磁控电抗器的特性分析及应用

2022-09-10

磁饱和电抗器的磁滞回线近似于矩形, 拐点明显, 起始µ高, 是一种饱和度可控的铁芯电抗器, 通常我们将磁饱和电抗器等效为一个可控开关和感抗值可调的电感串联支路。作为执行元件应用于大容量电机的软启动时, 比同类的电力电子器件更能耐受恶劣的环境;作为放大器件应用于弧焊电源时, 比交磁放大机系统有更优越的静止性。

1 可控饱和电抗器特点

饱和电感的磁滞回线B-H特性近似呈矩形, 具有以下特性:

(1) 起始磁导率高、等效电感大, 拐点明显;直流控制电流较小的变化即可引起磁导率µ较大的变化, 从而引起输出电流较大的变化, 即具有放大特点。

(2) 在承受外部电压时, 电感内部起始电流增长缓慢, 超过额定电流几倍的电流时, 可控电感立即饱和, 自身的压降在短时间内也随着变化, 具有延时变化特点。

(3) 饱和稳定状态下的工作点远离坐标原点, 忽略磁滞等次要因素, 可得理想化B-H曲线 (图1) , 具有可控开关特点。

2 饱和电抗器的应用

2.1 在大容量电机软启动中的应用

软启动以各种形式的降压、限流软启动为主要形式, 虽然磁饱和电抗器MCR有一定的惯性, 但对于大惯性的电动机系统来说不足为虑, 所以它特别适于大容量电机的软启动。

在大容量电动机恒流软启动装置中作为执行元件的饱和电抗器, 在磁芯未饱和时对输入脉冲呈现高阻抗, 相当于开路, 磁芯饱和时其阻抗值接近于0, 相当于短路。所以实质上磁控电抗器发挥了一个电力电子开关的作用, MCR的通、断是通过其直流励磁间接控制的。

2.1.1 结构特点

(1) 结构对称, 整个电路可看作是两个变压器的反向并联 (图2) 。每个铁心上绕有总匝数为 (N1+N2) 的两个绕组, 不同铁心上的两个绕组交叉并联, 续流二极管VD跨接两个绕组, 按照T1、D1、T2的循环次序导通。

(2) 控制部分为续流二极管及触发电路, 改变晶闸管的导通角α, 就可以控制直流磁通连续变化, 通过改变磁饱和的程度, 达到连续调节等效电抗的目的。

(3) 直流控制电压通过绕组本身自耦变压、续流二极管整流来获得, 将工作绕组和控制绕组结合在一起, 有利于减小损耗、简化结构。

2.1.2 软启动原理

软启动电路由微电子控制器和磁饱和电抗器组成。磁控软启动装置的控制中心是一个抗干扰能力很强的PLC, 它接收来自互感器的信号, 对偏差信号作PID运算, 实现无静差控制;通过SCR三相硅整流电路, 实现对直流绕组励磁电流和铁芯饱和度的控制, 从而改变电抗器的电感, 平滑的改变所串电机电路的启动电压, 实现大功率电机的恒流磁控软启动。软启动过程如下 (图3) :

在QS、KM1相继闭合后, 软启动开始。启动回路为:断路器QS—接触器KM1—可控电抗器M C R—电机。此时磁控电抗器MCR具有较大的电抗值, 在启动过程中, 经过SCR整流不断增加其铁心的饱和度, 减少其等效电感值, 启动电压无级平滑地从初始值上升到全压, 启动转矩匀速增加, 启动特性曲线变软。

启动完成后被真空接触器KM2旁路, 短接软启动器, 软启动过程结束。当转速n接nN近时电抗器两端的电压已降至很小, 短接时不会有明显的二次冲击电流。

运行主回路为:断路器Q S—接触器K M I—接触器K M 2—电机;可控电抗器MCR及其二次侧停止工作。

在启动的过程里, 一旦软启动器控制系统出现故障, 它可以转换成普通电抗器软启动方式运行, 软启动系统出现故障时, 可利用旁路真空接触器直接启动电机。

2.2 在弧焊电源中的应用

饱和电感的B-H曲线表明:饱和电感的起始磁导率高、饱和度可控;直流控制电流IK较小的变化即可引起磁导率µ较大的变化, 从而引起负载工作电流Ih较大的变化, 输出功率比控制功率大几十倍, 放大特性明显。利用这个特性, 并通过改变电抗器内部联线方式, 改变电抗器等效电抗值, 从而调整弧焊电源的外特性, 作为恒流源或恒压源使用。

2.2.1 线路特点

图4为常用的一种内桥反馈控制线路。主电路是由主变压器、磁放大器、硅整流器组件、输出电抗组成;三相主变压器和磁放大器做成一体, 变压器的各相次级绕组穿入磁放大器的铁心, 因而兼起交流绕组的作用;两并联交流绕组之间用导线短接, 实现短路桥式内反馈。内桥内反馈三相磁放大器控制电源的外特性形状, 内反馈电流所产生的磁通与直流控制绕组所产生的磁通相互迭加, 而六只放大器元件的反馈电流所产生的磁通, 在直流控制绕组所产生的感应电势的总和为零, 直流控制绕组为共有。

2.2.2 原理分析

通过可控硅整流电路调整直流控制信号的大小, 当直流控制电流为零时, 铁芯不饱和, 其导磁率最大、电抗值最大, 电源电压大部分降在电抗器的工作绕组上, 负载上的压降最小;当直流控制电流加大时, 铁芯饱和程度加大、导磁率减小、电抗值相应变小, 此时电抗器绕组上的压降变小, 而输出负载电压变大, 实现小功率对大功率的控制。绕组N1为短接部分, 越K=N1/N1+N2大, 电源外特性越陡。

(1) K=1时, 电路为恒流外特性:

K=1时, 电路为无反馈式, 由IK确定的静态工作点在饱和区, 工作绕组中的电流为全波交流, 随着Ih的增大, 工作区由饱和趋向区非饱和区伸展。磁放大器呈现高阻抗, 电源外特性垂直下降, 得到的是“┐”型外特性, 具有恒流源的特点, 这使得它不可能过载, 不需要过载保护, 工作电流Ih稳定。

(2) K=0时, 电路为恒压外特性:

K=0时, 电路为全反馈式, 由IK确定的静态工作点在非饱和区, 工作绕组中电流为整流半波, 起正反馈作用。IK一定时, 随着Ih的增大, 工作区由非饱和区渐向饱和区伸展, 磁放大器呈现低阻抗, 其外特性呈“L”型, 具有恒压源的特点, 输出工作电压比较稳定。

3 结语

除此以外, 我们还利用饱和电感在电流升高的瞬间呈现高阻抗, 而饱和后其饱和电感量很小, 损耗小的特点, 将它与整流二极管串联, 用来抑制功率管、整流管在开通和关断期间所产生的尖峰电流。用它作逆变电源的输出电感, 可有效地改变电源输出电路的时间常数T, 使其近似与R成反比 (T=L/R) , 进而提高其动态性能, 获得平滑的电流、电压波形。

总之, 磁饱和电抗器是一种既有长处又有短处的电力器件, 我们可以充分开拓可以使饱和电抗器扬长避短发挥重要作用的领域。

摘要：磁饱和电抗器有可控、延时、放大的特点。本文将磁饱和电抗器等效为一个可控开关和电抗值可调的电感串联支路, 分别对其作为执行元件应用于大容量电机的软启动, 和作为放大元件用于调整弧焊整流器外特性的线路和工作原理做了介绍和分析。

关键词：磁控,软启动,内桥反馈,外特性