1 引言
電抗器按其特性可分為固定電抗器和可變電抗器。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展,在很多場合都希望電抗器的電抗值能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)。
可變電抗器經(jīng)歷了從機械式到電磁式,再到電力電子式的發(fā)展過程。機械式可調(diào)電抗器結(jié)構(gòu)簡單,線性度好,但不能實現(xiàn)電感的平滑調(diào)節(jié),目前應(yīng)用較少。電磁式可變電抗器通過改變鐵心的磁阻來改變電感。磁阻大,則電感小;反之,磁阻小,則電感大。電磁式可變電抗器制造工藝簡單,成本較低,在限制過電壓、補償無功功率等方面應(yīng)用潛力大。其主要缺點是響應(yīng)時間長,振動和噪聲較大。電力電子電抗器是近年來研究和開發(fā)出來的一種新型可變電抗器,它采用電磁技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)等,可實現(xiàn)阻抗值的連續(xù)無級可調(diào)。典型代表有晶閘管式電抗器、IGBT式電抗器。
這里主要研究晶閘管式電力電子電抗器,它結(jié)合了傳統(tǒng)機械式電抗器和電磁式電抗器的優(yōu)點,對傳統(tǒng)電抗器進行改進,可實現(xiàn)電抗值的連續(xù)無級可調(diào),且高次諧波較小。
2 電力電子電抗器結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的機械式電抗器結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用調(diào)節(jié)分接頭式的方式來改變電抗器的電感,僅能實現(xiàn)阻抗的有級變換。這里所述的電力電子電抗器將傳統(tǒng)電抗器與電力電子技術(shù)相結(jié)合,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
對比圖1,2知,電力電子電抗器將傳統(tǒng)電抗器的單邊繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計成雙邊繞組結(jié)構(gòu),其初級繞組與負載、電網(wǎng)串接、次級繞組與電力電子阻抗變換器相接,通過阻抗變換控制器控制電力電子阻抗變換器的工作狀態(tài),調(diào)節(jié)電抗變換器次級繞組的電流與阻抗,改變電抗變換器初級繞組的電流和阻抗,實現(xiàn)電抗器的阻抗變換。
3 電力電子電抗器拓撲結(jié)構(gòu)
電力電子電抗器是一種較典型的可變電抗器。三組兩兩反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成電力電子阻抗變換器,通過控制晶閘管的導(dǎo)通角就可控制電抗器的等效阻抗值。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。其一相的等效電路模型如圖4所示。
文獻已經(jīng)詳細推導(dǎo)了電力電子電抗器的阻抗變換原理。晶閘管控制角α與電力電子電抗器次級繞組ax端等效阻抗之間的關(guān)系為:
當(dāng)α=0°時,晶閘管全導(dǎo)通,電力電子電抗器次級繞組相當(dāng)于短路,電流最大,初級繞組電流最大,此時電力電子電抗器初級繞組阻抗最小。
當(dāng)α=180°時,晶閘管關(guān)斷,電力電子電抗器二次繞組相當(dāng)于開路,電流最小,初級繞組電流最小,此時電力電子電抗器初級繞組阻抗最大。
當(dāng)α在0°~180°之間時,電力電子電抗器初級繞組阻抗介于最大值與最小值之間,且連續(xù)可調(diào)。
4 建模與阻抗變換分析
在Matlab/Simulink中,利用電氣模塊PSB對三相電力電子電抗器進行建模與阻抗變換分析。三相電力電子電抗器仿真模型包括:三相電源模塊、三相可變電抗器模塊、三相晶閘管阻抗變換模塊、脈沖觸發(fā)器模塊、負載模塊等。
設(shè)置電源參數(shù):電壓峰值為,頻率為50 Hz;電力電子電抗變換器功率:Pn=107VA,fn=50Hz;初級線圈參數(shù):U1=104V,R1=2 mΩ,L1=0.05H;次級線圈參數(shù):U2=25×105V,R2=2 mΩ,L2=0.05 H;磁阻Rm=200 Ω;勵磁電感Lm=200 H。晶閘管參數(shù)使用默認值。設(shè)置Series RLC Branch的參數(shù):R=100 Ω,L=0.05 H;C為inf,此時負載為感性負載。改變α得到仿真數(shù)據(jù),根據(jù)此數(shù)據(jù)可描點繪出感性負載時α與電力電子電抗器的阻抗模值Z的關(guān)系圖,如圖5所示。
由圖5可見,隨著α的增大,電力電子電抗器初級繞組電壓增大,電流減小,初級繞組阻抗增大,即電力電子電抗器阻抗隨α的增大而增大。這與第3節(jié)中理論分析完全一致。
5 電力電子電抗器的應(yīng)用及實驗
5.1 電力電子電抗器式軟起動器構(gòu)建
軟起動器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。電機起動時,首先合上K1,電力電子電抗器初級繞組與電機、電網(wǎng)串接。根據(jù)阻抗變換原理,阻抗變換控制器通過改變電力電子阻抗變換器中晶閘管的觸發(fā)角,來改變電力電子電抗器初級繞組的阻抗。隨著該阻抗從大到小減小,加在電機上的電壓由小逐漸增大,電機轉(zhuǎn)速逐漸上升,當(dāng)接近額定轉(zhuǎn)速時,合上K2,斷開K1,軟起動結(jié)束,電機以額定轉(zhuǎn)速運行。
5.2 軟起動實
實驗對象為Y90S-4型三相繞線電機,其額定功率1.1 kW,定子Y型連接,額定電壓380 V,額定電流2.7 A,頻率50 Hz,額定轉(zhuǎn)速1 390 r·min-1,功率因數(shù)為0.78。為驗證電力電子電抗器在電機軟起動中的應(yīng)用效果,進行了電機全壓直接起動和帶電力電子電抗器軟起動兩種實驗。
電機空載全壓直接起動:直接合上K2,電機全壓直接起動,起動電流波形如圖7a所示。圖中,電機全壓直接起動時,起動過程很短,最大起動沖擊電流為13.7 A,為額定電流的5.1倍;帶電力電子電抗器軟起動:合上K1,電機帶電力電子電抗器軟起動,起動電流波形如圖7b所示。
電機帶電力電子電抗器起動時,起動過程明顯延長了,電機平滑地起動,最大起動沖擊電流為7.1 A,為額定電流的2.6倍。對比圖7a,b可見,與全壓直接起動相比,帶電力電子電抗器軟起動能減小電機起動電流,達到保護電機及減小電機起動對電網(wǎng)影響的目的。
6 結(jié)論
電力電子電抗器的結(jié)構(gòu)是對傳統(tǒng)機械式可變電抗器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新,這種結(jié)構(gòu)具有高壓與低壓隔離、無源阻抗變換、對元器件的耐壓要求低、阻抗無極調(diào)節(jié)等優(yōu)點。已成功運用于高壓電機軟起動、靜止無功補償器、動態(tài)諧波抑制、風(fēng)機水泵的調(diào)速等方面,具有廣闊的應(yīng)用價值。