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Title:
MECHANICAL ROTARY ADJUSTABLE REACTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/172416
Kind Code:
A1
Abstract:
A mechanical rotary adjustable reactor, comprising a reactor body, an overrunning clutch, an external drive motor and a controller thereof, wherein the reactor body comprises a transformer and a rotary iron core. Both the transformer and the rotary iron core are made of an anisotropic ferromagnetic material. The rotary iron core is in the shape of a cylinder and passes through a yoke of an iron core of the transformer, and the two ends thereof are fixed using flanges and connected to the external drive motor by the overrunning clutch. The external drive motor is used for driving the rotary iron core to rotate in the iron core of the transformer under the control of the controller thereof, and the air gap between the rotary iron core and the iron core of the transformer is kept unchanged during rotation. The device is simple in structure, and is easily engineered, thereby being able to take account of related mechanical indices of performance adjustment, timeliness, linearity, noise, vibration, etc.

Inventors:
WU WEINING (CN)
HOU KAI (CN)
LI HUIYU (CN)
LV HONGSHUI (CN)
ZOU JIAN (CN)
WU DI (CN)
YANG RUI (CN)
Application Number:
PCT/CN2014/079370
Publication Date:
November 19, 2015
Filing Date:
June 06, 2014
Export Citation:
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Assignee:
NARI GROUP (CN)
STATE GRID ELECTRIC POWER RES INST (CN)
International Classes:
H01F29/10; H01F27/24
Foreign References:
CN203522600U2014-04-02
CN1591711A2005-03-09
CN203397855U2014-01-15
Attorney, Agent or Firm:
ZHISHI LAW FIRM OF INTELLECTUAL PROPERTY (CN)
南京知识律师事务所 (CN)
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Claims:
权 利 要 求 书

1、 一种机械旋转式可调电抗器, 包括电抗器本体, 其特征在于, 还包括超 越离合器、外部驱动电机及其控制器,所述电抗器本体包括变压器和旋转铁芯, 变压器和旋转铁芯均采用各向异性铁磁材料制作, 旋转铁芯呈圆柱体并从变压 器铁心的铁扼中穿过、 两端则利用法兰固定并通过超越离合器与外部驱动电机 相连, 外部驱动电机用于在其控制器的控制下驱动旋转铁芯在变压器铁心中旋 转, 旋转时旋转铁芯与铁轭之间的气隙大小保持不变。

2、 根据权利要求 1所述的机械旋转式可调电抗器, 其特征在于, 外部驱动 电机控制器中预存有经过线性化处理的电感值 -旋转角度数据表。

3、 根据权利要求 1或 2所述的机械旋转式可调电抗器, 其特征在于, 所述 旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上部或下部穿过。

4、 根据权利要求 3所述的机械旋转式可调电抗器, 其特征在于, 所述旋转 铁芯在变压器铁心的铁扼的上部的中间侧向穿过、 或者在变压器铁心的铁扼的 下部的中间侧向穿过。

5、 根据权利要求 3所述的机械旋转式可调电抗器, 其特征在于, 所述旋转 铁芯在变压器铁心的铁扼的上部的边角侧向穿过、 或者在变压器铁心的铁扼的 下部的边角侧向穿过。

6、 根据权利要求 3所述的机械旋转式可调电抗器, 其特征在于, 所述旋转 铁芯在变压器铁心的铁扼的上部沿上下方向穿过、 或者在变压器铁心的铁扼的 下部沿上下方向穿过。

Description:
说 明 书 一种机械旋转式可调电抗器

技术领域

本发明属于电工技术领域, 更准确地说本发明涉及一种适用于电力系统的 机械旋转式可调电抗器。

背景技术

随着电网建设的快速推进, 配电网中非线性负载、 无功负载的大量接入, 电网中无功缺失、 电压波动、 接地故障等问题频生, 严重影响电力系统的安全 稳定。 用于治理上述电网中存在问题的电力设备在电 网中得到广泛应用, 如抑 制线路单相接地时潜供电流的自动消弧线圈、 提供无功功率补偿的并联电抗器、 在线路中用于抑制谐波和短路电流的串联电抗 器, 以及大型电机软启动的启动 电抗器。

上述电力设备无一例外地需要电抗器作为其关 键部分, 电抗器电感值的实 时调节成为诸多配电网电力设备的必要功能, 如消弧线圈需根据单线接地故障 电流大小, 调节串接电抗器的电感值; 无功补偿装置需根据无功功率目标值, 调节补偿电抗器的电抗值。 电抗器电抗值的调节性能, 已成为研制诸多电力设 备的关键因素。

可调电抗器主要分为有机械式、 磁控式、 电力开关式、 变压器式等。 现有 机械式可调电抗器的技术路线一般包括调匝式 和调气隙式, 即通过改变线圈匝 数或铁芯的气隙长度来等效改变电抗值:调匝 式不能连续调节, 自动化水平低, 换档需停机或需要增加有载开关; 调气隙式的线性度低, 调节范围有限, 且噪 声大。

中国专利文件 CN 1591711A和 CN 203397855 U分别公开了两种旋转铁芯 式可调电抗器的技术方案。 这两种旋转铁芯式可调电抗器都属于机械旋转 式可 调电抗器, 都采用了旋转动铁芯调节气隙的方式以替代原 先技术中通过动铁芯 和静铁芯平移调节气隙的方式, 在一定程度上改变了电抗器的调节方式。 但是 这两种旋转铁芯式可调电抗器仍然属于调气隙 式电抗器, 调气隙式电抗器所具 有的线性度低、 调节范围有限且噪声大的缺点仍然无法完全克 服。

发明内容

本发明的目的是: 为了克服现有技术中机械式可调电抗器的缺陷 , 在现有 机械式电抗器调节技术的基础上, 提供一种易于工程化的用于配电网的机械旋 转式可调电抗器, 以适应配电网对可调电抗器这种关键设备的需 求, 实现在电 网应用中电抗值的灵活实时调节。

相比于常规机械式可调电抗器在噪声、 振动、 调节精度、 线性度和调节实 时性等性能指标难以兼顾, 本发明依据具备各向异性的铁磁材料在不同磁 场方 向下的不同的磁阻特性, 提出利用改变旋转铁芯与磁场角度的方法实现 电抗值 的连续调节。 本发明的机械旋转式可调电抗器设备结构简单 , 易于工程化, 可 兼顾性能调节、 实时性、 线性度以及噪声、 振动等相关机械指标。

具体地说, 本发明采用以下的技术方案来实现的, 包括电抗器本体、 超越 离合器、 外部驱动电机及其控制器, 所述电抗器本体包括变压器和旋转铁芯, 变压器和旋转铁芯均采用各向异性铁磁材料制 作, 旋转铁芯呈圆柱体并从变压 器铁芯的铁扼中穿过、 两端则利用法兰固定并通过超越离合器与外部 驱动电机 相连, 外部驱动电机用于在其控制器的控制下驱动旋 转铁芯在变压器铁心中旋 转, 旋转时旋转铁芯与铁轭之间的气隙大小保持不 变。

由以上技术方案可知, 由于采用了各向异性铁磁材料的变压器结构研 制可 调电抗器, 并在其中间安置旋转铁芯, 因此可以利用改变旋转铁芯相对主磁场 角度的方法实现电抗值的连续调节。 这种设计设备结构简单, 易于工程化, 可 兼顾调节性能、 实时性以及噪声、 振动相关机械指标。 由于是旋转结构, 电抗 值可以连续调节, 并且由于在旋转调节过程中旋转铁芯与变压器 铁心之间的气 隙大小是固定的, 基本上只有旋转铁芯内磁通量在变化, 因此调节精度高, 噪 音及振动低。 通过超越离合器与外部驱动电机相连, 不需要外部额外施力, 便 可保持旋转铁芯在完成调节后固定的角度位置 , 以维持输出电抗值的稳定。

上述技术方案的进一歩特征在于: 外部驱动电机控制器中预存有经过线性 化处理的电感值 -旋转角度数据表。 这样做的好处是可以通过查表确定旋转铁芯 的旋转角度目标值, 从而提高调节时的响应速度和调节精度高, 得到更好的输 出电抗值的线性度。

上述技术方案的进一歩特征在于: 所述旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上 部或下部穿过。

上述技术方案的进一歩特征在于: 所述旋转铁芯可以在变压器铁心的铁扼 的上部的中间侧向穿过、 或者在变压器铁心的铁扼的下部的中间侧向穿 过。 这 样做的好处是易于驱动电机对旋转铁芯的调节 控制。

上述技术方案的进一歩特征在于: 所述旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上 部的边角侧向穿过、 或者在变压器铁芯的铁扼的下部的边角侧向穿 过。 这样做 的好处是易于加工设计、 调节精度高。

上述技术方案的进一歩特征在于: 所述旋转铁芯在变压器铁心的铁扼的上 部沿上下方向穿过、 或者在变压器铁芯的下铁扼沿上下方向穿过。 这样做的好 处是易于旋转铁芯的安装固定。 本发明的有益效果如下: 本发明能够克服现有机械式可调电抗器的固有 弊 端, 实现各项性能指标的均衡兼顾。 与调匝式相比, 本发明的机械旋转式可调 电抗器可连续调节, 线性度好, 自动化水平高; 与调气隙式相比, 本发明的机 械旋转式可调电抗器的气隙值固定, 调节精度高, 附生噪声振动等指标可控, 且调节范围大。 与现有通用的磁阀式可调电抗器相比, 本发明的机械旋转式可 调电抗器在调节时不产生谐波, 可省去有载开关等设备, 生产成本低, 具有优 异的经济技术性。 与变压器式可调电抗器相比, 本发明的机械旋转式可调电抗 器的本体结构简单, 占地面积小, 制造维护成本低, 且具有高精度的调节精度。 附图说明

图 1为旋转铁芯角度为 0° 时本发明第一种实施例的电抗器本体主视图。 图 2为旋转铁芯角度为 0° 时本发明第一种实施例的电抗器本体立体视图 。 图 3为旋转铁芯角度为 90° 时本发明第一种实施例的电抗器本体主视图。 图 4为旋转铁芯角度为 90 ° 时本发明第一种实施例的电抗器本体立体视图 。 图 5为本发明第一种实施例的机械旋转式可调电 器主视图。

图 6为本发明第一种实施例的机械旋转式可调电 器俯视图。

图 7为本发明第一种实施例的机械旋转式可调电 器立体视图。

图 8为本发明机械旋转式可调电抗器的电感随角 变化示意图。

图 9为本发明机械旋转式可调电抗器的控制系统 能结构图。

图 10为本发明机械旋转式可调电抗器的控制过程 意图。

图 11为旋转铁芯角度为顺磁方向时本发明第二种 施例的电抗器本体主视 图。

图 12为旋转铁芯角度为顺磁方向时本发明第二种 施例的电抗器本体立体 视图。

图 13为旋转铁芯角度为逆磁方向时本发明第二种 施例的电抗器本体主视 图。

图 14为旋转铁芯角度为逆磁方向时本发明第二种 施例的电抗器本体立体 视图。

图 15为本发明第三种实施例的电抗器本体主视图

图 16为旋转铁芯角度为 90 ° 时本发明第三种实施例的电抗器本体俯视图。 图 17为本发明第四种实施例的电抗器本体主视图

图 18为旋转铁芯角度为 0° 时本发明第四种实施例的电抗器本体底视图。 具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一歩详 细描述。

实施例一:

图 1至图 7给出了本发明一个实施例, 其中图 1至图 4是该实施例的电抗 器本体在不同旋转角度时的情况, 图 4至图 7是该实施例的机械旋转式可调电 抗器的整体情况。

如图 4至图 7所示, 该实施例的机械旋转式可调电抗器的电抗器本 体由变 压器和旋转铁芯组成。 旋转铁芯采用各向异性铁磁材料叠压而成, 为圆柱体结 构, 可保持主磁路均匀, 易于驱动控制其旋转铁芯。 变压器为一台采用各向异 性铁磁材料的变压器, 在其铁心的铁轭上部的中间位置侧向开孔, 以便放置旋 转铁芯。 旋转铁芯两端利用法兰固定, 保持与变压器铁轭的相对位置。 同时旋 转铁芯通过超越离合器与外部驱动电机相连, 另一端连接轴承, 确保旋转铁芯 在完成调节后固定其角度, 以维持输出目标电抗值不变。 超越离合器通过支撑 件与底板连接, 以实现本体的固定, 并降低运行震动、 噪声。

旋转铁芯的旋转控制采用歩进电机驱动, 采用歩进电机细分驱动技术, 最 大细分数为每圆周 3200歩, 旋转时旋转铁芯与变压器铁心之间的气隙大小 保持 不变。 变压器夹件、 固定件等采用非磁性材料, 以减少导磁产生的涡流损耗及 发热等问题。

控制旋转铁芯的驱动电机由控制器进行控制, 控制器包含采样单元、 驱动 单元、 通讯单元、 信号调理单元、 运算单元, 系统根据设定电抗值归算为旋转 铁芯的角度, 进而输出控制信号驱动电机旋转。

该实施例的工作原理为: 由于旋转铁芯由各向异性铁磁材料组成, 在不同 旋转角度下, 旋转铁芯的导磁特性存在差异。 由于磁通优先从磁阻最小通道形 成磁路, 电抗器的等效磁阻亦在旋转角度的变化时同歩 发生变化。

具体而言, 在磁路均匀情况下, 磁阻 Z的表达式为:

其中, /。为真空磁导率, A为物质的相对磁导率, N为线圈匝数, /为磁 路长度。

而电感值 的表达式为:

F 二 m二 ΦΖ

— ί Φ― Ndl (2 )

dt Ζφάί 其中, Φ为磁通量, N为线圈匝数, 为磁阻, F为磁动势, I为绕组电流。 由于变压器、 旋转铁芯均采用各向异性铁磁材料进行叠加而 成, 根据磁路 特性及磁阻公式 (1 ) 可知, 在铁芯柱本体的磁场方向和旋转铁芯的顺磁方 向相 同时, 即旋转铁芯角度为 0 ° 时, 旋转铁芯起顺磁作用, 相对磁导率最大, 因此 磁阻在此时也为最小值。 当铁心柱本体的磁场方向和旋转铁芯的顺磁方 向垂直 时, 即旋转铁芯角度为 90° 时, 旋转铁芯起逆磁作用, 相对磁导率最小, 且铁 磁材料之间磁阻也最大, 因此磁阻在此时也为最大值。

而由公式 2可知, 当旋转铁芯处于 0° 位置时, 电抗器磁阻最小, 电抗器的 输出电抗值最大; 当旋转铁芯处于 90° 位置时, 电抗器磁阻逐渐增大, 电抗器 输出电抗逐渐降至最小值; 当旋转铁芯处于 0° ~ 90° 之间, 电抗器磁阻为最大 值和最小值的中间值, 电抗器输出电抗为最大值和最小值的中间值。 电抗器的 电抗输出值随角度的变化趋势具体如图 8所示。

因此, 在该实施例中, 在 0° 即图 1和图 2所示的旋转铁芯导磁方向和变压 器铁轭的导磁方向一致时, 电抗器磁阻最小, 电抗器的输出电抗值为最大值。 在旋转铁芯的旋转角度逐渐从 0° 逐渐增大至 90° 的过程中, 电抗器磁阻逐渐 增大, 输出电抗值逐渐减小。 当达到 90 ° 即图 3和图 4所示的旋转铁芯导磁方 向和变压器铁轭的导磁方向垂直时, 电抗器输出电抗值降至最小值。 因此通过 控制旋转铁芯旋转角度的变化即可控制电抗器 的磁阻, 输出电抗值也随之变化, 从而达到连续调节电抗值的效果。

由于可调电抗器需保持设定电抗值, 因此旋转铁芯需要保持调节角度, 以 维持电抗器输出特定电抗值时的磁阻。 而在运行工况中, 旋转铁芯受到磁力作 用, 难以保持特定位置, 此时噪声振动发热等问题恶化, 不利于可调电抗器的 稳定运行。 因此该实施例中利用超越离合器、 法兰等结构设计构成适用于保持 旋转铁芯位置的保持架构, 使旋转铁芯在既定位置时避免铁芯角度变化的 情况。 同时, 为降低噪声、 振动等机械指标, 及提供较大范围的输出电抗值, 该实施 例对旋转铁芯与铁轭的间隙进行分析设计, 根据额定电抗值归算气隙长度。 由 于在旋转调节过程中旋转铁芯与变压器铁心之 间的气隙大小是固定的, 基本上 只有旋转铁芯内磁通量在变化, 因此该实施例调节精度高, 噪音及振动低。

该实施例的控制过程如图 9、 图 10所示。 歩进电机由其控制器加以控制。 控制器存储单元中事先预存有经过线性化处理 的电感值 -旋转角度数据表, 当可 调电抗器需输出某一特定电抗值时, 控制器根据通过查表确定旋转铁芯的旋转 角度目标值, 利用细分驱动技术产生输出控制信号, 再经过信号调理转化为脉 冲驱动信号, 下发驱动信号至功率驱动单元, 驱动歩进电机, 从而对歩进电机 进行精密控制带动旋转铁芯旋转到目标位置。 歩进电机的旋转角度通过位置编 码器回送控制系统, 并与设定值进行反馈比较。 当存在偏差量值时在进行反馈 调节, 确保旋转铁芯保持在 0° ~90 ° 的设定值, 从而实现电抗器的输出电感根 据系统指令进行灵活调节的效果。

由该实施例的结构可知, 该实施例的用于配电网的机械旋转式可调电抗 器 结构, 易于加工, 其以传统电抗器的变压器为基础进行改造, 预留用于安装各 向异性旋转铁芯的位置, 通过外部驱动电机及其控制器以及超越离合器 即可实 现可调电抗器的主体功能。

实施例二:

图 11至图 14给出了本发明的第二个实施例。 该实施例与第一个实施例的 区别在于旋转铁芯安装位置不同, 即在第二个实施例中旋转铁芯在变压器铁心 的铁扼的上部的边角侧向穿过, 而其他的特征均与第一个实施例相同。 这种结 构也能实现本发明的全能功能, 且易于加工, 由于气隙可控更小, 控制精度更 高, 适用于电抗值高精度控制的场合。

实施例三: 图 15至图 16给出了本发明的第三个实施例。 该实施例与第一个实施例的 区别也在于旋转铁芯安装位置不同, 即在第三个实施例中旋转铁芯在变压器铁 心的铁扼的上部沿上下方向穿过, 而其他的特征均与第一个实施例基本相同。 这种结构也能实现本发明的全能功能, 且易于固定旋转铁芯及其驱动电机, 便 于安装调试, 适用于环境复杂、 安装困难的环境。

实施例四:

图 17至图 18给出了本发明的第四个实施例。 该实施例与第三个实施例的 区别也在于旋转铁芯安装位置不同, 即在第四个实施例中旋转铁芯在变压器铁 心的铁扼的下部沿上下方向穿过, 而其他的特征均与第三个实施例基本相同。 这种结构也能实现本发明的全能功能。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上, 但实施例并不是用来限定本发明的。 在不脱离本发明之精神和范围内, 所做的任何等效变化或润饰, 同样属于本发 明之保护范围。 因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要 求所界定的内容 为标准。