智能型楔入式平滑可調電抗器的製作方法

2023-10-17 07:32:29

專利名稱：智能型楔入式平滑可調電抗器的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及到電網中應用廣泛的可調電抗器，用於限制短路電流、無功補償和移相等。
背景技術：
電抗器是一種重要的電氣裝置，在電力系統中廣泛的應用於限制短路電流、潛供電流、工頻過電壓、消除發電機自勵磁、限制操作過電壓、線路容性充電功率和平波等。電抗器按特性來分，可分為固定電抗器和可控電抗器。固定電抗器是指在工作過程中電抗值保持不變的電抗器，而可調電抗器是指在工作過程中可以根據實際需要改變電抗值的電抗
ο隨著電力系統的不斷發展，對電抗器的性能要求越來越高，在許多場合希望電抗器的電抗值可實時調節或控制。如用於配電網中自動消弧線圈的電抗器、用於大型電機無極軟啟動的啟動電抗器、用於故障限流的可控串聯電抗器、用於超(特)高壓輸電線路限制容升和無功補償的並聯高壓電抗器等，都需要根據運行工況實時調節控制。高壓可調電抗器的出現已有幾十年歷史。由於弱電流工程的發展，電力工程師很早就認識到採用高壓諧振電路對大電容試品進行交流試驗的可能性。20世紀40年代末期， 英國弗蘭梯公司採用動圈式低壓電抗器並聯升壓變壓器的方法得到設備所需的高壓可調電抗器。到了 60年代末期，美國專家Manley G. Peschel提出一種新的高壓可調電抗器原理，並於1970年獲得美國專利。這種原理是通過連續調節磁路中的間隙長度來得到連續變化的電感。它一出現就成為新型交流諧振試驗系統的核心設備。目前以調節磁路間隙長度為調感原理的高壓可調電抗器已廣泛用於GIS、電纜、電容器、大型發電機等大電容電力設備的交流試驗。同時，它也作為一種新型消弧線圈應用於電力系統中。Peschel提出得間隙可調高壓電抗器需要採用精密機械傳動裝置，工作可靠性也不是很強。人們設想通過改變交流磁通路徑上的磁導去實現電感的調節，1975年蘇聯製成了一臺6KV、600KVA的靜態高壓電抗器就是這種設想的成功嘗試。傳統的間隙可調高壓電抗器的基本工作原理簡單說來，就是設置動靜兩塊鐵芯， 通過移動動鐵芯來改變動靜鐵芯之間的空氣間隙，從而改變磁導，實現電感的調節，但是此種方法具有一定的局限性由於需要移動動鐵心來改變空氣間隙，使得系統的噪音和振動都比較大，對系統的運行可靠性也會產生一定程度的影響。

發明內容
本發明針對上述空氣間隙可調電抗器的缺陷，設計了一種基於改變鐵芯的磁阻來實現電感值可調的電抗器，利用導磁材料與非導磁材料聯合製成的滑動模塊，可實現電感的平滑調節，且具有低振動、低噪聲的特點。本發明採用的技術方案為當操作人員按下開機按鈕，系統初始化，提示輸入需要得到的電抗值，根據輸入的電抗值，計算機系統通過計算得到滑動模塊需要向上(下)移動的距離值，將處理得到的結果送入步進電機的微機控制單元，發出控制指令，使功率驅動單元驅動步進電機動作，拉動滑動模塊運動到指定的位置，從而得到需要的電抗值。作為本發明的進一步改進本發明所採用的滑動模塊由導磁材料和非導磁材料組成，如圖2(c)所示，陰影部分為非導磁材料製成，對等的另一部分是導磁材料製成，兩個滑塊用軸串接，相對位置固定。滑動模塊在向上拖動的過程中，非導磁部分所佔的空間逐漸增大，導磁部分所佔的空間逐漸減小，阻礙磁通，使得電感值減小。滑動模塊向下拖動時，結果與此相反。這樣通過調節滑動模塊的位置，可以方便調節對應的電抗值。值得一提的是，採用非導磁材料和導磁材料各佔一半的滑動模塊設計，在滑動模塊勻速拖動過程中，非導磁部分和導磁部分是均勻變化的，從而可以平滑調節電抗值。本發明採用步進電機控制滑動模塊的移動。步進電機本身由微機控制單元，功率驅動單元和步進電動機組成，可以連接計算機系統，用計算機集中控制電機的運動。將所需要得到的電抗值輸入到計算機中，由計算機根據提前編寫好的程序，完成運算，得到滑動模塊需要移動的距離，即步進電動機正轉或者反轉的圈數，然後將數據送入步進電機的微機控制單元控制步進電動機的運動，由於採用了計算機來控制，使得操作更為簡便快捷。本發明具有下述優點本發明與已有的技術相比，具有自身的優越性。首先，以往拖動動鐵心來改變空氣間隙調節電抗值的方法，振動和噪音大，且由於機械慣性，控制精度不高。本發明採取滑動模塊這一獨創性的器件，使得電抗值能可以平滑改變，並且固定鐵芯，大大的減小了振動和噪音，使得系統更為穩定。其次，採用計算機來控制步進電機拖動滑動模塊運動，能使得操作更為可視化，更為簡捷。


圖1為本發明裝置的基本結構圖；圖2為本發明裝置在某一工作時刻的基本機構圖和對應滑動模塊位置圖；圖3為本發明裝置的類比電路圖；圖4為步進電機驅動控制器；圖5為專用晶片構成的步進電機驅動系統；圖6為本發明的流程圖。
具體實施例方式圖1為本發明裝置在某一工作時刻的基本機構和對應滑動模塊位置示意圖，考慮此專利有雙滑塊和單滑塊兩種形式，以下分情況做討論1、雙滑塊形式設滑動模塊停在圖2(a)所示位置，滑動模塊放大圖如圖2(c)所示，計算其參數，設左右鐵芯對稱，總長度均為1/2，有效截面積為S，線圈匝數W匝，主磁通 Φ。忽略邊緣效應時其類比電路如圖3(a)所示。根據滑動模塊放大圖所示，可近似求得非導磁材料間隙δ為δ = (b+d)/2，因為滑動模塊本身的體積在整個電抗器結構中所佔比例很小，所以用此種方法估算，誤差在容許的範圍之內。滑塊初始位置如摘要附圖。假設步進電機拖動兩個滑動模塊均運動了距離f，b = tan θ . fD已知鐵芯橫截面邊長為g，可得d =tan θ . (f+g)，所以得到δ = tan0-/ + t^'(/ + g)，可得滑動模塊導磁部分的磁路長度
5 = tang-/ + tana-(/ + g)，所以可得^^為鐵芯及滑動模
塊導磁材料的相對磁導率)，=R02(μΧ為非導磁材料的相對磁導率)，￡m = ^^
為線圈電流)，根據類比電路可得￡m =W=整
理可得，= ^v,,, ^RI11則該電抗器電感為,^2^ 實際鐵
} 1/μΓ+2γ/μΓ+2δ/μχ ,L - }//μ^2δ/μχ 『
芯的相對磁導率μ J艮大，非導磁材料的相對磁導率μχ很小，所以遠小於 2δ/μχ。所以可簡化得丄=W 2^f 。考慮空氣的漏磁通產生的附加電感Ls以及非導磁材料間隙邊緣效應使S的增大，總的電感L Σ可以表示成& = h + ψ2μ°μχ (S2:L3_。漏感Ls可由下式計算
Ls =。式中:Ss—漏磁通等值面積A=營(2尺2+盡2)-——漏磁通等
值長度，《
二 I-I(Ri-R0)InH 』 R0> R1^ &、H分別是鐵心標稱外半徑、繞組內、外半徑和高度，Kd
為鐵心疊片係數。整理可得電感值計算公式
W2μ^^ R^S/Kd)[nH-I(R1-R0)] ^^+ 0￡5Χ αθ. f+ 0,65tsne(f + g)] ΙτΗ1+tan0-/ + tan0(/ + g)2、單滑塊形式由於上述對雙滑塊形式的情況做了比較詳細的參數計算和公式推導，在這裡主要介紹單滑塊情況的不同，當滑動模塊停在圖2(b)所示位置，滑動模塊放大圖如圖2(c)所示，類比電路如圖3(b)所示，可以看到，雙滑塊中的Ro2由鐵芯材料代替，Rol保持不變，這樣再計算的時候，非導磁間隙長度調整為雙滑塊情況的一半即可，雙滑塊情況中磁阻為Ro2 的滑塊由同樣大小的磁阻為Rm3得鐵磁材料所代替，由於在單滑塊情況下，Rml、Rm2、Rm3實際可以看做一個整體，作為一跟鐵芯的三部分，所以可以先計算出Rml+Rm2+Rm3的值作為
鐵芯導磁材料的磁阻值，可得!^^ + !^= + !^〗=^^，!^ =~^r，下面的計算步驟
和原理同雙滑塊情況，在此不再贅述，最後得到的電感值為ζ = ψ2μ^。同樣考慮空氣
的漏磁通產生的附加電感Ls以及非導磁材料間隙邊緣效應使S的增大，總的電感Ls可以表示成
^V0 [ j (2R' +RD-S IKi^nH- 2(R} -R,)] ！ 2ψ2μ,μχ 4s[4s + 0.325 tan θ · / + 0.325 tan θ(/ + g)] ^ —π Γ2+tan 0./ + tan 0(/+ g)
從上式可以看出，隨著滑動模塊的向上抽出，f逐漸變大，δ逐漸變大，使得電感變小，即電抗值變小，這就可調電抗器的基本原理，此發明中滑動模塊的的設計，使得非導磁部分的變化是均勻的，即S的變化是均勻變化的，使得電抗值也隨之均勻變化，有利於保持系統的穩定性，減少噪聲。需要注意的是得到的電感L是根據一個繞組的情況計算的，如有兩個繞組同時工作，當他們的關係是串聯時，電感為2LS ；當他們的關係是並聯時，電感為1/2LS。圖3為本發明裝置的類比電路圖，將磁路類比電路，圖3(a)中把兩個鐵芯的磁阻分別看做是電阻Rml、Rm2，把非導磁材料部分的磁阻看做是電阻Rol、Ro2 ；圖3(b)中把兩邊的鐵芯磁阻看做是電阻Rml、Rm2，把非導磁材料部分的磁阻看做是電阻Rol，把取代雙滑塊情況中下面滑塊的鐵磁材料磁阻看做是電阻Rm3。把磁通看做電流，把磁動勢看做電動勢， 按電路的方法等效計算，求得電感值。圖4所示為步進電機驅動控制器基本構成，步進電動機不能直接接到工頻交流或者直流電源上工作，而必須使用專用的步進電機驅動器，它由脈衝發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的兩個單元可以用微機控制來實現。驅動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口。圖5為使用L297和L298構成的具有恆流斬波功能的步進電動機驅動系統。L297 是步進電機控制器，用來產生兩相雙極性驅動信號(1、2、3、4)與電機電流設定，L298是用來驅動步進電機的電力輸出，由於採用雙極性驅動，因此電機線圈完全利用，使步進電機可以達到最佳驅動。其控制過程在輸入面板中設置電抗值，所需數值輸入微機中通過程序處理，對L297發出相應控制信號(時鐘信號、正反轉信號、復位信號及使能控制信號)，L297 晶片產生相應信號控制L298發出兩相雙極性驅動信號設定電機電流，從而改變滑動可調部分的位置，驅動滑塊部分至微機程序計算位置，從而達到所需電抗值的實現與可調節。圖6為本發明的流程圖，當按下開機按鈕，系統初始化，提示輸入需要得到的電抗值，根據輸入的電抗值，計算機系統通過計算得到滑動模塊需要向上拖動的距離值，將處理得到的結果送入步進電機的微機控制單元，發出控制指令，使功率驅動單元驅動步進電機動作，拉動滑動模塊運動到指定的位置，從而得到需要的電抗值。
權利要求
1.一種智能型楔入式平滑可調電抗器，包括連接步進電動機和滑動模塊的中心軸 (1)、鐵芯(3)、繞組線圈(5)、滑動模塊、步進電機(7)和單片機控制部分(6)，滑動模塊置於鐵芯氣隙處，與鐵芯緊密貼合。其特徵在於滑動模塊由導磁部分(2)和非導磁部分(4)構成，這兩部分形狀大小完全相同且緊密粘合，滑動模塊可在鐵芯氣隙處上下移動。單片機控制部分(6)連接步進電機(7)，通過步進電機(7)控制移動滑動模塊的位置，從而改變電感值大小。
2.根據權利要求1所述的智能型楔入式平滑可調電抗器，其特徵在於當滑動模塊上下移動時，鐵芯之間的導磁部分( 與非導磁部分(4)體積比例改變，即交流磁通路徑上的磁阻改變，使得電感值大小發生變化，同時由於滑動模塊的特殊構造，可實現電抗值的平滑調節。
3.根據權利要求1所述的智能型楔入式平滑可調電抗器，其特徵在於滑塊的初始位置如摘要附圖，測量一些參數值如鐵心標稱外半徑禮、繞組內半徑R1、外半徑R2、高度H和匝數W等，根據計算公式可以算得電感值。對於帶雙氣隙的電抗器，同時移動兩個滑動模塊時 (摘要附圖(a))計算公式為
4.根據權利要求1所述的智能型楔入式平滑可調電抗器，其特徵在於用單片機控制部分(6)連接步進電機(7)，通過步進電機(7)控制移動滑動模塊的位置。將所需要得到的電抗值輸入到計算機中，由計算機根據提前編寫好的程序，完成運算，得到滑動模塊需要移動的距離，控制滑動模塊的移動。
全文摘要
本發明公開了一種智能型楔入式平滑可調電抗器的設計方案，及電抗值的計算方法。該電抗器由主體部分和控制部分構成。主體部分包括一個帶單氣隙或雙氣隙的固定鐵芯、繞組線圈和置於鐵芯氣隙處的滑動模塊。其特徵在於該長方體滑動模塊由兩個緊密粘合的形狀大小完全相同的四面體構成，兩個四面體分別由導磁材料和非導磁材料製成。當滑動模塊上下移動時，鐵芯氣隙處的導磁部分與非導磁部分體積比例改變，即交流磁通路徑上的磁阻改變，從而電抗值大小發生變化。由於滑動模塊的特殊構造，可實現電抗值的平滑調節。控制部分採用了步進電機結合單片機的控制方式，計算速度快，抗幹擾能力強。本發明具有低振動、低噪聲、成本低、重量輕、結構緊湊等特點。
文檔編號H02P13/00GK102360734SQ20111027751
公開日2012年2月22日 申請日期2011年9月19日 優先權日2011年9月19日
發明者李既明, 李景祿, 鄧傑文, 鄭暉 申請人:李既明, 李景祿, 鄧傑文, 鄭暉