CN103956258A - 一种机械旋转式可调电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械旋转式可调电抗器，属于电工技术领域。本发明包括电抗器本体、超越离合器、外部驱动电机及其控制器，所述电抗器本体包括变压器和旋转铁芯，变压器和旋转铁芯均采用各向异性铁磁材料制作，旋转铁芯呈圆柱体并从变压器铁心的铁扼中穿过、两端则利用法兰固定并通过超越离合器与外部驱动电机相连，外部驱动电机用于在其控制器的控制下驱动旋转铁芯在变压器铁心中旋转，旋转时旋转铁芯与变压器铁心之间的气隙大小保持不变。本发明设备结构简单，易于工程化，可兼顾性能调节、实时性、线性度以及噪声、振动等相关机械指标。

Description

一种机械旋转式可调电抗器

技术领域

本发明属于电工技术领域，更准确地说本发明涉及一种适用于电力系统的机械旋转式可调电抗器。

背景技术

随着电网建设的快速推进，配电网中非线性负载、无功负载的大量接入，电网中无功缺失、电压波动、接地故障等问题频生，严重影响电力系统的安全稳定。用于治理上述电网中存在问题的电力设备在电网中得到广泛应用，如抑制线路单相接地时潜供电流的自动消弧线圈、提供无功功率补偿的并联电抗器、在线路中用于抑制谐波和短路电流的串联电抗器，以及大型电机软启动的启动电抗器。

上述电力设备无一例外地需要电抗器作为其关键部分，电抗器电感值的实时调节成为诸多配电网电力设备的必要功能，如消弧线圈需根据单线接地故障电流大小，调节串接电抗器的电感值；无功补偿装置需根据无功功率目标值，调节补偿电抗器的电抗值。电抗器电抗值的调节性能，已成为研制诸多电力设备的关键因素。

可调电抗器主要分为有机械式、磁控式、电力开关式、变压器式等。现有机械式可调电抗器的技术路线一般包括调匝式和调气隙式，即通过改变线圈匝数或铁芯的气隙长度来等效改变电抗值：调匝式不能连续调节，自动化水平低，换档需停机或需要增加有载开关；调气隙式的线性度低，调节范围有限，且噪声大。

中国专利文件CN1591711A和CN203397855U分别公开了两种旋转铁芯式可调电抗器的技术方案。这两种旋转铁芯式可调电抗器都属于机械旋转式可调电抗器，都采用了旋转动铁芯调节气隙的方式以替代原先技术中通过动铁芯和静铁芯平移调节气隙的方式，在一定程度上改变了电抗器的调节方式。但是这两种旋转铁芯式可调电抗器仍然属于调气隙式电抗器，调气隙式电抗器所具有的线性度低、调节范围有限且噪声大的缺点仍然无法完全克服。

发明内容

本发明的目的是：为了克服现有技术中机械式可调电抗器的缺陷，在现有机械式电抗器调节技术的基础上，提供一种易于工程化的用于配电网的机械旋转式可调电抗器，以适应配电网对可调电抗器这种关键设备的需求，实现在电网应用中电抗值的灵活实时调节。

相比于常规机械式可调电抗器在噪声、振动、调节精度、线性度和调节实时性等性能指标难以兼顾，本发明依据具备各向异性的铁磁材料在不同磁场方向下的不同的磁阻特性，提出利用改变旋转铁芯与磁场角度的方法实现电抗值的连续调节。本发明的机械旋转式可调电抗器设备结构简单，易于工程化，可兼顾性能调节、实时性、线性度以及噪声、振动等相关机械指标。

具体地说，本发明采用以下的技术方案来实现的，包括电抗器本体、超越离合器、外部驱动电机及其控制器，所述电抗器本体包括变压器和旋转铁芯，变压器和旋转铁芯均采用各向异性铁磁材料制作，旋转铁芯呈圆柱体并从变压器铁芯的铁扼中穿过、两端则利用法兰固定并通过超越离合器与外部驱动电机相连，外部驱动电机用于在其控制器的控制下驱动旋转铁芯在变压器铁心中旋转，旋转时旋转铁芯与铁轭之间的气隙大小保持不变。

由以上技术方案可知，由于采用了各向异性铁磁材料的变压器结构研制可调电抗器，并在其中间安置旋转铁芯，因此可以利用改变旋转铁芯相对主磁场角度的方法实现电抗值的连续调节。这种设计设备结构简单，易于工程化，可兼顾调节性能、实时性以及噪声、振动相关机械指标。由于是旋转结构，电抗值可以连续调节，并且由于在旋转调节过程中旋转铁芯与变压器铁心之间的气隙大小是固定的，基本上只有旋转铁芯内磁通量在变化，因此调节精度高，噪音及振动低。通过超越离合器与外部驱动电机相连，不需要外部额外施力，便可保持旋转铁芯在完成调节后固定的角度位置，以维持输出电抗值的稳定。

上述技术方案的进一步特征在于：外部驱动电机控制器中预存有经过线性化处理的电感值-旋转角度数据表。这样做的好处是可以通过查表确定旋转铁芯的旋转角度目标值，从而提高调节时的响应速度和调节精度高，得到更好的输出电抗值的线性度。

上述技术方案的进一步特征在于：所述旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上部或下部穿过。

上述技术方案的进一步特征在于：所述旋转铁芯可以在变压器铁心的铁扼的上部的中间侧向穿过、或者在变压器铁心的铁扼的下部的中间侧向穿过。这样做的好处是易于驱动电机对旋转铁芯的调节控制。

上述技术方案的进一步特征在于：所述旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上部的边角侧向穿过、或者在变压器铁芯的铁扼的下部的边角侧向穿过。这样做的好处是易于加工设计、调节精度高。

上述技术方案的进一步特征在于：所述旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上部沿上下方向穿过、或者在变压器铁芯的下铁扼沿上下方向穿过。这样做的好处是易于旋转铁芯的安装固定。

本发明的有益效果如下：本发明能够克服现有机械式可调电抗器的固有弊端，实现各项性能指标的均衡兼顾。与调匝式相比，本发明的机械旋转式可调电抗器可连续调节，线性度好，自动化水平高；与调气隙式相比，本发明的机械旋转式可调电抗器的气隙值固定，调节精度高，附生噪声振动等指标可控，且调节范围大。与现有通用的磁阀式可调电抗器相比，本发明的机械旋转式可调电抗器在调节时不产生谐波，可省去有载开关等设备，生产成本低，具有优异的经济技术性。与变压器式可调电抗器相比，本发明的机械旋转式可调电抗器的本体结构简单，占地面积小，制造维护成本低，且具有高精度的调节精度。

附图说明

图1为旋转铁芯角度为0°时本发明第一种实施例的电抗器本体主视图。

图2为旋转铁芯角度为0°时本发明第一种实施例的电抗器本体立体视图。

图3为旋转铁芯角度为90°时本发明第一种实施例的电抗器本体主视图。

图4为旋转铁芯角度为90°时本发明第一种实施例的电抗器本体立体视图。

图5为本发明第一种实施例的机械旋转式可调电抗器主视图。

图6为本发明第一种实施例的机械旋转式可调电抗器俯视图。

图7为本发明第一种实施例的机械旋转式可调电抗器立体视图。

图8为本发明机械旋转式可调电抗器的电感随角度变化示意图。

图9为本发明机械旋转式可调电抗器的控制系统功能结构图。

图10为本发明机械旋转式可调电抗器的控制过程示意图。

图11为旋转铁芯角度为顺磁方向时本发明第二种实施例的电抗器本体主视图。

图12为旋转铁芯角度为顺磁方向时本发明第二种实施例的电抗器本体立体视图。

图13为旋转铁芯角度为逆磁方向时本发明第二种实施例的电抗器本体主视图。

图14为旋转铁芯角度为逆磁方向时本发明第二种实施例的电抗器本体立体视图。

图15为本发明第三种实施例的电抗器本体主视图。

图16为旋转铁芯角度为90°时本发明第三种实施例的电抗器本体俯视图。

图17为本发明第四种实施例的电抗器本体主视图。

图18为旋转铁芯角度为0°时本发明第四种实施例的电抗器本体底视图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

图1至图7给出了本发明一个实施例，其中图1至图4是该实施例的电抗器本体在不同旋转角度时的情况，图4至图7是该实施例的机械旋转式可调电抗器的整体情况。

如图4至图7所示，该实施例的机械旋转式可调电抗器的电抗器本体由变压器和旋转铁芯组成。旋转铁芯采用各向异性铁磁材料叠压而成，为圆柱体结构，可保持主磁路均匀，易于驱动控制其旋转铁芯。变压器为一台采用各向异性铁磁材料的变压器，在其铁心的铁轭上部的中间位置侧向开孔，以便放置旋转铁芯。旋转铁芯两端利用法兰固定，保持与变压器铁轭的相对位置。同时旋转铁芯通过超越离合器与外部驱动电机相连，另一端连接轴承，确保旋转铁芯在完成调节后固定其角度，以维持输出目标电抗值不变。超越离合器通过支撑件与底板连接，以实现本体的固定，并降低运行震动、噪声。

旋转铁芯的旋转控制采用步进电机驱动，采用步进电机细分驱动技术，最大细分数为每圆周3200步，旋转时旋转铁芯与变压器铁心之间的气隙大小保持不变。变压器夹件、固定件等采用非磁性材料，以减少导磁产生的涡流损耗及发热等问题。

控制旋转铁芯的驱动电机由控制器进行控制，控制器包含采样单元、驱动单元、通讯单元、信号调理单元、运算单元，系统根据设定电抗值归算为旋转铁芯的角度，进而输出控制信号驱动电机旋转。

该实施例的工作原理为：由于旋转铁芯由各向异性铁磁材料组成，在不同旋转角度下，旋转铁芯的导磁特性存在差异。由于磁通优先从磁阻最小通道形成磁路，电抗器的等效磁阻亦在旋转角度的变化时同步发生变化。

具体而言，在磁路均匀情况下，磁阻Z的表达式为：

$Z=\frac{l}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}N}---\left(1\right)$

其中，μ₀为真空磁导率，μ_r为物质的相对磁导率，N为线圈匝数，l为磁路长度。

而电感值L的表达式为：

F＝NI＝ΦZ

$L=\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}==\frac{\mathrm{NdI}}{Z_{\mathrm{\φ}}\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

其中，Φ为磁通量，N为线圈匝数，Z_φ为磁阻，F为磁动势，I为绕组电流。

由于变压器、旋转铁芯均采用各向异性铁磁材料进行叠加而成，根据磁路特性及磁阻公式(1)可知，在铁芯柱本体的磁场方向和旋转铁芯的顺磁方向相同时，即旋转铁芯角度为0°时，旋转铁芯起顺磁作用，相对磁导率最大，因此磁阻在此时也为最小值。当铁心柱本体的磁场方向和旋转铁芯的顺磁方向垂直时，即旋转铁芯角度为90°时，旋转铁芯起逆磁作用，相对磁导率最小，且铁磁材料之间磁阻也最大，因此磁阻在此时也为最大值。

而由公式2可知，当旋转铁芯处于0°位置时，电抗器磁阻最小，电抗器的输出电抗值最大；当旋转铁芯处于90°位置时，电抗器磁阻逐渐增大，电抗器输出电抗逐渐降至最小值；当旋转铁芯处于0°～90°之间，电抗器磁阻为最大值和最小值的中间值，电抗器输出电抗为最大值和最小值的中间值。电抗器的电抗输出值随角度的变化趋势具体如图8所示。

因此，在该实施例中，在0°即图1和图2所示的旋转铁芯导磁方向和变压器铁轭的导磁方向一致时，电抗器磁阻最小，电抗器的输出电抗值为最大值。在旋转铁芯的旋转角度逐渐从0°逐渐增大至90°的过程中，电抗器磁阻逐渐增大，输出电抗值逐渐减小。当达到90°即图3和图4所示的旋转铁芯导磁方向和变压器铁轭的导磁方向垂直时，电抗器输出电抗值降至最小值。因此通过控制旋转铁芯旋转角度的变化即可控制电抗器的磁阻，输出电抗值也随之变化，从而达到连续调节电抗值的效果。

由于可调电抗器需保持设定电抗值，因此旋转铁芯需要保持调节角度，以维持电抗器输出特定电抗值时的磁阻。而在运行工况中，旋转铁芯受到磁力作用，难以保持特定位置，此时噪声振动发热等问题恶化，不利于可调电抗器的稳定运行。因此该实施例中利用超越离合器、法兰等结构设计构成适用于保持旋转铁芯位置的保持架构，使旋转铁芯在既定位置时避免铁芯角度变化的情况。同时，为降低噪声、振动等机械指标，及提供较大范围的输出电抗值，该实施例对旋转铁芯与铁轭的间隙进行分析设计，根据额定电抗值归算气隙长度。由于在旋转调节过程中旋转铁芯与变压器铁心之间的气隙大小是固定的，基本上只有旋转铁芯内磁通量在变化，因此该实施例调节精度高，噪音及振动低。

该实施例的控制过程如图9、图10所示。步进电机由其控制器加以控制。控制器存储单元中事先预存有经过线性化处理的电感值-旋转角度数据表，当可调电抗器需输出某一特定电抗值时，控制器根据通过查表确定旋转铁芯的旋转角度目标值，利用细分驱动技术产生输出控制信号，再经过信号调理转化为脉冲驱动信号，下发驱动信号至功率驱动单元，驱动步进电机，从而对步进电机进行精密控制带动旋转铁芯旋转到目标位置。步进电机的旋转角度通过位置编码器回送控制系统，并与设定值进行反馈比较。当存在偏差量值时在进行反馈调节，确保旋转铁芯保持在0°～90°的设定值，从而实现电抗器的输出电感根据系统指令进行灵活调节的效果。

由该实施例的结构可知，该实施例的用于配电网的机械旋转式可调电抗器结构，易于加工，其以传统电抗器的变压器为基础进行改造，预留用于安装各向异性旋转铁芯的位置，通过外部驱动电机及其控制器以及超越离合器即可实现可调电抗器的主体功能。

实施例二：

图11至图14给出了本发明的第二个实施例。该实施例与第一个实施例的区别在于旋转铁芯安装位置不同，即在第二个实施例中旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上部的边角侧向穿过，而其他的特征均与第一个实施例相同。这种结构也能实现本发明的全能功能，且易于加工，由于气隙可控更小，控制精度更高，适用于电抗值高精度控制的场合。

实施例三：

图15至图16给出了本发明的第三个实施例。该实施例与第一个实施例的区别也在于旋转铁芯安装位置不同，即在第三个实施例中旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上部沿上下方向穿过，而其他的特征均与第一个实施例基本相同。这种结构也能实现本发明的全能功能，且易于固定旋转铁芯及其驱动电机，便于安装调试，适用于环境复杂、安装困难的环境。

实施例四：

图17至图18给出了本发明的第四个实施例。该实施例与第三个实施例的区别也在于旋转铁芯安装位置不同，即在第四个实施例中旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的下部沿上下方向穿过，而其他的特征均与第三个实施例基本相同。这种结构也能实现本发明的全能功能。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (6)

1.一种机械旋转式可调电抗器，包括电抗器本体，其特征在于，还包括超越离合器、外部驱动电机及其控制器，所述电抗器本体包括变压器和旋转铁芯，变压器和旋转铁芯均采用各向异性铁磁材料制作，旋转铁芯呈圆柱体并从变压器铁心的铁扼中穿过、两端则利用法兰固定并通过超越离合器与外部驱动电机相连，外部驱动电机用于在其控制器的控制下驱动旋转铁芯在变压器铁心中旋转，旋转时旋转铁芯与铁轭之间的气隙大小保持不变。

2.根据权利要求1所述的机械旋转式可调电抗器，其特征在于，外部驱动电机控制器中预存有经过线性化处理的电感值-旋转角度数据表。

3.根据权利要求1或2所述的机械旋转式可调电抗器，其特征在于，所述旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上部或下部穿过。

4.根据权利要求3所述的机械旋转式可调电抗器，其特征在于，所述旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上部的中间侧向穿过、或者在变压器铁心的铁扼的下部的中间侧向穿过。

5.根据权利要求3所述的机械旋转式可调电抗器，其特征在于，所述旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上部的边角侧向穿过、或者在变压器铁心的铁扼的下部的边角侧向穿过。

6.根据权利要求3所述的机械旋转式可调电抗器，其特征在于，所述旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上部沿上下方向穿过、或者在变压器铁心的铁扼的下部沿上下方向穿过。