四柱饱和电抗器的作用及特点

以上介绍了二柱、三柱铁心结构在利用外加直流电源实现励磁控制的饱和电抗器中的应用，这类饱和电抗器可称为直流他励式（External Excitation），需有直流绕组。现在介绍四柱铁心结构在直流自励式（Self Excitation）饱和电抗器中的应用，它无需直流绕组，利用交流绕组中通过整流产生的直流电流分量实现励磁控制。

单相四柱铁心结构的自励式饱和电抗器如图6.26所示。3个单相自励式饱和电抗器可组成一台三相饱和电抗器。下面只讨论单相四柱自励式饱和电抗器的结构和工作原理。

单相四柱铁心由上下铁轭和4个铁心柱组成，其中两个外柱对应的柱高和截面积相等；两个内柱对应的柱高和截面积也相等。根据设计要求外柱的截面积和内柱的截面积可以相等，也可以不相等。

绕组布置如图6.26所示。2个内柱上，各绕上、下2组交流绕组，每组绕组的匝数为N1＋N2，在N1和N2之间设抽头。上下2 组交流绕组抽头之间分别接一个晶闸管VT1和VT2，没有另设单独的直流绕组。2个内柱的上、下绕组（匝数N1＋N2）分别交叉顺接（左内柱的上绕组接右内柱的下绕组，右内柱的上绕组接左内柱的下绕组），左右内柱的绕组交叉连接处并联一个二极管VD。二极管电流iD和晶闸管电流iT1、iT2，均为单向流动。

两个内柱和两个绕组的结构完全对称，其接线如图6.27所示。电路中给出了各支路电流的符号和方向。

图6.26　单相直流自励式饱和电抗器

图6.27　单相直流自励式饱和电抗器电路图

如图6.26所示，饱和电抗器的工作原理和特点如下：

（1）两个内柱上的绕组并联后接到电网，因此这种电抗器也称为自励式并联可控饱和电抗器（Controllable Shunt Reactor）.电网电压u（t）＝Umsinωt，Um为电压幅值。电网电流i＝i1＋i2＝i3＋i4流经并联的两路绕组，产生交流磁通Φ，分别流经左右两个闭合磁通回路，如图6.26所示。

（2）当晶闸管关断、二极管VD 也不导通时，饱和电抗器工作于不饱和状态，相当于1台变压器空载运行，绕组只流过很小的交流电流。当VD 导通时，上、下两个绕组形成的闭合回路中，分别有直流环流Id流过，其方向不变，如图6.27所示。直流环流id使内柱1和内柱2形成直流磁通Φd的闭合通路。

当任一个晶闸管VT1和VT2关断时，只要u≠0，二极管VD 导通；反之，当任一个晶闸管VT1和VT2导通时，二极管VD 关断。

内柱1和内柱2在一周期内交替增磁和去磁。两个晶闸管交替导通时，环流id的大小取决于晶闸管触发角α的大小，控制调节触发角α的大小，可以控制铁心的饱和程度。

一周期内，二极管、晶闸管的导通和关断有4种工作状态，如图6.28所示。设晶闸管的触发角为α，表6.9排列出4种工作状态及处于导通状态的VD、VT1或VT2。(www.xing528.com)

表6.9　自励式饱和电抗器一周期内的工作状态

单相自励式饱和电抗器可等效成如图6.29所示模型。在这个等效模型中，交流绕组有4组Ng（Ng＝N1＋N2），交叉顺接，两路并联接电网。晶闸管和二极管的作用在模型中用独立的虚拟直流绕组Nk来模拟，2个Nk串联，接直流电源uk。调节晶闸管触发角α的作用，相当于调节直流电源电压uk。

图6.29未画出外柱和铁轭，两个内柱流过的磁通Φ1和Φ2中，既有交流分量，也有直流分量。

图6.28　自励式饱和电抗器一周期内4种工作状态

1—0＜ωt＜α；2—α＜ωt＜π；3—π＜ωt＜π＋α；4—ωt＋α＜ωt＜2π

图6.29　自励式饱和电抗器的等效模型

自励式饱和电抗器的特点是结构新颖，无需单独的直流绕组，可以较多地节省饱和电抗器材料用量，能大大降低辅助电源的容量，但对晶闸管的可靠性提出了更高的要求。