不同磁阀结构对磁控电抗器磁场分布的影响研究

摘要

MCR(Magnetic-Valve Controlled Reactor,磁阀式可控电抗器)是在磁控电抗器的基础上发展起来的，它具有近似线性的伏安特性，且产生的谐波含量低，占地面积省，噪声污染小，维护方便等优点，对于我国电网的优化控制和电网的可持续发展具有十分重要的现实意义。但随着大容量磁阀式可控电抗器的不断应用，其铁心的漏磁和损耗问题也日益突出。MCR铁心损耗产生的机理是由交变的磁场引起的，而MCR特殊的铁心结构，导致铁心不同位置的磁密值相差较大，因此铁心各部位的漏磁和损耗情况也各不相同。合理优化铁心中的磁场分布不仅能有效降低漏磁对自身及其附近设备的影响，还能有效减小损耗，延长电抗器工作寿命。因此对磁阀式可控电抗器的磁阀与磁场分布关系的研究具有重要意义。
　　首先，本文深入阐述了MCR的工作原理，然后在磁饱式可控电抗器的数学模型的基础上将其简化为便于仿真研究的电路数学模型。为真实模拟出交变磁场下铁心的饱和磁化特性，本文借助ANSYS有限元软件对实测值进行近似拟合。
　　其次，以额定工作电压220V、控制电流20A的一台磁阀式可控电抗为例，对其铁心和绕组等结构进行设计，通过 ANSYS有限元软件下的APDL(ANSYS Parametric Design Language,参数化设计语言)操作方式，采用ANSYS场路耦合方法，建立了磁阀式可控电抗器的3-D场路耦合仿真模型。
　　给磁阀结构最简单的单级磁阀铁心绕组加载载荷并进行仿真求解，仿真结果中铁心磁场分布与理论分析相一致，验证了场路耦合仿真实验方法的正确性。最后，通过对文献中常见的其它四种不同磁阀结构铁心进行仿真，给绕组加载不同载荷，且使铁心分别处于不饱和，饱和和极度饱和三种工作状态，对每种状态下磁阀铁心磁场分布及损耗进行分析，发现磁阀结构对铁心的磁场分布有较大影响，为更全面分析磁阀结构对铁心漏磁及损耗的影响，又对四种衍生磁阀铁心结构的仿真结果进行研究，最后在有效减小漏磁及损耗的基础上，找出了一种最优磁阀铁心结构。最终在九种磁阀结构铁心的仿真对比中发现并联结构形式的磁阀能够有效减小铁心损耗。该仿真方法和仿真结果为进一步深入研究磁阀式可控电抗器提供一定的参考依据。

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1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 课题的研究现状

1.3 课题的主要研究内容

2 磁控电抗器原理及数学模型

2.1 MCR结构及工作原理

2.2 磁阀式可控电抗器数学模型

2.3 MCR工作状态转换过程

2.4 MCR等效电路

2.5 MCR特性分析

3 基于ANSYS的场路耦合模型分析及三维仿真建模

3.1 MCR在ANSYS中的建模

3.2 场路耦合模型分析

3.3 MCR三维仿真模型的计算

3.4 采用APDL方法求解MCR

4 磁控电抗器铁心磁路模型仿真分析

4.1 空载时

4.2 仅有控制电流

4.3 工作电压与控制电流同时工作

5 不同磁阀结构对铁心磁场分布的影响比较分析

5.1 相同条件下不同磁阀铁心结构的磁场分布分析比较

5.2 其它衍生形状的磁阀铁心结构磁场仿真结果比较分析

结论

参考文献

附录A APDL建模及求解命令流

攻读学位期间的研究成果