飽和電抗器脈沖磁化特性測量分析

張麗萍， 陳 為， 汪晶慧

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 福建 福州 350116)

飽和電抗器脈沖磁化特性測量分析

張麗萍， 陳 為， 汪晶慧

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 福建 福州 350116)

高壓直流輸電換流閥用飽和電抗器的磁芯工作于脈沖磁化工況， 其分析和設(shè)計(jì)需要獲得脈沖勵(lì)磁下的磁特性參數(shù). 借助磁脈沖壓縮法思路, 利用二階振蕩電路測量其脈沖磁化特性參數(shù)， 得到了脈沖激勵(lì)下的初始磁化曲線和磁滯回線. 利用測量結(jié)果計(jì)算其等效電感、 飽和時(shí)間及磁芯在一個(gè)周期內(nèi)的耗能， 分析磁化速率對(duì)磁芯耗能的影響.

脈沖磁化； 磁滯回線； 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度； 磁化速率； 磁芯損耗

0 引言

高壓直流輸電是構(gòu)成堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)骨干網(wǎng)架的主要技術(shù)手段之一. 直流輸電作為成熟可靠的大容量、 遠(yuǎn)距離、 低損耗輸電技術(shù)， 在我國乃至全世界的跨區(qū)域聯(lián)網(wǎng)工程中發(fā)揮了重要作用. 換流閥是高壓直流輸電系統(tǒng)的核心裝備， 飽和電抗器是換流閥中用來保護(hù)晶閘管的重要設(shè)備， 飽和電抗器的設(shè)計(jì)和制造又是換流閥制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一. 飽和電抗器的工作原理是利用磁芯材料的快速飽和特性， 在晶閘管開通瞬間， 磁芯處于非飽和工作區(qū)， 磁導(dǎo)率很高， 阻抗很大， 飽和電抗器承受絕大部分電壓， 起到抑制晶閘管開通浪涌電流的作用， 以保護(hù)晶閘管； 當(dāng)飽和電抗器承受大部分電壓一段很短時(shí)間后(或電流增大到一定程度后)， 磁芯快速進(jìn)入磁飽和狀態(tài)， 磁導(dǎo)率急劇降低， 阻抗很小， 不影響電路的正常工作. 因此， 飽和電抗器在高磁化速率的磁化過程中電感量的變化是飽和電抗器設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素.

除此之外， 隨著直流輸電工程的輸送容量不斷增大， 飽和電抗器的磁芯損耗也變大， 發(fā)熱嚴(yán)重. 飽和電抗器的磁芯長期過熱會(huì)加速其老化， 減少使用壽命， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成飽和電抗器失效. 因此， 磁芯損耗也是飽和電抗器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù). 在工程應(yīng)用中常通過測量飽和電抗器的表面溫度間接獲取飽和電抗器的磁芯損耗， 但表面溫度存在著一定的分散性， 因此， 這種方法只能是很粗略地估算磁芯損耗. 國內(nèi)外學(xué)者對(duì)飽和電抗器的研究大多基于仿真的電抗器模型的構(gòu)建[1-2]. 上述對(duì)飽和電抗器磁芯損耗的測量和模型分析都沒考慮到飽和電抗器高磁化速率工況的影響. 飽和電抗器的感量和磁芯損耗都可由磁化特性獲得, 飽和電抗器的磁化過程具有高磁化速率的特征, 這決定了飽和電抗器磁芯的脈沖磁化特性具有特殊性， 直接用靜態(tài)或者工頻的磁參數(shù)來指導(dǎo)飽和電抗器的設(shè)計(jì)和性能分析必然存在較大誤差. 為得到飽和電抗器磁芯的脈沖磁化特性參數(shù)， 需要測量飽和電抗器實(shí)際工況下的電壓和電流， 但實(shí)際高壓大電流工況下飽和電抗器的電壓和電流難以測量. 為了獲得與實(shí)際工況等效的磁化特性參數(shù)， 需對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行簡化， 搭建適合實(shí)驗(yàn)室測量的平臺(tái). 飽和電抗器工況具有高磁化速率特點(diǎn)， 這與磁脈沖壓縮法[3-12]中非線性電感的工況相似. 磁脈沖壓縮法實(shí)質(zhì)上是多級(jí)的電阻、 電感和電容串聯(lián)(RLC)的二階電路. 飽和電抗器、 晶閘管、 阻尼電容、 阻尼電阻和均壓電容組成的換流閥組件本質(zhì)上也是一個(gè)RLC的二階電路. 因此， 借助磁脈沖壓縮法的思路， 搭建用于測量脈沖磁化特性參數(shù)的RLC二階電路.

為獲得與實(shí)際工況等效的脈沖磁化特性參數(shù)， 在保證電抗器磁芯的磁通密度B、 磁場強(qiáng)度H不變的前提下， 減小電抗器體積， 將大體積的電抗器設(shè)計(jì)為小體積的電感， 增加電感繞組匝數(shù)， 從而減小電壓和電流， 便于測量. 借助磁脈沖壓縮法的思路， 利用儲(chǔ)能電容對(duì)非線性電感放電的RLC振蕩電路測量非線性電感的電壓和電流， 獲得磁芯脈沖激勵(lì)下的初始磁化曲線及磁滯回線. 將初始磁化曲線分為不飽和階段、 飽和階段及深度飽和階段， 研究磁化速率對(duì)各段感量的影響. 并從磁滯回線中分析一個(gè)周期內(nèi)磁芯的耗能以及磁化速率對(duì)耗能的影響.

1 脈沖磁化特性測量電路設(shè)計(jì)

飽和電抗器實(shí)際工作于高電壓、 大電流， 難以實(shí)測， 需要以降低電壓， 減小電流來等效模擬. 為獲得與實(shí)際工況等效的磁化特性參數(shù)， 必須保證模擬工況的磁芯內(nèi)磁通密度B、 磁場強(qiáng)度H與實(shí)際工況一致.

其中：Ae為磁芯橫截面積；N為電感的匝數(shù)；lg為有效磁路長度；ri、ro分別為磁環(huán)內(nèi)、 外半徑.

由式(1)可知， 磁通密度B與電壓、 磁芯橫截面積、 電感的匝數(shù)有關(guān). 降低電壓， 為了保持B不變， 可減小磁芯橫截面積 . 磁場強(qiáng)度H與激磁電流、 電感的匝數(shù)及電感的內(nèi)外徑有關(guān) . 為減小激磁電流可通過增加匝數(shù)使H與實(shí)際工況相同. 根據(jù)模擬工況的電壓和電流可算出測量電感的匝數(shù)為63匝. 為了確保測量的準(zhǔn)確性， 應(yīng)使磁芯內(nèi)磁通密度B分布均勻. 當(dāng)磁芯內(nèi)外半徑之比接近1時(shí)， 則可認(rèn)為磁芯內(nèi)B分布均勻. 選用厚度為0.08 mm的超薄取向硅鋼片繞制成環(huán)形磁芯， 尺寸為62 mm × 60 mm × 13 mm.

借助磁脈沖壓縮法的思路模擬工況的脈沖磁化特性， 測量電路如圖1所示. 其中： C為儲(chǔ)能電容； L為被測非線性電感； G為雙向可控硅； Rs為電路的等效雜散電阻， 包括導(dǎo)線電阻、 可控硅、 電容及磁芯損耗等效電阻. 讓RLC的二階電路工作在振蕩狀態(tài)， 利用二階振蕩電路產(chǎn)生的反向電流對(duì)磁芯去磁. 從圖1中的電路可得到下式的方程組：

圖1 脈沖磁化特性測量電路Fig.1 The circuit for measuring pulse magnetization characteristics

式(2)中微分方程的特征根為：

2 飽和電抗器動(dòng)態(tài)特性測量分析

2.1 初始磁化曲線

圖2 雙繞組測量電壓、 電流波形Fig.2 Waveforms of voltage and current under double winding test

模擬工況下設(shè)計(jì)好電感后， 按圖1搭建測量電路. 選取滿足振蕩條件的電容使測量電路產(chǎn)生二階振蕩. 使用電流探頭測量原邊電流， 為扣除繞組損耗， 電壓則取副邊繞組感應(yīng)電壓. 圖2為1 μF電容充電至250 V， 得到的副邊繞組的感應(yīng)電壓u(t)和原邊電流i(t)的波形圖.

晶閘管導(dǎo)通后， 電容上的電壓迅速施加到磁芯上， 電流開始增大. 增大到一定值后， 電感的感量下降， 磁芯上的電壓隨著電感感量的減小而降低. 圖2中電流在t1處出現(xiàn)拐點(diǎn)后電流快速增大. 這是由于電感的磁芯已飽和， 電感的感量變得很小.t2后電流開始減小， 電壓反向. 0～t2時(shí)間內(nèi)為磁芯的正向磁化階段.

由電壓和電流波形可獲得電感的初始磁化曲線. 改變電容的充電電壓就可得到如圖3、 4所示的不同磁化速率(dB/dt)下初始磁化曲線. 由圖3的初始磁化曲線可將電感的磁化過程分成三個(gè)階段， 從初始到C點(diǎn)為第一階段， 電感工作于不飽和區(qū)， 磁通密度隨著磁場強(qiáng)度的增大快速地增大；C點(diǎn)到D點(diǎn)為第二階段， 電感進(jìn)入飽和區(qū)， 磁通密度增長的速度變緩；D點(diǎn)到磁化過程結(jié)束為第三階段， 電感工作在深度飽和區(qū)， 磁通密度隨著磁場強(qiáng)度增大略微增加. 由圖4的局部放大圖可看出隨著磁化速率的增加， 初始磁化曲線的上升變緩.

圖3 不同磁化速率下的初始磁化曲線 Fig.3 Initial magnetization curve at different magnetization rates

圖4 圖3的局部放大圖Fig.4 Enlargement of Figure 3

2.2 等效相對(duì)脈沖磁導(dǎo)率和等效電感

由初始磁化曲線可得到相對(duì)脈沖磁導(dǎo)率及電感的感量. 脈沖激勵(lì)作用下， 磁化速率對(duì)相對(duì)脈沖磁導(dǎo)率及電感感量的影響尤其明顯， 如圖5所示. 電感處于非飽和區(qū)時(shí)， 隨著磁化速率的增加， 相同磁通密度B值下的相對(duì)脈沖磁導(dǎo)率呈現(xiàn)下降的趨勢. 這是由于隨著磁化速率的增加， 電感兩端的電壓升高， 由于電感磁芯相同的B對(duì)應(yīng)的伏秒積一定， 時(shí)間變小， 則等效工作頻率升高， 磁芯的渦流變大， 渦流的去磁效應(yīng)增強(qiáng)， 使得磁化電流也變大. 由下式可知，H變大，B不變， 相對(duì)脈沖磁導(dǎo)率μr變小. 磁芯進(jìn)入飽和后， 相同的磁通密度B下相對(duì)脈沖磁導(dǎo)率未隨著磁化速率的變化而變化. 這是由于磁芯飽和后， 電流不受磁化速率的影響.

式中：μ0為真空的磁導(dǎo)率.

圖5 不同磁化速率下的相對(duì)脈沖磁導(dǎo)率Fig.5 Relative pulse permeability versus with the magnetization rate

圖5中， 當(dāng)磁化速率為0.15 T·μs-1， 磁芯在不飽和區(qū)，B為0.4、 0.8、 1.2 T時(shí)所對(duì)應(yīng)的脈沖相對(duì)磁導(dǎo)率分別為694、 613、 338. 在飽和與深度飽和區(qū)， 不同的B所對(duì)應(yīng)的相對(duì)磁導(dǎo)率也相差較大. 因此， 相對(duì)脈沖磁導(dǎo)率應(yīng)采用分區(qū)等效的方法來表示電感在不同區(qū)的相對(duì)磁導(dǎo)率. 等效相對(duì)脈沖磁導(dǎo)率定義為， 脈沖激勵(lì)下磁通密度增量和磁場強(qiáng)度增量的比值.

其中： ΔB為脈沖激勵(lì)下的磁通密度增量； ΔH為對(duì)應(yīng)ΔB的磁場強(qiáng)度增量.

由式(5)分別算出不飽和區(qū)、 飽和區(qū)、 深度飽和區(qū)的等效相對(duì)脈沖磁導(dǎo)率， 再依據(jù)下式可分別算出各段對(duì)應(yīng)的感量.

表1 不同磁通密度下電感的感值Tab.1 Inductance under different magnetic flux

式中：μeq為磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率.

電感在磁化速率為0.15 T·μs-1時(shí)， 不飽和段、 飽和段及深度飽和段下的電感值如表1所示. 磁芯飽和后相對(duì)磁導(dǎo)率仍會(huì)隨著磁場強(qiáng)度的增加繼續(xù)下降. 磁芯深度飽和后其飽和電感感量與空心電感接近. 不飽和段與深度飽和段的電感的感量相差較大， 這樣有利于晶閘管在開通過程中起到對(duì)電流的抑制作用； 晶閘管完全開通后， 電感的感量很小而不影響電路正常工作.

2.3 飽和時(shí)間

電感未飽和時(shí)由于感量較大， 會(huì)限制電流的上升. 飽和后， 感量急劇下降， 電流快速上升. 電感的飽和時(shí)間定義為從施加脈沖激勵(lì)到電流開始迅速增長的時(shí)間. 電感飽和時(shí)間的大小直接影響磁芯耗能， 因此， 需要準(zhǔn)確地計(jì)算飽和時(shí)間的大小. 圖2中0～t1的時(shí)間間隔為電感的飽和時(shí)間τ1，t1～t3的時(shí)間間隔為τ2， 0～t3的時(shí)間間隔為τ3.t3時(shí)刻電流值可視為0， 從t3電流值可得到τ3的值.

首先從測出的數(shù)據(jù)中可粗略估算τ2的值(τ2可視為圖2中電流的寬度)， 由Ls=(τ2·π-1)2·C-1可算出電感在t1時(shí)飽和感量Ls， 由能量守恒得：

式中：Uτ1、Iτ1分別指的是t1時(shí)刻的電壓和電流值；Lu是電感在不飽和區(qū)的等效感量；Imax是最大電流值. 由于Iτ1<

由式(8)可得到：

通過Uτ1可確定τ1的值， 將此值與τ3-τ2的值相比較， 如果兩個(gè)值差別很大， 則重新對(duì)τ2估值， 重復(fù)上述步驟直到τ1與τ3-τ2的值接近為止. 表2算出電容在不同充電電壓下的電感飽和時(shí)間， 電感飽和時(shí)間隨磁化速率的增加而變小.

2.4 磁芯能耗

圖6 測量得到的磁滯回線Fig.6 Hysteresis loop

由圖2中測得的電壓和電流算出磁場強(qiáng)度H和磁通密度B， 可得如圖6所示磁化速率為0.15 T·μs-1下的磁滯回線. 由磁滯回線面積積分得到此電感的磁芯在一個(gè)周期內(nèi)的耗能為0.018 J.

通過改變電容電壓， 可以得到如表2所示的不同磁化速率下測量電感磁芯耗能值.

隨著電容電壓的升高， 磁芯磁化速率增大， 磁芯等效工作頻率變高， 渦流增大， 磁芯損耗也隨之變大.

為分析磁芯耗能與充電電容能量的關(guān)系， 選取0.5、 1.0 μF兩種電容， 調(diào)整充電電壓， 使得電容充電能量相等， 計(jì)算電感磁芯耗能占總能量的比例. 如表3所示， 同一電容， 隨著充電能量的增加， 磁芯耗能也增加， 但磁芯耗能占總能量的比例下降. 相同的充電能量下， 充電電壓(即磁化速率)越大， 磁芯耗能越大.

表2 不同磁化速率下的磁芯損耗Tab.2 Core loss with the magnetization rate

表3 相同充電能量不同充電電壓下的磁芯耗能Tab.3 Core loss for different voltage under the charge energyenergy

3 結(jié)語

1) 采用RLC二階振蕩法獲得了不同磁化速率下的速飽和磁芯的初始磁化特性曲線.

2) 在脈沖激勵(lì)下， 磁芯的非飽和與飽和相對(duì)磁導(dǎo)率變化比較劇烈， 電感量也隨著變化， 因此采用等效非飽和電感與等效飽和電感來表征脈沖激勵(lì)電感的感量.

3) 磁芯耗能隨著磁化速率的升高而增加.

4) 在相同的電容下， 磁芯耗能隨著充電能量的增大而增大， 但總的充電能量所占的比例卻變少.

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Measurementandanalysisofpulsemagnetizationcharacteristicsofmagneticcoreofsaturablereactor

ZHANG Liping， CHEN Wei， WANG Jinghui

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

The working condition of HVDC converter valve’s saturable reactor is micro-second pulse excitation. In the design of the magnetic core, the magnetic characteristics under fast pulse magnetization need. In order to obtain the initial magnetization curve ofB-Hand hysteresis loop, the magnetic characteristics under fast pulse magnetization is measured by using RLC resonant circuit. The equivalent inductance, saturated time and energy dissipation of magnetic core in one cycle are calculated by the measured results. The magnetizing rate has influence on the energy dissipation of the core. The characteristics are of great significance to the optimal design of saturable reactor.

pulse magnetization; magnetic hysteresis loop; saturation magnetic induction intensity; magnetization rate; core loss

10.7631/issn.1000-2243.2017.05.0663

1000-2243(2017)05-0663-05

TM474

A

2017-03-17

張麗萍(1977-)， 講師， 主要從事電力電子功率變換技術(shù)、 高頻磁技術(shù)研究， leep-zh@163.com

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016J01217, 2015J01191)

(責(zé)任編輯： 沈蕓)