單相飽和電抗器的工作原理

1、.單相飽和電抗器的工作原理 31 概述 如圖31所示的單相飽和電抗器是一個(gè)最典型的可控飽和電抗器電路，掌握其原理和分析方法以后，便于了解其他各種飽和電抗器電路，本章從物理概念出發(fā)，分析討論單相飽和電抗器的基本工作原理。 如圖31所示電路的工作狀態(tài)除了與電源電壓大小及負(fù)載性質(zhì)有關(guān)以外，與鐵心磁化過(guò)程關(guān)系較大，要理解飽和電抗器的工作原理，必須分析鐵心在不同直流控制電壓作用下的磁化狀態(tài)。 單相飽和電抗器的性能除了與鐵心工作狀態(tài)密切相關(guān)以外，還與許多因素有關(guān)：如負(fù)載性質(zhì)(電阻、電感等)、控制回路中偶次諧波電流流通情況等，一般在分析時(shí)為了能抓住物理實(shí)質(zhì)，常常從最簡(jiǎn)單的情況入手，例如，取負(fù)載為純電阻。至于

2、控制回路中偶次諧波電流的處理，則常常考慮分析兩種情況： (1)自然磁化狀態(tài)?？刂苹芈分须娮韬苄。矡o(wú)外加電感，控制繞組兩端加一個(gè)恒定的直流電壓，偶次諧波電流在控制回路中自由流通。 (2)強(qiáng)制磁化狀態(tài)?？刂苹芈冯娮杌蛲饧与姼泻艽螅阋砸种瓶刂苹芈穬?nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的交流分量，控制繞組內(nèi)流通的僅是直流分量，相當(dāng)于加入一個(gè)恒定的直流控制電流。 一般常遇到的是接近自然磁化狀態(tài)的情況。 為了掌握飽和電抗器的工作原理，需要對(duì)各參量波形進(jìn)行分析，波形分析方法是定性討論飽和電抗器原理及工作特點(diǎn)的基本方法。 至于定量計(jì)算飽和電抗器的特性，工程上常用的是圖解法。圖解法以各電磁參量都是等效正弦的假設(shè)為基礎(chǔ)，可以幫助人們確定

3、合理的工作范圍，還可以了解外界參數(shù)變化時(shí)飽和電抗器特性變化的規(guī)律。 32 單相飽和電抗器的原理分析321 基本電磁方程 在分析圖31所示飽和電抗器時(shí)，先做如下的假設(shè)； (1)電源電壓u為正弦，uumsinwt。 (2)負(fù)載為純電阻rl。 (3)忽略各繞組的漏電感(環(huán)形鐵心，繞組均勻分布的情況，漏感最小)。 (4)工作繞組串聯(lián)順接，控制繞組串聯(lián)反接。 設(shè)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定，其中包括：鐵心截面積sc、平均磁路長(zhǎng)度lc、每個(gè)鐵心的工作繞組匝數(shù)ng和控制繞組匝數(shù)nk，以及它們相應(yīng)的電阻值rg、rk等。 但作為可控的飽和電抗器，其外部參數(shù)是可變的，如交流電源電壓u、控制電壓uk、負(fù)載電阻rl等。一般取工程合理

4、值作為額定參數(shù)，因此外部參數(shù)只是圍繞額定值在小范圍內(nèi)可以調(diào)整改變，如果大幅度變化，則飽和電抗器將不受控制，或者工作在很不合理情況，或者利用很不充分。 當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定，并且外部參數(shù)也一定時(shí)，鐵心中b、h大小以及飽和電抗器特性也是一定的。為了進(jìn)行原理分析，首先必須了解鐵心中磁參數(shù)隨控制電壓變化而變化的情況，進(jìn)一步再確定靜特性和時(shí)間常數(shù)。 圖31有兩個(gè)回路：工作回路和控制回路。每個(gè)回路又聯(lián)系著兩個(gè)鐵心，我們可以用基本電磁方程組來(lái)描述這兩個(gè)回路的工作。這個(gè)方程組表示了各回路中結(jié)構(gòu)參數(shù)、外部參數(shù)及鐵心磁參數(shù)間的關(guān)系，也表示兩個(gè)回路間的相互聯(lián)系。精品.322 飽和電抗器三種典型狀態(tài)的分析 我們可以取三種典

5、型狀態(tài)進(jìn)行分析，如圖32所示飽和電抗器的輸出一輸入特性i：f(ik)。特性上有三點(diǎn)：點(diǎn)1表示控制電流為零時(shí)的狀態(tài)，這時(shí)半周期內(nèi)鐵心完全不飽和，輸出電流最小，交流繞組感抗值最大；點(diǎn)3表示控制電流很大，使鐵心半周期內(nèi)幾乎完全飽和，輸出電流很大，交流繞組感抗值很??；而點(diǎn)2介于點(diǎn)1和點(diǎn)3之間，處于中間狀態(tài)，半周期內(nèi)，鐵心部分時(shí)間飽和。 以下按上述三種狀態(tài)進(jìn)行分析，即：半周期內(nèi)鐵心不飽和；半周期內(nèi)鐵心部分時(shí)間飽和；半周期內(nèi)鐵心完全飽和。3221 半周期內(nèi)鐵心處于不飽和狀態(tài)(狀態(tài)1) 由于這時(shí)控制電流為零，鐵心僅有交流激磁作用，因此飽和電抗器的工作狀態(tài)相當(dāng)于一個(gè)空載變壓器，工作繞組電抗值很大4 飽和電抗器

6、的輸出反饋 41 概述 為了減小飽和電抗器的控制電流(即提高其放大系數(shù))，必須增大控制繞組匝數(shù)，但這一方法受到工藝及鐵心窗口面積的限制，控制繞組匝數(shù)實(shí)際上不可能任意增大。 另一種方法是利用正反饋的原理減小控制功率。所謂反饋，就是從飽和電抗器的輸出電壓ul取出一部分(或全部)，作為反饋電壓uf(如圖41所示)，加到其輸入端。 當(dāng)增大控制電壓時(shí)，輸出ul增大，則反饋電壓uf也增大。如果uf的作用與控制電壓uk的作用相同，則由于反饋的附加作用，使飽和電抗器輸出更大了。如果反饋電壓起的作用幫助加強(qiáng)控制電壓，稱為正反饋；如果uf的作用與ul的作用相反，它使飽和電抗器輸出下降，即uf減弱了控制電壓，則是負(fù)

7、反饋。 如圖42所示為一個(gè)外加反饋繞組nf的飽和電抗器，習(xí)慣上稱為外反饋(extrinsicfeedback)。在這種飽和電抗器線路中，直流負(fù)載電流流過(guò)反饋繞組nf，反饋繞組極性接法在鐵心上的布置方式等均與控制繞組nk相同，至于是正反饋還負(fù)反饋，則與控制電流激磁和反饋電流激磁的作用是否相同有關(guān)。 圖42中反饋回路與負(fù)載串聯(lián)，它是電流反饋。如果反饋回路與負(fù)載并聯(lián)(即取出負(fù)載上一部分電壓經(jīng)整流后加到反饋繞組nf上)，稱為電壓反饋，由于反饋?zhàn)饔檬峭ㄟ^(guò)安匝nfif的激磁作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此它又是一種磁反饋。如果將負(fù)載電壓上取出部分電壓直接反饋到控制回路中去，則稱為電反饋。 圖42是直流輸出的外反饋飽和電

8、抗器。如果負(fù)載電阻接在整流器交流側(cè)，如圖42中虛線所示的rl，稱為交流輸出的外反饋飽和電抗器。精品. 第42節(jié)將以圖42為例討論外反饋飽和電抗器的工作原理和特性參數(shù)。42 外反饋飽和電抗器的參數(shù) 假設(shè)鐵心磁特性和整流器都是理想的，根據(jù)安匝平衡定律可知，理想的外反饋飽和電抗器必須滿足下列關(guān)系精品.精品.5 自飽和電抗器 51 概述 第3章中所述的可控飽和電抗器；當(dāng)直流控制電流為零時(shí)，其鐵心在交流激磁作用下處于不飽和狀態(tài)，飽和角。這時(shí)交流繞組為一個(gè)非線性扼流(choke)線圈，感抗很大，交流繞組電流很小，工作于“扼流”狀態(tài)。當(dāng)增加直流控制電流時(shí)，鐵心受交流和直流激磁的作用，使導(dǎo)通角。減小，交流繞組

9、感抗減小，電流上升。隨著直流控制電流加大，交流繞組的扼流作用越來(lái)越小，直到鐵心處于飽和狀態(tài)，扼流作用也就消失，這類可控飽和電抗器稱為扼流式飽和電抗器。 如果在圖51(b)可控飽和電抗器中，工作繞組串聯(lián)一個(gè)整流管，則鐵心將在直流和半波正弦的激磁作用下工作。當(dāng)直流控制電流為零時(shí)，在單方向的半波激磁作用下，鐵心將處于飽和狀態(tài)，飽和角a0，交流繞組電流很大，因此這種線路稱為自飽和(self-saturation)電抗器?？客饧又绷骺刂齐娏?與交流整流電流的方向相反)作用，使交流繞組導(dǎo)通角。從零加大，交流繞組電流下降，扼流現(xiàn)象才逐漸呈現(xiàn)出來(lái)。顯然，自飽和電抗器的工作原理與扼流式飽和電抗器完全不同。 本章

10、分析單相自飽和電抗器的線路與工作原理。先以半波激磁的單鐵心可控飽和電抗器為例，說(shuō)明自飽和電抗器的特點(diǎn)。為了便于說(shuō)明其線路原理，假設(shè)工作回路和控制回路均由恒流源供電，即工作繞組通過(guò)的電流為半波正弦(正半周電流為正弦波，負(fù)半周電流為零)，控制繞組回路電阻很大，通過(guò)的電流為直流。 圖51(a)為一個(gè)扼流飽和電抗器，交流電源電壓變化的一周期內(nèi)，工作繞組有交流電流流通。第一半周期，稱為正半周(設(shè)電壓u為正)，鐵心所受到的總激磁安匝為控制回路與工作回路激磁安匝的代數(shù)和。如果繞組連接及直流電源的極性正好在正半周內(nèi)使 可見，在某一個(gè)半周內(nèi)兩繞組上承受電壓的伏秒積分方向是相同的，而另一個(gè)半周則是相反的，這就是為

11、什么這種線路放大系數(shù)受限制的原因。飽和電抗器應(yīng)滿足安匝平衡定律，要提高放大系數(shù)，必須提高控制繞組匝數(shù)。同時(shí)，不論直流電流為正或負(fù)，輸出一輸入特性形狀相同，并與縱軸對(duì)稱。 圖51(b)所示為(半波)自飽和電抗器。如果整流管的極性和繞組的接法正好使兩回路激磁作用方向相反，則在某個(gè)半周內(nèi)(如負(fù)半周)，二極管截止工作回路沒有電流，鐵心只在控制電壓作用下去磁，這個(gè)半周稱為控制半周。而在另一個(gè)半周(即正半周內(nèi))，工作繞組內(nèi)有電流流通，鐵心又受工作繞組上電壓作用而增磁，這個(gè)半周稱為工作半周。這樣工作回路電流是半波正弦，含有直流分量，因而不僅抵消了控制繞組的直流去磁作用，而且還使鐵心反方向磁化，即增磁作用 整流二極管實(shí)際上不僅在工作繞組內(nèi)產(chǎn)生直流分量，而且更主要的是改變了鐵心的磁化過(guò)程，從而改變了飽和電抗器特性。 在工作半周內(nèi)鐵心進(jìn)入飽和，總激磁安匝為精品.它取決于鐵心動(dòng)態(tài)磁特性上去磁段片的大小。這時(shí)送入控制回路的能量主要消耗在控制回路電阻上，(以后將證明ukikrk，損耗pkikrk即為控制回路輸入功率)，這樣放大系