单相饱和电抗器的工作原理

单相饱和电抗器的工作原理

3．1 概述

如图3．1所示的单相饱和电抗器是一个最典型的可控饱和电抗器电路，掌握其原理和分析方法以后，便于了解其他各种饱和电抗器电路，本章从物理概念出发，分析讨论单相饱和电抗器的基本工作原理。

如图3．1所示电路的工作状态除了与电源电压大小及负载性质有关以外，与铁心磁化过程关系较大，要理解饱和电抗器的工作原理，必须分析铁心在不同直流控制电压作用下的磁化状态。

单相饱和电抗器的性能除了与铁心工作状态密切相关以外，还与许多因素有关：如负载性质(电阻、电感等)、控制回路中偶次谐波电流流通情况等，一般在分析时为了能抓住物理实质，常常从最简单的情况入手，例如，取负载为纯电阻。至于控制回路中偶次谐波电流的处理，则常常考虑分析两种情况：

(1)自然磁化状态。控制回路中电阻很小，也无外加电感，控制绕组两端加一个恒定的直流电压，偶次谐波电流在控制回路中自由流通。

(2)强制磁化状态。控制回路电阻或外加电感很大，足以抑制控制回路内感应产生的交流分量，控制绕组内流通的仅是直流分量，相当于加入一个恒定的直流控制电流。

一般常遇到的是接近自然磁化状态的情况。

为了掌握饱和电抗器的工作原理，需要对各参量波形进行分析，波形分析方法是定性讨论饱和电抗器原理及工作特点的基本方法。

至于定量计算饱和电抗器的特性，工程上常用的是图解法。图解法以各电磁参量都是等效正弦的假设为基础，可以帮助人们确定合理的工作范围，还可以了解外界参数变化时饱和电抗器特性变化的规律。

3．2 单相饱和电抗器的原理分析

3．2．1 基本电磁方程

在分析图3．1所示饱和电抗器时，先做如下的假设；

(1)电源电压u为正弦，u＝Umsinwt。

(2)负载为纯电阻RL。

(3)忽略各绕组的漏电感(环形铁心，绕组均匀分布的情况，漏感最小)。

(4)工作绕组串联顺接，控制绕组串联反接。

设结构参数一定，其中包括：铁心截面积Sc、平均磁路长度lc、每个铁心的工作绕组匝数Ng和控制绕组匝数Nk，以及它们相应的电阻值rg、rk等。

但作为可控的饱和电抗器，其外部参数是可变的，如交流电源电压u、控制电压Uk、负载电阻RL 等。一般取工程合理值作为额定参数，因此外部参数只是围绕额定值在小范围内可以调整改变，如果大幅度变化，则饱和电抗器将不受控制，或者工作在很不合理情况，或者利用很不充分。

当结构参数一定，并且外部参数也一定时，铁心中B、H大小以及饱和电抗器特性也是一定的。为了进行原理分析，首先必须了解铁心中磁参数随控制电压变化而变化的情况，进一步再确定静特性和时间常数。

图3．1有两个回路：工作回路和控制回路。每个回路又联系着两个铁心，我们可以用基本电磁方程组来描述这两个回路的工作。这个方程组表示了各回路中结构参数、外部参数及铁心磁参数间的关系，也

表示两个回路间的相互联系。

3．2．2 饱和电抗器三种典型状态的分析

我们可以取三种典型状态进行分析，如图3．2所示饱和电抗器的输出一输入特性I：＝f(Ik)。特性上有三点：点1表示控制电流为零时的状态，这时半周期内铁心完全不饱和，输出电流最小，交流绕组感抗值最大；点3表示控制电流很大，使铁心半周期内几乎完全饱和，输出电流很大，交流绕组感抗值很小；而点2介于点1和点3之间，处于中间状态，半周期内，铁心部分时间饱和。

以下按上述三种状态进行分析，即：①半周期内铁心不饱和；②半周期内铁心部分时间饱和；③半周期内铁心完全饱和。

3．2．2．1 半周期内铁心处于不饱和状态(状态1)

由于这时控制电流为零，铁心仅有交流激磁作用，因此饱和电抗器的工作状态相当于一个空载变压器，工作绕组电抗值很大

4 饱和电抗器的输出反馈

4．1 概述

为了减小饱和电抗器的控制电流(即提高其放大系数)，必须增大控制绕组匝数，但这一方法受到工艺及铁心窗口面积的限制，控制绕组匝数实际上不可能任意增大。

另一种方法是利用正反馈的原理减小控制功率。所谓反馈，就是从饱和电抗器的输出电压uL取出一部分(或全部)，作为反馈电压Uf(如图4．1所示)，加到其输入端。

当增大控制电压时，输出UL增大，则反馈电压Uf也增大。如果Uf的作用与控制电压Uk的作用相同，则由于反馈的附加作用，使饱和电抗器输出更大了。如果反馈电压起的作用帮助加强控制电压，称为正反馈；如果Uf的作用与Ul的作用相反，它使饱和电抗器输出下降，即Uf减弱了控制电压，则是负反馈。

如图4．2所示为一个外加反馈绕组Nf的饱和电抗器，习惯上称为外反馈(Extrinsicfeedback)。在这种饱和电抗器线路中，直流负载电流流过反馈绕组Nf，反馈绕组极性接法在铁心上的布置方式等均与控

制绕组Nk相同，至于是正反馈还负反馈，则与控制电流激磁和反馈电流激磁的作用是否相同有关。

图4．2中反馈回路与负载串联，它是电流反馈。如果反馈回路与负载并联(即取出负载上一部分电压经整流后加到反馈绕组Nf上)，称为电压反馈，由于反馈作用是通过安匝NfIf的激磁作用来实现的，因此它又是一种磁反馈。如果将负载电压上取出部分电压直接反馈到控制回路中去，则称为电反馈。

图4．2是直流输出的外反馈饱和电抗器。如果负载电阻接在整流器交流侧，如图4．2中虚线所示的RL，称为交流输出的外反馈饱和电抗器。

第4．2节将以图4．2为例讨论外反馈饱和电抗器的工作原理和特性参数。

4．2 外反馈饱和电抗器的参数

假设铁心磁特性和整流器都是理想的，根据安匝平衡定律可知，理想的外反馈饱和电抗器必须满足下列关系

5 自饱和电抗器

5．1 概述

第3章中所述的可控饱和电抗器；当直流控制电流为零时，其铁心在交流激磁作用下处于不饱和状态，饱和角。这时交流绕组为一个非线性扼流(Choke)线圈，感抗很大，交流绕组电流很小，工作于“扼流”状态。当增加直流控制电流时，铁心受交流和直流激磁的作用，使导通角。减小，交流绕组感抗减小，电流上升。随着直流控制电流加大，交流绕组的扼流作用越来越小，直到铁心处于饱和状态，扼流作用也就消失，这类可控饱和电抗器称为扼流式饱和电抗器。

如果在图5．1(b)可控饱和电抗器中，工作绕组串联一个整流管，则铁心将在直流和半波正弦的激磁作用下工作。当直流控制电流为零时，在单方向的半波激磁作用下，铁心将处于饱和状态，饱和角a＝0，交流绕组电流很大，因此这种线路称为自饱和(Self-Saturation)电抗器。靠外加直流控制电流(与交流整流电流的方向相反)作用，使交流绕组导通角。从零加大，交流绕组电流下降，扼流现象才逐渐呈现出来。显然，自饱和电抗器的工作原理与扼流式饱和电抗器完全不同。

本章分析单相自饱和电抗器的线路与工作原理。先以半波激磁的单铁心可控饱和电抗器为例，说明自饱和电抗器的特点。为了便于说明其线路原理，假设工作回路和控制回路均由恒流源供电，即工作绕组通过的电流为半波正弦(正半周电流为正弦波，负半周电流为零)，控制绕组回路电阻很大，通过的电流为直流。

图5．1(a)为一个扼流饱和电抗器，交流电源电压变化的一周期内，工作绕组有交流电流流通。第一半周期，称为正半周(设电压u为正)，铁心所受到的总激磁安匝为控制回路与工作回路激磁安匝的代数和。如果绕组连接及直流电源的极性正好在正半周内使

可见，在某一个半周内两绕组上承受电压的伏秒积分方向是相同的，而另一个半周则是相反的，这就是为什么这种线路放大系数受限制的原因。饱和电抗器应满足安匝平衡定律，要提高放大系数，必须提高控制绕组匝数。同时，不论直流电流为正或负，输出一输入特性形状相同，并与纵轴对称。

图5．1(b)所示为(半波)自饱和电抗器。如果整流管的极性和绕组的接法正好使两回路激磁作用方向