磁控电抗器动态特性优化研究

发布时间：2017-08-29 10:18

  本文关键词：磁控电抗器动态特性优化研究

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【摘要】：磁控电抗器(Magnetically Controlled Reactor—MCR)作为一种通过晶闸管控制直流电流来改变铁心的磁饱和程度,实现可变电感值输出的静止无功补偿装置,较传统静止无功补偿装置具有控制简单,可连续调节的优势,但其在损耗,响应时间,控制特性,谐波特性等方面仍存在优化空间。本文对磁控电抗器的本体结构设计及动态过渡过程进行研究,并研究了改善其性能的方法。从电路基本原理入手,推导了磁控电抗器的电磁方程及数学模型,研究了磁控电抗器的控制特性,响应特性,损耗等动态特性。利用m语言编写了磁控电抗器分析计算软件,能够为工程实际设计提供理论依据。从电磁场理论出发,利用有限元仿真软件ANSYS Maxwell与Simplorer结合的场路耦合法对电抗器样机进行建模,研究了磁控电抗器的损耗特性。由仿真得出磁通密度分布场图,验证了磁控电抗器左右两铁心柱在一个工频周期内交替饱和。通过对仿真结果中的磁力线场图进行分析,研究了影响电抗器损耗的因素,对比分析了几种改进铁心结构的电抗器模型的仿真结果,说明了采用内部分段磁阀结构能够改善边缘效应及减少横向漏磁分量的出现,同时也是减小损耗的可行性措施。在Matlab/Simulink仿真软件中建立了普通电抗器模型,仿真验证了其响应特性。针对响应时间过长,设计了由脉宽调制(Pulse Width Modulation—PWM)整流器构成的快速励磁电路,使得在励磁过程中,磁控电抗器的直流控制电压能够迅速增大,并仿真验证了快速励磁电路的响应速度优于普通电抗器的自耦励磁方式,其响应时间由0.28s缩短为0.12s.最后,针对电气化铁路无功不足,建立了基于磁控电抗器的动态无功补偿系统仿真模型。仿真结果表明,补偿装置投入后网侧功率因数明显提高,但动态启动时间较长。由于有源滤波器(Active Power Filter—APF)的直流侧电容放电能够增大MCR的直流控制电压,从而缩短响应时间,提出了使用磁控电抗器和小容量APF结合的综合补偿系统来优化MCR的响应特性。仿真结果说明了MCR的响应时间能够由10个工频周期减少为3个工频周期,验证了该综合补偿系统的优越性。
【关键词】：磁控电抗器 动态特性 场路耦合 无功补偿
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM47
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-16
• 1.1 研究背景及意义12-14
• 1.2 国内外研究现状14-15
• 1.3 本文主要工作15-16
• 2 磁控电抗器的数学建模16-36
• 2.1 基本工作原理16-17
• 2.2 数学模型17-24
• 2.2.1 磁控电抗器铁心磁化曲线分析17-20
• 2.2.2 磁控电抗器工作状态20-21
• 2.2.3 磁控电抗器基本方程21-23
• 2.2.4 等效电路及模型23-24
• 2.3 磁控电抗器动态工作特性24-31
• 2.3.1 谐波含量与磁饱和度的关系24-27
• 2.3.2 控制角与工作电流的关系27
• 2.3.3 动态响应过渡过程27-30
• 2.3.4 有功损耗与抽头比关系30-31
• 2.4 仿真计算软件31-34
• 2.4.1 理论计算与模块划分31-32
• 2.4.2 分析计算软件界面32-34
• 2.5 小结34-36
• 3 磁控电抗器场路耦合建模及磁场仿真36-50
• 3.1 本体结构关键参数的选定及几何建模36-40
• 3.1.1 几何模型搭建37
• 3.1.2 模型材料设定37-39
• 3.1.3 边界条件及激励源设定39
• 3.1.4 网络划分及求解设置39-40
• 3.2 Simplorer-Maxwell场路耦合仿真40-43
• 3.2.1 导入Maxwell模型及求解设置40-41
• 3.2.2 磁场分布及仿真结果分析41-43
• 3.3 铁心结构优化43-48
• 3.3.1 多级磁阀式44-45
• 3.3.2 外部分段磁阀式45-46
• 3.3.3 内部分段磁阀式46-48
• 3.3.4 仿真结果对比48
• 3.4 小结48-50
• 4 磁控电抗器快速响应设计50-62
• 4.1 磁控电抗器电路仿真50-53
• 4.1.1 不同绕组抽头比验证50-51
• 4.1.2 不同晶闸管控制角验证51-53
• 4.2 改变响应速度的措施53-55
• 4.2.1 改变绕组抽头比53
• 4.2.2 增加直流控制电压53-54
• 4.2.3 电容充放电54-55
• 4.3 快速励磁电路55-61
• 4.3.1 快速励磁电路原理56-58
• 4.3.2 快速响应电路仿真及优化效果分析58-61
• 4.4 小结61-62
• 5 基于磁控电抗器的无功补偿研究62-80
• 5.1 概况62-63
• 5.2 基于磁控电抗器的动态无功补偿系统仿真63-70
• 5.2.1 牵引变压器仿真63-64
• 5.2.2 无功电流检测64-66
• 5.2.3 求解晶闸管导通角a66-68
• 5.2.4 动态无功补偿系统仿真模型68-69
• 5.2.5 仿真结果与分析69-70
• 5.3 运用小容量APF快速励磁70-78
• 5.3.1 APF仿真模型及控制算法72-73
• 5.3.2 谐波电流检测73-75
• 5.3.3 仿真结果与分析75-78
• 5.4 小结78-80
• 6 结论与展望80-82
• 参考文献82-86
• 附录86-90
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果90-94
• 学位论文数据集94

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本文编号：752744