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，本章从物理概念岀发，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。

图3. 1工作疑组仏联豹抱和电抗器
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：
⑴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
u~ hR# + 罰$（甥 + 瞬）（3・
1）
S =也+耐巳（警-瞬）<3*
2）
+ 人（3・ 3）
+ H 山
（3.4）
式中：u=U^ir^ti &=小i为负载电流；儿、儿、几、卜仏分别为铁心◎及0的磁参处际乩分別为工作回路及控制何路的总电阻.
当丁作绕组串联时■*；=£“当工件绕组井联时* =
图3Q中*出=乩+2口，口为一个工作绕组的电阻.
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（lk）。

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，输岀电流最小，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，输岀电流很大，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饱和电抗器的输岀反馈
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。

图4. 1反馈原理图（L s为饱和电抗轄）
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UI 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（即取岀负载上一部分电
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Nflf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岀部分电压直接反馈到控制回路中去，则称为电反馈。

图4 . 2是直流输岀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。

图斗・2外反曲剋和电抗器
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
9)
IZ ± I f N f = Z
如果是正反馈.上式中取“ + ”号・反之取“一”号，下而分析计算时・ 反馈作用❾
工作绕组申联时，7< = /L = l/t 代入式（4・1）得
MN.-N,
式中：几为负载电流。

为了计算方便・引入反馈系数K/,它表示反馈激磁作用的强弱
K/ =
H ：
式中：H,为反馈激磁磁场强度•
注：也有的文献取K/ = H
〃H A
・
当反馈绕组和工作绕组产生的磁逋流过同一磁路时・險路平均长度相同・
'N 丄
N<
将式（4・4）代入式（・1・2）可得外反馈饱和电抗器的电流放大系数为与无反馈的饱和电抗器电流放大系数K,相比较，可得与关系为 K' 一 陷
Kl
" 1-K Z
理想外反馈饱和电抗器的电流放大系数比无反馈时要髙，反馈越强，K,越大，K ； 也越大・例如・设无反馈饱和电抗器电流放大系数匕=20・若K z = 0.8,则外反馈饱和 电抗器的电流放大系数为
K\ = - — ■ = 100 1 1-0.8
外反馈饱和电抗器的安注放大系数为
zz z _ K IN _ __ J _ r=瓦一 I -K Z
同理•电压放大系数为
(4.8)
功率放大系数为
K P -
=
(1-K/)1
（1. 1）
主耍不虑正
(1.2)
(4.3)
(4.4)
(4.5)
(4.6) (4.7)
K ：=
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。

图氐】单铁心饱和电挺器
Cfl＞扼蘊惬和电抗肆】5 flftl和电杭器
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
iiN,与匚N.方向相反化则合成激磁安匝为
严厂和N*(5. D 铁心在半周期内储感应改变吊取决于挖制绕ffl及匸作绕细所承受的电压对时间积分
(即所谓伏秒积分)的总和£中，N为每个绕组匝数z为毎个绕组上承受的
电
第二个半周称为员半周，电源电扯为赁勿这时恿的激誉安匝为
SfJV= ~i t N t一(5. 2)
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，输岀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
相反，则在某个半周内（如负半周），二极管截止工作回路没有电流，铁心只在控制电压作用下去磁，这个半周称为控制半周。

而在另一个半周（即正半周内），工作绕组内有电流流通，铁心又受工作绕组上电压作用而增磁，这个半周称为工作半周。

这样工作回路电流是半波正弦，含有直流分量，因而不仅抵消了控制绕组的直流去磁作用，而且还使铁心反方向磁化，即增磁作用整流二极管实际上不仅在工作绕组内产生直流分量，而且更主要的是改变了铁心的磁化过程，从而改
变了饱和电抗器特性。

在工作半周内铁心进入饱和，总激磁安匝为
(5. 3)
而注控制半周内*整流管截止，佚心仅在控制电圧作用下去磁、脱离悒种状态，故
(5.4)
比较式（5.2）及武＜5. 1）可见，布负半周期「工作回路内没有电流流通*这息图
3-1⑹线路不同干图5.1 U）的地方'因此，去磁电流仅为控制回路电流
. HL
它取决于铁心动态磁特性上去磁段片的大小。

这时送入控制回路的能量主要消耗在控制回路电阻上，（以后
将证明Uk = IkRk，损耗Pk = IkRk即为控制回路输入功率），这样放大系数可以提高很多。

在这种情况下，
安匝平衡定律IkNk = IgNg已不再适用。

饱和电抗器的输出电流大小仅取决于工作绕组发热允许值，为提高输岀电流，并不必需按比例增大控制电流。

现在再来比较图5 . 1所示两种线路中铁心磁状态的变化。

当控制电流为零时，图 5 . 1（a）中铁心受
交流激磁作用，磁状态工作点沿对称动态磁回线变化，如图 5 . 2（d）所。