分析自饱和电抗器的基本工作原理解析

分析自饱和电抗器的工作原理时，基本假设条件如下：

（1）铁心的动态和静态磁特性都是理想矩形。

（2）整流管伏安特性如图5.6所示，假设反向电阻无穷大，正向压降为常数。

（3）忽略漏磁。

（4）负载为纯电阻，电源电压为正弦。

比较图5.8的交流输出自饱和电抗器和图5.7工作绕组并联的扼流饱和电抗器（均未画出控制绕组）可见，它们的区别是：自饱和电抗器的工作回路多了两个二极管，在进行原理分析时应抓住这个主要特点。

图5.6　整流二极管伏安特性

图5.7　工作绕组并联的扼流饱和电抗器主回路

图5.8　交流输出自饱和电抗器主回路

工作绕组并联的扼流饱和电抗器中（图5.7），在某一半周内，每个工作绕组Ng流过的电流ig为负载电流iL的一半，如图中实线箭头所示；下一个半周中，电流方向相反，如虚线箭头所示，ig仍为iL的一半，当直流电流为最大时，理想情况下，工作绕组感抗压降为零，因此iL及ig均为全波正弦如图5.9（a）所示，对于自饱和电抗器而言（如图5.8所示），在某一个半周内，只有一个二极管导通，设上面的工作绕组有电流流过，如图中实线箭头所示，则下面的工作绕组没有电流，下一个半周则相反，如图中虚线箭头所示。因此在最大输出状态，工作绕组感抗压降为零时，负载电流为正弦交流，而每个工作绕组中电流为半波正弦，每隔半周期出现一次，如图5.9（b）所示。

图5.9　饱和电抗器电流波形

（a）最大输出时扼流饱和电抗器；（b）交流输出自饱和电抗器

设第一个半周期（0≤ωt≤π），电磁元件a处于工作半周，电磁元件b处于控制半周；第二半周期（π≤ωt≤2π）则相反，电磁元件b处于工作半周，而电磁元件a 处于控制半周。自饱和电抗器的电磁方程组（表示各电磁参量关系）如下

式中：Rg为工作回路总电阻，Rg＝RL＋rg＋rF；rF为整流二极管正向电阻；rg为工作绕组电阻；ϕa及ϕb为铁心a、b的磁通；Ha及Hb为铁心a、b的激磁磁场强度，A/m；iga及igb为电磁元件a、b工作绕组内电流，A。

图5.10　自饱和电抗器静特性各段相应的铁心磁状态变化

按照图5.10所示自饱和电抗器输出—输入特性各段的特征，可以分以下4种典型状态来研究：

（1）最大输出状态（特性AB 段），ΔB＝0。

（2）最小输出状态（特性上的C 点），相当于Ik＝－Ik0，ΔB＝2Bm。

（3）特性的放大部分，为正常工作范围（图5.10 的BC段），在这个范围内，铁心在工作半周内到达正饱和状态，故这段特性又可称为正饱和区，这时0＜ΔB＜2Bm。

（4）特性CD 段，Ik＜－Ik0，铁心在工作半周内到达负饱和状态，这段特性又可称为负饱和区。(www.xing528.com)

当控制电流为正时，铁心在控制半周内没有去磁，始终处于饱和状态，这是因为工作半周内，控制激磁和工作回路半波激磁作用使铁心正饱和，全部电源电压都加在负载电阻上（忽略工作回路内阻压降），这种工作状态称为最大输出状态，负载电流波形如图5.11（a）所示，工作绕组电流平均值如图5.12所示。由式（5.6）可知，这时输出电压为最大，即

半周内最大输出电压的平均值为

当控制电流Ik＝－Ik0时，铁心在控制半周内充分去磁，则磁状态由＋Bm变化到－Bm，输出电流为最小，IL＝IL0，如图5.11（b）所示。

图5.11　自饱和电抗器交流输出电流波形

（a）最大输出；（b）最小输出；（c）在最大和最小输出之间

图5.12　最大输出时工作绕组电流平均值

正常工作范围介于最大与最小输出之间。这时0＜ΔB＜2Bm，铁心在控制半周内的去磁大小为ΔB，即控制半周末，铁心磁感应值将为Bm－ΔB。工作半周开始时，铁心则由该值开始增磁，在未到达饱和前，负载电流很小，仅为铁心磁化电流。在半周内某一时刻，铁心饱和，输出电流瞬时增大，如图5.11（c）所示。

由于在控制半周内，铁心只有直流激磁，不像扼流饱和电抗器每半周中铁心同时有直流与交流激磁，因此自饱和电抗器中，只要有很小的直流控制电流，即足以使铁心去磁量ΔB 很大，所以它的放大系数要大得多，静特性很陡如图5.10所示。