磁集成结构变压器式可控电抗器设计计算

摘要

CRT(Controllable Reactor of Transformer Type，变压器式可控电抗器)是一种无功补偿装置，可用于限制线路过电压、补偿容性无功、抑制短路过电流等方面，较其它可控电抗器具有响应速度快、谐波小、可平滑调节等优点，在电力系统中有很大的应用前景。
　　在分析CRT工作原理的基础上，对目前符合CRT“高阻抗、弱耦合”设计要求的结构作出总结。结果表明，CRT同心式结构虽结构简单，但存在成本高、容量浪费、控制绕组间解耦效果差等弊端;现有CRT磁集成结构弥补了同心式结构的不足，但结构复杂，制作难度大，不易工程应用。为此，本文提出一种结构简单、通用性强的CRT磁集成结构，并对结构进行理论分析，给出其设计计算方法，开发设计计算软件，最后进行仿真验证。
　　(1)基于磁集成技术，提出了一种结构简单、易于拓展制造的多基本独立单元CRT磁集成结构。该结构通过在工作绕组与控制绕组之间设置漏磁铁芯使变压器与限流电抗集成在一起构成一个具有“高阻抗”的磁集成基本独立单元;将多个这样的磁集成基本独立单元组合并联成CRT本体，即每个基本独立单元的工作绕组并联构成CRT的工作绕组，这样不仅实现了各控制绕组间的“弱耦合”设计要求，还将CRT本体模块化，为CRT容量扩展及故障检修提供方便。
　　(2)根据结构建立等效磁路与等效电路模型，并详细分析了不同工况下主磁通与漏磁通的分布情况。同时推导了电流计算公式，揭示了电流变化与磁通分布变化之间的内在联系，即随着电流增大，铁芯中与控制绕组相交链的磁通开始向漏磁铁芯中转移。分析表明该结构能够满足CRT“高阻抗、弱耦合”的设计要求，理论上证明结构的正确性。
　　(3)针对所提出的CRT本体结构，在查阅电力变压器与铁芯电抗器等设备的电磁计算方法基础上，详细阐述该结构的设计特点并介绍其计算方法，其中包括铁芯计算、绕组计算、漏磁铁芯计算及损耗与校核计算。在计算漏磁铁芯中气隙大小时，为解决边缘磁通对磁阻的影响，通过估计磁通可能的路径，将气隙及其附近的磁场分成一些不同形状的磁通管，然后分别计算出各磁通管磁阻，再进行加和进而得到整个气隙的磁阻计算公式。如此既保证了计算结果准确性，又简化了计算过程，为结构计算提供方便。
　　(4)基于结构的设计特点及其计算方法，画出了各部分设计计算的步骤示意图。通过对电磁设备设计计算特点的分析，选用Windows操作系统作开发平台，以Visual Basic为开发工具，并采用Access建立铁芯材料与绕组材料数据库，开发出多基本独立单元CRT磁集成结构的设计计算软件，实现该结构的快速计算，为后续的样机开发制作与实验奠定基础。
　　(5)应用所开发的设计计算软件，以实验室小容量样机为例进行设计计算，并将计算的结构参数换算成对应磁阻，计算控制绕组晶闸管不同触发角下工作绕组电流有效值，验证了理论分析的正确性与设计计算公式的合理性。最后在MATLAB/SIMULINK平台下，根据等效电路图建立仿真模型进行仿真，仿真结果验证了结构满足“高阻抗、弱耦合”设计要求及实现快速平滑调节功能要求。
　　本文所采用的方法和所获得的结论对CRT磁集成本体实际工程应用具有指导意义，为后续样机制作与实验奠定基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 研究概况

1．2．1 CRT国内外研究概况

1．2．2 磁集成技术

1．2．3 CRT磁集成结构

1．3 主要研究内容

2 CRT基本理论与磁集成结构CRT设计及分析

2．1 变压器式可控电抗器原理与设计要求

2．2 多基本独立单元磁集成CRT结构设计及磁路电路分析

2．2．1 磁集成结构介绍

2．2．2 磁路分析

2．2．3 等效电路

2．3 小结

3 磁集成CRT设计计算公式

3．1 铁芯计算

3．1．1 铁芯直径确定

3．1．2 铁芯截面积计算

3．2 绕组计算

3．2．1 每匝电势确定

3．2．2 线圈匝数确定

3．2．3 绕组形式选择

3．2．4 绕组尺寸计算

3．3 漏磁铁芯及气隙计算

3．3．1 绕组固有漏抗计算

3．3．2 主电抗占总电抗校核

3．3．3 气隙尺寸计算

3．4 损耗计算与校核

3．4．1 负载损耗计算

3．4．2 空载损耗计算

3．4．3 空载电流计算

3．5 小结

4 磁集成CRT设计计算软件

4．1 开发工具选择与介绍

4．2 设计计算软件结构

4．2．1 铁芯计算步骤

4．2．2 绕组计算步骤

4．2．3 漏磁铁芯计算步骤

4．2．4 校核计算步骤

4．3 输入输出向导介绍

4．4 小结

5 设计举例与仿真分析

5．1 基于设计计算程序的举例计算

5．2 基于MATLAB仿真分析

5．3 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果