饱和电抗器的原理及特性试验

饱和电抗器的原理及特性试验

吕崇伟 王毅 （北京交通大学）

摘要:饱和电抗器是非线性电抗器件，利用铁磁质的磁导率可变进行工作，通过改变铁心磁通从而改变磁导率进行调节电抗器的电感量。本文主要介绍其工作原理及对样机所进行的特性实验。

Abstract ：A saturable reactor is nonlinear electrical equipment. This paper introduces the operating principle of this equipment. And on the basis of the experiment, the characteristics of the reactor are analyzed.

关键词：饱和电抗器 原理 特性实验

饱和电抗器是利用铁磁质磁化曲线的非线性和饱和特性，也就利用铁磁质的磁导率不是常数这一特性而工作的。饱和电抗器属于交直流同时磁化的非线性电抗器。其主要应用于各种调节设备，起到变换阻抗和传输能量的作用，如用来调节电炉炉温，调节灯光和调节交流电动机的转速，它具有能实现平滑调节，损耗小和调节范围广的优点。随着技术的发展饱和电抗器在电力系统中的应用前景和潜力也日益增大，例如可在超高压电网中作调相调压设备，在输电系统中可以抑制系统过电压提高系统稳定性，抑制功率振荡，平衡负载，无功补偿提高功率因数及抑制谐波。 一 饱和电抗器的工作原理

其基本工作原理是用直流绕组电流的大小来改变交流电路的电抗。原理图如图1，它是

一个有交流绕组和直流绕组的铁心磁路。交流电流a I =

当交流电压a V 和

交流回路电阻a R 不变时，交流电流a I 和交流线圈的电感a L 有关。

a I a

V a N d

V d

I d

N

图1 饱和电抗器原理图

在不计漏磁的情况下，线圈电感量可以用下式表示2

a

a SN L I l

μψ==，可知交流线圈的电感量在一定的磁路和匝数下和磁路铁心的磁导率成正比。改变磁导率就可以改变交流线圈

的电感，从而改变电流和电抗器的容量。由于铁磁质的磁导率不是常数，在正常工作下磁导率随铁心的饱和而减小，而铁心饱和程度的变化可以通过改变直流绕组的励磁电流d I 来实现。d I 增大则铁心的磁感应强度增大，铁心接近饱和，磁导率减小，从而电感值减小，交流电流a I 也随之增大。直流电流的大小可以控制交流电流的大小。直流绕组也被称为控制绕组，交流绕组也被称为工作绕组。

B

图2 磁化曲线示意图

图1所示的饱和电抗器由于交直流绕组缠绕在同一铁心上，交流绕组在铁心中产生的交流磁通会在直流绕组中产生交变的感应电动势。所以饱和电抗器通常采用图3所示的结构。它由两个相同的铁心组成，直流绕组采用方向串联接法，所感应的交流电动势相互抵消，不会产生不良影响。1、2是交流输入端，3、4是直流输入端，在实际应用中交直流绕组往往引出一些抽头以满足不同的需求。

图4是图3所示双铁心饱和电抗器的BH 变化曲线。假设控制电流方向如图3所示，则曲线3和4分别是左右两个铁心中磁感应强度随时间变化的曲线，'

3和'

4分别为其对应的磁场强度变化曲线。饱和电抗器从电源取用的电流为两并联交流线圈电流之和，因此由曲线

'3和'4相加得曲线'5，该曲线按一定的比例可以表示为电抗器从电源取用的电流，且对称

于时间轴。2和'2是无直流激磁下的BH 变化曲线，可以看出在同一交变磁场下，当恒定磁

场存在时，从电源取用的电流值有显著增加，实现了直流控制交流的作用。

12

3

4

I

I

图3 双铁心饱和电抗器

1

B

2

'

23

'

34

'

45

sin m B t ωt

ωt ω

t

ω0

B sin m B t

ωt

ωt

ωH

-()

H I

图4 双铁心饱和电抗器中B 和H 的变化曲线

二 饱和电抗器的特性分析及实验

下面介绍图3所示结构的饱和电抗器的各种特性，实验样机为图3所示结构。

35A m m =46B m m

=50h m m

=125H m m

=110L m m

=

图5 单个铁心尺寸

具体参数如下：额定工作电压1140V ，额定容量1kvar 。方形铁心截面积：

S K A B φ=⨯⨯，K φ取0.93，所以铁心有效截面积取215cm 。单个铁心体积3500cm 。交

流绕组1200匝，绕组电阻：20.4Ω。直流绕组350匝，绕组电阻1.5Ω。

额定容量工作时参数：工作电流0.85A ，控制电流 3.5A ，铜损为

2220.40.85 1.5 3.533.1w ⨯+⨯=，铁损为32.97.850021014.7w -⨯⨯⨯⨯=。

图6为实验装置的接线图，T 为中间变压器，T1为调压变压器。由于样机容量比较小，所以对电源容量的要求比较低，一般市电即可满足。

图6 实验接线图

1 控制特性（输入输出特性）

由于铁磁材料磁导率的非线性变化决定了饱和电抗器的电感值在其极限变化范围内也是非线性的，但在磁饱和度不是很高的情况下其控制特性还是类似线性的。而且为了限制操作过电压一般饱和电抗器的额定容量（电流）也要小于其极限容量（电流）。所以通常设计的饱和电抗器在其额定容量内控制特性基本呈线性关系。

调节调压器是电抗器交流绕组加上额定工作电压保持不变，改变直流控制电流的大小得到不同的工作电流。图为实测饱和电抗器控制特性，横坐标为控制电流标幺值，纵坐标为工作电流标幺值。可看出其近似线性的关系。