回路合闸及励磁正常后,系统使能开关打开,此时还未加给定值,系统又报F004故障,检查发现装置交流进线侧快速熔断器F1～F3有一相熔断。此判断说明故障与外负载无关。

3.2 分析优化后参数判断

优化后参数如表2所示。

表2用已有的辊道装置优化后的参数与压下优化后的参数作比较,辊道电机与压下电机功率差别不大,参数优化后应差别不大,但发现压下与辊道有几个明显的不同之处:(1)压下电枢回路电感量相差很大;(2)压下电枢电流调节器的复位时间很长;(3)压下自然换相时间的校正参数全为零。分析可知,问题大概出在电枢回路电感量与整流换向处。

3.3 计算分析

根据电机生产厂所给的电机参数计算电动机的电枢电感量约为25 mH,限制直流侧电流脉动的附加电感量为Lmd、LD、LB。Lmd为与整流方式、变压器二次相电压、电动机额定电流相关的电感量;LD为电动机电枢电感量;LB为变压器二次侧与交流进线电抗器折算至直流侧的电感量。

上式仅首项计算得到的电感量约为72 mH,该值远远小于系统直流侧所配的电抗器电感量为142 m H,因此初步断定问题出在直流侧电抗器L4上。

3.4 问题解决

将直流侧电抗器L4短接,再次进行电流环优化得出以下优化参数,并与辊道传动装置优化参数作比较,如表3所示。

由表3可见,压下电动机电枢回路电感量、电枢电流调节器的复位时间、自然换相时间的校正参数等均与辊道装置优化后参数出入不是很大,关键的参数是自然换相时间的校正参数不为零[1]。基于以上压下装置的优化参数,再次使装置试运行,运行结果一切正常,解决了问题。

4 结语

在直流传动装置输出侧加直流平波电抗器对电动机有好处,但参数一定要选择合适,特别在使用SIEMENS 6RA70与ZZJ系列电动机构成传动系统时,要注意优化后各个参数的变化情况。

摘要：直流传动仍广泛使用在工业应用中,作为中小直流电动机,在直流侧仍广泛使用直流平波电抗器来改善直流电动机的电枢谐波及传动的性能。针对某轧机设备直流电动压下装置,采用对比分析的方法,找出直流电抗器在直流调速装置使用中存在的问题,得出选用直流电抗器对电动机有十分有益的结论,并提醒技术人员注意直流电抗器的参数选择是否合适。

关键词：交直流电抗器,快速熔断器,电流环优化,换相

参考文献

[1]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册[G].北京:机械工业出版社,2006.

直流电抗器及磁芯的组合应用 篇2

电感器是一种在弱电技术常用的电器元件, 电抗器的设计原理主要依据电磁基本理论, 设计过程涉及到材料磁特性、磁导率、磁性材料的加工方法、电抗器的结构、磁路的长度、电抗器的工作频率、电流、波形特点、是否含有交流分量、这些都直接影响到电抗器的设计性能。

输出滤波电抗器是开关电源的主要元件之一, 它与滤波电容一起组成对整流后的脉冲方波进行平滑滤波, 使其成为纹波很小的直流电压。理想的滤波电感应在不同的直流磁化电流通过时, 具有一个固定不变的电感值。

滤波电抗器所选用的磁芯材料一般只允许在一定磁场强度下工作, 超过该值, 则会因磁芯进入饱和而使其电感量明显下降。为了防止磁芯的饱和, 我们将要对电抗器的磁心进行重新设计。

目前, 在国内的输出滤波电感设计中, 设计师们无不例外都根据滤波电感功率的大小选择铁氧体、MPP磁芯、或者ED、CD型磁芯等单一的铁芯。在这里, 将介绍一种组合磁芯电抗器对开关电源滤波的应用, 所采用的磁芯为块状的铁氧体和铁硅铝合金磁芯, 二种不同类型磁芯组合在一起的独特设计, 以实现在不切割磁芯, 当通过一定的直流磁化电流时, 来达到滤波的效果。

铁氧体磁芯具有起始磁导率高和矫顽力低, 即容易磁化也极易退磁的特点, 在高频使用情况下损耗将比铁粉芯大为改善, 并且噪音也会大有改善。铁硅铝合金磁芯初始磁导率低, 用它做磁芯柱电抗器将不容易饱和, 且线圈所用的匝数较少。综合以上二种磁芯材料的特点, 这样, 将大大地缩小了直流电抗器的体积, 降低了电抗器的噪音, 且极大程度的节约了生产成本,

这种组合磁芯的电抗器可广泛地应用于功率扼流圈、并列式滤波器、开关电源电感、功率因素校正电路等各种电子设备中。

1 直流电抗器基本参数

额定电感量L:1.2mH;额定直流电流I:10A

开关频率:20kHz;交流电流峰峰值Ipk:1A

2 磁芯的选择

常用的软磁材料对比:

Ni-Zn系铁氧体使用频率100kHz~100MHz, 最高可使用到300MHz。这类材料磁导率较低, 电阻率很高, 一般为105~107Ωcm。因此, 高频涡流损耗小, 是1MHz以上高频段磁性能最优良有材料。

Mn-Zn系铁氧体具有高的起始磁导率, 较高的饱和磁感应强度, 在无线电中频或低频范围有低的损耗, 它是1兆赫兹以下频段范围磁性能最优良的铁氧体材料。是软磁铁氧体中产量最大的一种材料。

铁硅铝合金材料成分为Fe-9.5Si-5.5Al附近, 磁致伸缩常数λ≈0, 磁各向异性常数K≈0同时成立, 且能得到高磁导率和低矫顽力的一种合金材料。块状铁硅铝合金磁芯具有以下有点:1) 较大的储能能力;2) 基本无漏磁;3) 良好的温度稳定性;4) 在高频下磁芯损耗较低。

铁硅铝合金磁芯具有低损耗、高直流偏磁场下的磁导率不变的宽恒导特性。但由于其磁导率较低, 对要求电感量较大的滤波电抗器来说, 如果只选用它做磁芯的话, 则要求其尺寸较大, 而且线圈所需的匝数也很多, 造成直流压降也较大。但是Mn-Zn铁氧体的磁导率可达到K数量级, 但在无间隙的情况下, 通过直流磁化电流时, 铁氧体容易进入饱和状态, 使磁导率下降, 其电感量随着直流磁化电流的增加而迅速下降。对比以上软磁材料的特性, 我们选方形铁氧体磁芯做电抗器的轭铁, 圆柱形铁硅铝合金做磁芯柱, 使磁芯的特性互补。既保证了滤波电抗器在小的直流磁化电流时, 有较大的电感量, 同事也确保了在人大的直流磁化电流通过时仍然具有足够的电感量, 从而有效地起到平滑滤波的作用, 满足其滤波的要求。

3 电抗器基本结构

3.1 方形铁氧体磁芯参数及尺寸

3.2 圆柱形铁硅铝合金磁芯参数及尺寸

3.3 磁芯形状和电抗器结构

铁氧体磁芯形状见图1, 铁硅铝合金磁芯见图2, 电抗器结构见图3。

4 电抗器基本计算

1) 铁心柱二端各加一个δ=0.5mm气隙, 单线圈匝数为48匝, 总匝数为96匝;

2) 由于磁芯由二种磁芯材料和空气气隙组成, 利用磁路的欧姆定律计算整体磁芯的磁阻:

Rm—称为磁路的磁阻, 与电阻的表达式相似, 正比于路的长度l, 反比于截面积A和材料的磁导率m;其倒数称为磁导:

3) 利用以上公式计算得出铁氧体磁芯的磁阻R1=79577H-1,

铁硅铝磁芯的磁阻R2=4051806 H-1。

4) 方形气隙磁导率用如下公式计算:

计算得:空气气隙磁阻Rq=2539409 H-1,

5) 磁芯整体磁阻Rm=6670792 H-1, 磁导率Gm=1.5*10-6H。

6) 电抗器电感量用如下公式计算:L=N 2Gδ

则电抗器的电感量L=N2G=96*96*1.5**10-6=1381.5uH

5 结论

如果采用单一铁芯设计, 我们常用的都是采用单一铁芯, 如:CD型硅钢片铁芯。这样线圈绕制匝数都要绕120匝, 为了防止饱和, 必须在磁芯二端加3mm厚的气隙, 增加线圈匝数的同时需要将磁芯体积加大, 并且安装时需将铁芯打包, 并配有安装底板。由此可见, 对于这种类型的滤波电抗器中, 采用组合铁芯相比于单一铁心做滤波电抗器, 不仅可以降低材料成本, 而且体积也将缩小, 损耗和直流电阻都会减小, 以及减小漏磁场对开关电源的影响等优点。

本新型设计提供了一种造价低、性能好、应用方便灵活的组合磁芯式大功率高频电抗器, 从而促进电子电力设备的普及应用。

参考文献

[1][美]COLONEL WM.T.MCLYMAN.龚绍文译.变压器与电感器设计手册 (第三册) .

[2]亨利海特维西.李远译.电感计算, 国防工业出版社, 1954.

[3]组合磁芯应用.百度文献.

直流电抗器 篇3

随着电网规模的增大、负荷的增加, 随之带来的问题就是短路电流的增大, 最大短路电流可达60kA以上, 甚至超过了断路器的遮断电流能力, 因此, 限制短路电流是保证电网系统安全稳定的重要手段[1,2,3,4]。

超导限流电抗器的限流原理是:在系统稳定运行时, 超导限流器是低阻抗状态, 当系统中突发短路电流时, 限流电抗器会在短时间 (约5ms) 呈现出高阻抗的状态, 以限制短路电流的大小, 为断路器提供较有利的开断条件。

某35kV超导限流电抗器主要分为电抗系统、直流励磁系统、低温系统、监控保护系统、外壳共5个部分, 其中, 直流励磁系统是限流器的控制部分, 该系统的动作特性就直接决定了限流器的限流效果[1][13]。

2 系统概述

35kV超导限流器直流励磁系统包括超导绕组和直流控制电源两大部分。

组成超导磁体的绕组 (超导绕组) 套在三相六铁芯的中心柱上, 用于向限流器铁芯提供深度饱和的直流偏置磁势。直流控制电源用于向超导绕组提供直流偏磁电流, 控制限流器的运行状态, 直流控制电源包括直流电源、快速开关、磁能吸收模块、快速充磁电路、电网故障识别电路模块, 其原理简图如图1所示。

限流器的运行状态与直流控制电源的工作过程密切相关。在电网正常运行时, 电源提供励磁电流将铁心偏置到深度饱和态, 交流绕组呈现低阻抗, 因此限流器对电网的运行影响较小, 此时的限流器工作状态称之为稳态[5,6,7,8]。当电网发生短路故障时, 电网故障识别电路正确判断出电网故障, 并向快速开关发出断开信号, 指示快速开关动作, 关断直流励磁电源的输出, 使铁心退出饱和态, 限流器呈现高阻抗, 限制了电网中的故障电流, 可以满足限流器的后面的断路器安全切除, 此时的限流器的工作状态称之为限流态。在限流器实现从稳态到限流态的过渡过程中, 需要实现超导磁体中磁能的吸收, 主要实现办法是在超导磁体两端并联高能压敏电阻。为满足断路器正确安全重合闸, 在断路器合闸之前, 电网故障识别电路监测到断路器断开后, 命令直流励磁系统快速开关重新导通, 使限流器铁心恢复到深度饱和态, 确保限流器重新呈现低阻抗, 此时的限流器的工作状态称之为恢复态[13]。

3 直流励磁系统关键技术

3.1 超导绕组设计关键技术

1) 超导绕组匝间绝缘:

超导限流器在稳态运行情况下, 由于交流三相绕组、每相两个绕组间产生的磁通在超导限流器中柱上可以相互抵消, 超导绕组上几乎不会产生交流感应电压, 绕组匝间电压仅为直流电压。但当系统进入到限流状态时, 交流绕组三相间就存在不平衡的关系, 超导绕组会在短路瞬间感应出交流电压, 因此超导绕组匝间绝缘强度是非常重要的问题。

2) 超导绕组承受的电动力:

超导绕组上最大的电动力会出现在限流器限流状态下。在系统发生短路故障的时候, 由于漏磁的存在, 超导绕组轴向和幅向上将承受较大的电动力。轴向电动力使绕组向中间压缩, 这种由电动力产生的机械应力, 可能影响绕组匝间绝缘, 对绕组的匝间绝缘造成损伤;而辐向电动力使绕组向外扩张, 可能失去稳定性, 造成相间绝缘损坏。电动力过大, 严重时可能造成绕组扭曲变形或导线断裂。所以, 超导绕组骨架制作与绕组固化等步骤都需要涉及到绕组的机械强度问题。

3) 超导绕组的热交换:

超导磁体内的绕组是将铜合金线材绕在一个环形的骨架上制作而成, 超导线材的工作环境温度在液氮温区77K (-196℃) 下。只有在保障了超导绕组工作环境温度的情况下, 才能保证超导绕组在超导态正常运行, 因此绕组与液氮之间的热交换问题是设计中的重点。为了使超导线材有较好的散热空间, 很好地与液氮进行热交换, 选择较合理的骨架结构至关重要, 同时还需保证骨架在液氮环境下的机械强度和韧性。

3.2 直流控制电源关键技术

直流控制电源部分包括直流电源、快速开关、磁能吸收模块以及控制模块四部分, 如图1方框所包含内容。直流电源的负载是超导绕组, 在稳态、限流态、恢复态具有不同的运行特性, 因此对直流电源部分及控制部分有着特殊的要求。

3.2.1 直流电源

直流源用于向直流绕组提供直流励磁电流。由于电网长期正常运行, 就要求直流源的输出具有较高的稳定度和可靠性。电源在运行的过程中会遇到两个问题:一个是在稳态运行时, 铁心的不对称性在直流绕组两端产生的感应电压会干扰电源的输出的稳定性;另一个是在限流器在短路故障发生未切断直流回路之前也会有感应电压产生, 会威胁直流电源的安全。

直流源的输出要与超导磁体的设计相匹配, 磁体中的超导绕组由多个超导饼串并联组合而成。35kV挂网限流器超导磁体的设计通流约为300A, 故电源设计额定输出值为300A。

由于直流源的负载是超导材料绕制的绕组, 工作时直流绕组处于超导态, 直流电阻几乎为零, 即电源近乎在短路状态下工作。考虑到导线损耗、导线接点等因素, 超导绕组稳态压降低于0.5V。

所以电源应满足的条件, 一是低电压大电流输出, 二是具有输出抗干扰能力。

3.2.2 直流电源的控制部分

直流电源的控制部分是整个超导限流器的关键装置, 内置的监测单元通过监测交流电网的电压和电流信号, 当监测到交流电网发生短路故障时, 系统在数毫秒内识别出故障, 并及时通过开关和保护系统切断直流励磁, 使超导限流器工作在限流态, 同时保护系统各个部件免受关断电压和交流侧感应过电压影响;在监测到电网故障消除后, 控制系统控制开关重导通, 快速给限流器充磁, 在600ms秒内使其恢复到正常的工作状态。其直流主回路的设计原理图如下:

如图2所示, 限流器稳态运行时, 接触器JCQ1、JCQ2闭合, 接触器JCQ3断开, 三相380V电源经过380V/28V变压器降压, 在经过整流模块, 给电容C1充电 (使用6个500uF的电容串联而成) 用来给超导绕组提供稳定的励磁电流。

在限流态时, 快速开关Q1和Q2同时断开, 直流励磁电流在数毫秒之内由额定值降为0, 励磁电流下降时间测试如图3所示。而在恢复态时, 交流接触器JCQ1、 JCQ2和 JCQ3与稳态时的通断正好相反, 380V交流电则直接经过整流模块, 在电容C1 (4000uF) 两端产生约500V的直流电, 用于向超导磁体强励磁, 以达到在600ms内的完成励磁的时间要求。通过试验测试, 直流励磁电流在520ms内由零达到额定值。

3.2.3 快速开关及过电压保护单元

某变电站35kV出线保护相间电流Ⅰ段为零时限速动段, 继电装置固有动作时间不大于40毫秒, 这段时间之后断路器动作。为保证断路器安全动作, 必须在断路器动作之前将短路电流限制到安全范围[1], 因此对快速开关的断开时间提出这样的指标:直流回路完全断开时间小于5毫秒, 这个时间为快速开关接收到断开指令, 一直到直流回路内电流 (包含铁心内磁能释放的过程) 减小至零 (或很小, 保证限流器铁心退出饱和) 的时间。

选用IGBT做为快速开关可满足断开时间小于5ms的要求, 快速开关由4组IGBT串联组成, 如图5, 串联起到分压作用, 使感应高电压和关断过高压能均摊到每个IGBT两端, 压敏电阻用于保护IGBT, 限制过电压水平, 防止由于关断不同步而造成的高电压击穿IGBT。每个IGBT两端并联一组RC缓冲电路 (R值为1.1欧, C值为0.05uF) 和ZnO压敏电阻。

过电压保护单元采用高能压敏电阻, 利用压敏电阻的非线性伏安特性来限制过电压水平并吸收超导绕组的磁能。

当系统有短路故障时, 直流系统快速开关关断, 其超导绕组两端产生高电压, 过电压值被压敏电阻所钳制, 该过电压值是由所选压敏电阻的型号决定的, 直流系统最高过电压水平为6.3kV。

3.3 其它关键技术

工控机和数据采集保护装置是整个监控保护系统的核心。直流电源励磁系统由其下位机单独控制, 通过以太网接口与工控机进行通讯、数据传输。压力、液氮流量、温度等非电量监控是通过另外的通道上传到工控机进行显示、分析, 工控机根据监控保护原理发出保护指令到数据采集保护装置, 通过数据采集保护装置发出数字开关量信号等控制信号, 最后控制各个阀门、开关、机械泵工作, 保证低温系统和限流器正常稳定运行。如图7所示:

4 结束语