深度揭秘功率變換的可變電抗器

      一、引言
      可變電抗器作為電抗器的一個重要分支，它具有調(diào)節(jié)電壓和無功補(bǔ)償?shù)墓δ�，可用于電機(jī)的軟起動、風(fēng)機(jī)和水泵的調(diào)速控制，也可用于礦熱爐的節(jié)能控制，其應(yīng)用前景十分廣闊。

      本文研究了一種基于功率變換的可變電抗器，它是對傳統(tǒng)電抗器的一次結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新：它在傳統(tǒng)電抗器的基礎(chǔ)上附加了二次繞組，構(gòu)成可變電抗變換器；一次繞組與負(fù)載串接構(gòu)成一次阻抗串接電路；二次繞組與電力電子功率變換器并接。

      二、可變電抗器的構(gòu)建及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
      1．可變電抗器的構(gòu)建
      可變電抗器由可變電抗變換器和功率變換器構(gòu)成。通過智能控制器控制電力電子功率變換器改變可變電抗變換器二次側(cè)的電流，從而改變可變電抗變換器的一次側(cè)的電流，當(dāng)輸入電壓不變時，實現(xiàn)可變電抗變換器二次阻抗的改變，從而實現(xiàn)可變電抗變換器一次阻抗的改變，實現(xiàn)可變電抗器的阻抗的可變。可變電抗器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

      2．可變電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
      可變電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用晶閘管反向并聯(lián)，并與可變電抗器并接。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。可變電抗器也可采用一對雙向IGBT管串接，并與可變電抗器并接，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示：

      三、可變電抗器的阻抗變換機(jī)理
      本文重點對單相IGBT式可變電抗器(圖2a)的原理進(jìn)行研究[3]。當(dāng)可變電抗器的一次側(cè)輸入電壓時，其二次側(cè)的電壓設(shè)為UN（其最大值為UNm），若IGBT管采用PWM控制（PWM波均為A），則可變電抗器二次側(cè)電壓變?yōu)閁2，其波形如圖4所示：將f用傅立葉級數(shù)展開得式中：將（1）式代入（2）式得由（3）式可知，中除包含基波外，還包含其它諧波，由于采用IGBT管（k值較大），電路中產(chǎn)生的諧波次數(shù)較高，通過可變電抗器的二次側(cè)電感和電容抑制諧波，高次諧波被抑制，U2中只須考慮基波，則二次側(cè)電流式中Z2 為二次側(cè)基波阻抗值，為基波阻抗角。設(shè)可變電抗變換器的一次側(cè)和二次側(cè)的匝數(shù)比為K,則根據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理有一次側(cè)電流則可變電抗轉(zhuǎn)換器一次側(cè)的阻抗的模（當(dāng)D不等于0時）由（7）式可知，改變占空比D即可改變可變電抗變換器的阻抗。當(dāng)D增大時，可變電抗器的阻抗的模減��；當(dāng)D減小時，可變電抗器的阻抗的模增大。由此證明基于功率變換的可變電抗器的阻抗是無極可調(diào)的。

      四、可變電抗器在軟起動中的應(yīng)用
      上述可變電抗器可應(yīng)用于電機(jī)軟起動，采用該可變電抗器制作的智能固態(tài)高壓軟起動裝置實際運行效果良好。智能固態(tài)高壓軟起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。
當(dāng)電機(jī)起動時，合上K2,可變電抗器與電動機(jī)串接，控制系統(tǒng)控制可變電抗器，使其電抗值逐步由大變小，電動機(jī)兩端電壓逐步由小變大，當(dāng)接近額定值時，合上K1，斷開K2，軟起動結(jié)束，電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速正常運行。

      高壓軟起動器實際運行空載起動電流波形與直接全壓起動時電流波形如圖8所示。由以上圖可知電機(jī)直接起動時啟動時間短，約2s，電流最高達(dá)額定電流的6.4倍，且長時間電流達(dá)額定值的5.7倍；而軟起動開始電流幾乎是0，電流最大約達(dá)額定值的2倍，且啟動時間大大增長,約30s�？梢婋姍C(jī)軟起動性能比電機(jī)全壓起動性能大為改善，真正實現(xiàn)了起動電流小、起動沖擊力小、起動損耗少、諧波小的軟起動。

      五、結(jié)束語
      本文提出了一種可變電抗器，它是對傳統(tǒng)電抗器的結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，闡述了它的構(gòu)建、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、阻抗變換機(jī)理，采用該可變電抗器制作的軟起動器實際運行效果良好，經(jīng)濟(jì)效益大。