可控电抗器

本发明涉及一种可控电抗器，其至少包括管形铁心，围绕铁心的 主绕组和基本上沿轴向通过所述铁心的控制绕组。

这种可控电抗器可以通过其主绕组被连接到任何电路例如电力线 路中，从而为该电路提供电感，例如用于消除在电路中产生的高次谐 波电流。通过改变在所述控制绕组内沿轴向通过铁心的控制电流可以 控制铁心的导磁率因而控制电抗器的电感。通过使这种可控电抗器和 电容器串联可以获得所谓的谐波滤波器，这例如通过本申请人的 WO94/11891专利申请已经公知了，其中通过控制电抗器的电感，对于 某些频率可以把阻抗控制为较低的值，从而消除例如频率为网络基波 频率的11倍的高次谐波。

通常交流电压被连接到主绕组，但是也可以把叠加有交流电压的 直流电压连接到主绕组，不过在这种情况下电抗器将只对交流电压部 分发生影响。在控制绕组流过的控制电流一般是直流电流，但也可以 使用交流电流作为控制电流，并通过合适地控制这种交流控制电流可 以消除在控制绕组中感应的偶次电压，该电压在主绕组中产生谐波电 流并在铁心中产生损耗。

在已知的可控电抗器中，通过铁心基本上沿轴向延伸的主磁通在 铁心和主绕组外面的空气中闭合，从而形成空气电抗器。但是这种电 抗器的缺点是只能在相当窄的范围内调节电感，最多只能调节大约10 ％。这种电抗器的这样窄的调节范围极大地限制了它的应用领域，因 而主要用于谐波滤波器。

还已知有不带控制绕组的可控电抗器，但这些电抗器在原理上可 以认为是固定的，但是通过间歇地把不同的这种电抗器连接在有关的 电路中便可以为电路提供可控的电感。在按照这一原理工作的这种固 定的电抗器中，其主要缺点是产生谐波或泛音，使得需要若干个滤波 器组来消除产生的谐波，此外，这种电抗器必须被水冷的可控硅控制， 因而控制设备昂贵。

本发明的目的在于提供一种在前言所述的那种可控的电抗器，其 具有简单的结构，并因而具有低的成本，同时功能可靠，并能够在相 当宽的范围内调节电感，以便相对于上述已知的电抗器拓宽这种可控 电抗器的应用领域。

本发明的目的是这样实现的：使这种可控电抗器具有由高导磁率 的材料制成的轭。所述的轭被设置在铁心的外面延伸，并且主绕组和 铁心一起对于在铁心中由所述主绕组内的电流产生的并基本上沿铁心 的轴向延伸的主磁通形成具有最小气隙的闭合环路，并且控制绕组包 括通过铁心基本上沿轴向延伸的由高电导率材料制成的第一板。

由于控制绕组包括所述第一板，便能够获得低成本的控制绕组， 此外，还能够获得电抗器的稳定的机械结构，使得可以使控制绕组处 于主绕组外部的通路中，因此，按照本发明，可以设置通过铁心使主 磁通闭合的轭，在用这种方式对主磁通提供的环路中具有最小的空气 隙。在这种具有最小的气隙的电抗器中，可以得到很高的可控性，因 为存储的能量的主要部分将处在具有低导磁率的材料内，和大部分能 量被存储在空气中的不能被调节的所谓的空气电抗器相比，可以容易 地被调节。在按照本发明的电抗器中，和在前言中所述的已知的电抗 器相比，本发明的电抗器可以在相当大的范围内进行调节，例如可以 调节5倍或更多。“小的空气隙”被定义为，相对于铁心壁的厚度空气 隙是小的，从而可以避免涡流损失。当不需要电抗器的电感高度可调 时，可以在铁心中分布许多小的空气隙，因为用这种方式可以节省许 多铁，并降低整个电抗器的成本。不过，当气隙最小时可以得到最大 的可控性。

这种电抗器的一种可能的应用领域是将其连接在具有高的内部电 容的交流电压电力线中，例如电缆网络中。通过间歇地接入这种电抗 器，可以附加所需数量的电感，使得电力线的电抗可以减少，从而可 以通过线路更有效地输送能量。

按照本发明的最佳实施例，控制绕组还包括在铁心和主绕组外部 延伸的并由高电导率的材料制成的第二板，所述第二板和所述第一板 电气相连，并用于和第一板一道形成通过铁心在第一板中的电流的闭 合环路。利用这种控制绕组结构，形成非常稳定的机械结构，使得在 使用的时间内其功能稳定而可靠，并且制造简单，成本低。

按照本发明的另一个最佳实施例，第一板被设置在板的不同的组 件中，在组件中板的大的平面彼此相对地被压在一起，所述组件具有 一个或几个板，并且这些板组件具有基本相同的截面。具有一个并且 相同厚度的板可被用来得到电导体，这些电导体由板组件构成，用于 控制通过具有基本相同截面的铁心的控制电流，使得在每个导体中产 生不会引起局部过热的热损失。

按照上述实施例的进一步研究，板组件沿垂直于第一板的大的平 面朝向铁心的中心的铁心的径向具有减小的厚度，用于获得铁心内部 空间的最大的填充。通过控制绕组的这种设计，即在沿平行于铁心的 径向的控制板的大的平面方向的控制板的厚度的减小，可以获得铁心 内部空间的最大的填充，从而得到电抗器的好的可控性。

按照本发明的另一个实施例，轭包括被设置在铁心的每一端基本 上相互平行地延伸的板，所述的板沿平行于由铁心的半径和铁心的轴 线限定的平面具有大的平面，所述的轭板具有位于各个铁心端部附近 的边缘，从而接收来自其中基本上没有气隙的铁心的主磁通，并且所 述第二控制板被设置在被并排设置的轭板之间的空间内，并在空间内 具有和轭板基本相同的方向，使得轭板和这些控制板形成夹层结构。 这一实施例是非常有利的，因为轭板基本上相互平行地延伸，不受包 括在控制绕组内的第二控制板的任何实际的干扰，使得可以基本上盖 住主磁通要被盖住的整个区域，使得不需要交叉磁通板，并避免磁轭 的交叉磁化和由此而引起的涡流损失。借助于控制绕组的所述的板是 由低导磁率材料制成的这个事实，即具有高的磁阻，用这种方式，可 以使和轭板垂直的磁阻很高，从而阻止控制磁通从铁心出来而进入铁 心端部的磁轭。在磁轭中的控制磁通将使其导磁率变差，因而使损耗 增加。

按照本发明的另一个最佳实施例，所述第二控制板被设置具有基 本上和第一控制板的大的平面平行的大的平面，并且每个控制板组件 的至少第一控制板被设置从铁芯伸出超过最靠近铁心的各个第二控制 板的边缘，从而在支撑状态下实现电接触。用这种方式，可以容易地 形成控制绕组的稳定的闭合回路。

按照本发明的另一个最佳实施例，电抗器旨在连接于三相交流网 络中，它对于每个要连接的相具有一个铁心和一个主绕组。这种电抗 器是尤其有利的，因为通过交流主磁通在控制绕组中感应的电压相互 抵销，从而避免在网络中产生谐波和在铁心中产生损耗。

按照本发明的另一个最佳实施例，电抗器具有用于连接多相交流 网络的磁轭，其为通过所有铁心的主磁通共用，并使所述主磁通闭合， 并形成所有铁心之间的主磁通通路。这对于使主磁通保持在具有高导 磁率的部件(磁轭和铁心)内是重要的，因为经过铁心的主磁通必须 能够分布在其它的铁心上，并在任何时刻，主磁通之和为0。

按照本发明的另一个最佳实施例，每个铁心的控制绕组通过所述 第二控制板和相邻铁心的控制绕组进行电连接，并且位于最外面的两 个铁心的控制绕组通过所述控制板也和每个第三控制板的一个外柱实 现电连接，同样第一控制板把在铁心的一端的第二控制板和在铁习的 另一端的第二控制板相连。通过这样设置一个具有3个控制板的外柱， 便可以容易地实现使控制电流通过在所有铁心内的所有第一控制板， 这种方案的优点由权利要求19限定。

由下面的说明和其它从属权利要求可以看出其它优点和特点。

下面参照附图作为例子说明本发明的最佳实施例。

附图中：

图1是按照本发明的第一最佳实施例的要被连接到三相交流网络 中的可控电抗器的简化的局部载面图；

图2是按照图1的电抗器的简化顶视图；

图3是从上方说明按照图1和图2的通过一个铁心的夹层结构的 磁轭和控制绕组的结构的局部放大示意图；

图4是按照图1和图2的电抗器的部分的顶视图，为简化起见， 磁轭被省略了；

图5是通过按照图1的电抗器的铁心的简化的稍微放大的纵剖面 图；

图6说明在按照图1的电抗器中第一和第二控制板是如何连接的；

图7说明为了获得所示的控制电流通路，按照图1的电抗器的控 制板是如何连接的；

图8是按照本发明的第二最佳实施例的用于连接三相交流网络的 电抗器的相应于图1的图；

图9是按照图8的电抗器的相应于图2的图，不过，为了说明方 便，控制绕组被省略了；

图10是按照本发明的第三最佳实施例的电抗器的简化的透视图， 其适用于和一相交流电压相连，图中控制绕组被省略了，为了更好地 说明电抗器的结构；

图11是相应于图7的图，说明控制绕组的控制板相互交替地连接， 以便获得所示的电流通路；以及

图12是顶视图，说明在按照图11的控制板的连接中控制绕组是 如何通过一个铁心的。

图1示意地表示的电抗器适用于连接在三相交流网络中，现在同 时参照图2说明其结构。其具有示意地表示的3个主绕组1，每个主绕 组被绕在距未示出的载体，例如电绝缘材料制成的圆柱体的外面一定 距离的层中。每个这种主绕组和所述交流网络中的一相相连，并具有 被连接于高电位的上端部，其中电压沿着朝向图1中的下端的方向降 落，图1的下端为地电位，但也可以不处于地电位。在各个主绕组的 内部且与其同轴地相距间隔2设置有利用高导磁率材料例如铁制成的 铁心3。控制绕组4由多个单独部分控制绕组构成并以下面要说明的方 式制成，基本上轴向地通过各个铁心。控制绕组以下面要说明的方式 形成一个环路。控制绕组4和一电压相连，其通常是直流电压，但也 可以是交流电压，该电压在控制绕组内产生电流。在主绕组内的交流 电流产生主磁通，其基本上轴向地通过铁心，同时在控制绕组4中的 控制电流产生方向和主磁通相切且横向的磁通，用这种方式，减少主 绕组产生的纵向磁通的导磁率。通过增加控制绕组4中的电流，铁心 的导磁率可以减少，从而减少电抗器的电感。这是这种可控电抗器的 主要工作原理。该原理是公知的，本发明的特点是，如何构成这种电 抗器使得这种可控性成为可能，现在参照附图对此进行说明。首先回 忆一下由于横向通过金属物体的表面而在每单位体积产生的功率和垂 直于流动方向测量的物体的厚度的平方成正比，这便是利用非常薄的 板通过多匝绕制而制成铁心3的原因，但这在图中无法看出。例如， 此处也可以认为，控制电流为100-500A的直流，同时主绕组的高电 位端可以连接到400kV的电压上。具有这样高的直流电流的可控电抗 器容易引起对铁心内的磁通实现控制的问题，并不在另一个地方通过 直流，下面将说明这是如何解决的。

控制绕组4包括由导电性好的材料，最好是铜制成的第一板，其 被分为若干个组件5，每个组件由几个薄板6在使其大的平面相互电接 触状态下压制而成，如图4所示。这些第一板基本上轴向地通过各个 铁心，并使其大的平面基本上相互平行，并且通过由电绝缘材料制成 的合适的隔离件7使每个组件和相邻的组件以及铁心3电绝缘。板组 件6的在铁心3内部延伸的部分具有基本相同的截面，因为它们必须 通过大小相同的控制电流，这使得在各个组件内产生的热几乎相同， 从而保证对每个组件的冷却。在板组件中的相同的电流密度使得最好 地利用材料，从而可以保持低的成本。图4说明不同的板组件5的厚 度沿着铁心的半径方向垂直于第一板的大的平面逐渐减小，以便获得 铁心内部空腔的最大填充，用这种方式，可以获得60％数量级的铁心 内部空腔的填充系数。

图6示意地说明通过铁心延伸的控制板组件6是如何和作为控制 绕组的一部分的第二板8相连的，第二板8也由电导率好的材料制成， 最好由和第一控制板相同的材料制成，并具有相同的厚度。第二控制 板8在铁心和主绕组外面延伸，基本上垂直于铁心轴线，其大的平面 基本上平行于第一控制板6的大的平面。至少一个第一控制板6’被设 置从铁心经过最接近于各个第二控制板的铁心的边缘9伸出，使得处 于支撑状态，从而建立电接触。需要说明，在说明铁心中的控制板组 件5的图6中，为了简化只示出了从铁心伸出的4个板和2个板6’,6”， 但实际上在图中所示的板的每个元件由相互叠放的几个板构成。因而， 第二板8也可以被设置在组件10中，如图6所示，其中设置两个这种 板彼此相对。图6说明，第二板的组件10的厚度小于第一控制板的组 件5的厚度，这是为了形成第二控制板的相邻的组件10之间的空间11 (见图4)所需要的，其理由在下面说明。这样，就完全可以使得第二 控制板的所示组件的截面小于第一控制板的组件5的截面，因为和铁 心的内部相比，由于控制电流而产生的较多的热量释放可以被容纳在 位于铁心外部的控制绕组的这些部分中，这是由于铁心外部的部分更 容易冷却。为了能够在没有从组件10伸出的组件5中的这些控制板6 (在图6中是2个)通过电流，在其上边缘和板6”的上方提供没有示 出的焊缝，以便使其通过电流。

图4说明第一控制板的组件5是如何分成两组12和13的，它们 由沿着垂直于其大的平面延伸的空间14相互分开。设置这一空间是为 了借助于在其中通过冷却介质对控制绕组通过好的冷却，例如油冷， 风冷等(可见图5中的箭头)。第二控制板的各个组件10在其一端， 只和属于两组之一的第一控制板相连，并且只延伸到所示空间14。用 这种方式，每个铁心的控制绕组被设置通过和相邻铁心的控制绕组电 连接的第二板8的组件10，即通过那个铁心的第一板6的组件，位于 最外面的两个铁心的控制绕组通过所述的组件10也和每个第三控制板 17的外柱15,16电气相连(见图1)，第三控制板17沿着和第一控制 板相应的路线延伸，并在铁心的一端使第二控制板和在铁心的另一端 的第二控制板相连。第三控制板也被设置在由一个或几个薄板构成的 组件中，其相互电气绝缘，这种组件的数量和第二控制板的组件的数 量一样多。

第一、第二和第三控制板的不同的组件被这样相互连接，使得从 外柱的第一15，在此处控制绕组和控制电压相连，到位于最靠近的铁 心的第一控制板并回到外柱形成电流通路，这样使该铁心的一个控制 板组12的所有第一控制板通过多次，然后回到相邻的第二铁心，从而 通过该铁心的第一控制板和相邻的第三铁心的第一控制板形成环路而 通过多次，使得通过第二和第三铁心的一个控制板组的所有第一控制 板，直到到达第二外柱16并回到第一外柱，同时通过各个铁心的第二 控制板组13的所有第一控制板。这样，利用简单的装置通过和控制电 压源的单独连接可以控制所有3个铁心的导磁率，从而控制其电感。

轭板18或这种轭板的组件被设置在相邻控制板组件10之间的空 间11中，所述轭板由高导磁率材料制成，最好是铁，并且从一个外铁 心向另一个外铁心延伸。这样，轭板和控制板组件10形成夹层结构， 如图3所示。因而，空间11被这样提供，使得那个在其中设置这些轭 板，在图4中这些轭板被省略了。所述轭板18也沿着垂直于组件的第 二控制板的外部的板的大的平面的方向被设置，如图2所示，并且位 于此处的轭板19之间没有任何空间。这样，轭板被设置用于至少基本 上盖住铁心的整个截面和铁心与主绕组之间的空间2。这一确定旨在包 括所述的情况，即轭板被设置使得其间具有某个空间，第二控制板的 组件10位于所述空间内。这样，实际上在轭板18厚度和第二控制板 的组件10之间可以具有和图3所示的关系不同的另一种关系。在轭板 18和相邻的控制板组件10之间设置有绝缘层20。

图5说明第二控制板8是如何被设置的，从而具有最靠近各个铁 心端部并和所述铁心有一定距离的边缘9，用于从铁心的内部并在铁心 的端部沿其径向通过冷却介质例如空气、油等，如箭头所示，同时轭 板18通过最靠近铁心3的边缘21从铁心3延伸一个很小的距离，以 便获得其间的最小的气隙22。

不同的铁心通过轭板18、19相互进行磁连接，在各个铁心3内形 成的纵向主磁通可以通过这些轭板和电抗器中的其它铁心以基本上没 有空气隙的路径闭合，使得电抗器中的能量的主要部分被存储在这 “铁”内，从而可以在宽的范围内控制电抗器的电感，其可控性达到5 倍是容易的。在第二板10的组件的正下方的各个铁心3的主磁力线必 须略微弯曲，以便进入最接近铁心的轭板，这在某种程度上引起磁力 线的集中，不过，这是一个小问题。由于具有高磁阻的第二控制板的 组件10被设置在这种组件所在的轭板之间，在铁心中通过的交叉控制 磁通被有效地阻止进入或多或少地和其垂直地延伸的轭板，然后向下 再次进入铁心，使得有效地避免控制磁通使磁轭磁化而使其导磁率变 差。

轭板18,19除去各个整个的铁心之外，还盖住主绕组和铁心之间 的空间2，以便吸收其中存在的漏磁通，

按照图1的电抗器的主要优点如下：

1．不需要交叉磁通板用于吸收来自各个整个铁心的以及位于铁心 和主绕组之间空间的磁通，这导致成本降低。

2．控制电流不会使磁轭发生交叉磁化，交叉磁化会在轭中产生磁 滞损失和涡流损失。

3．可以降低控制绕组的生产成本，并且这里着重指出，虽然此处 叫做绕组，但是所涉及的控制板组件是具有相当刚性的物体。

4．结构非常稳定。

5．在和三相交流网络相连的这种电抗器中，由在主绕组内的主电 压感应的控制绕组中的电压相互抵销。

按照本发明的另一个实施例的电抗器如图8和9所示，其结构在 很大程度上和图1-7所示的电抗器的结构相同，因此这里只说明其间 的主要区别。在这电抗器中，和图1-7所示的电抗器相同的部件用相 同的标号表示。该电抗器和图1所示的电抗器的区别在于，在图9中 未示出的第二板8位于铁心的内部空间23正上方的区域内，虽然没有 纵向轭板，但轭板19只位于第二控制板组8的两侧。这又意味着，纵 向轭板将不盖住各个整个铁心和主绕组与各个铁心之间的空间，以便 接收来自各个铁心端部的主磁通，因此，设置横轭板24比纵向轭板19 更靠近铁心，并至少基本上在各个铁心端部盖住整个铁心，用于使主 磁通从铁心到达纵向轭板19。这种电抗器的功能和第一实施例的基本 相同，但是和第一实施例相比其缺点在于，交叉磁通轭板24可以使控 制磁通的一部分进入其中，使得通过控制电流使磁轭发生纵向磁化和 交叉磁化。磁轭可能因此而饱和，因而增加铁心损耗。

此外，按照图10所示的本发明的第三实施例的电抗器，其旨在和 一相电压相连，并具有4个基本上为U形的轭件25，相互成90度设置， 并使主磁通在各个铁心端部闭合。这些为铁心的内部空间23留下一个 开口，用于在其间通过没有示出的控制绕组。通过设置具有空气隙26 的轭件25，由于来自铁心的控制磁通进入轭件，从而减少控制电流对 “铁”的导磁率的影响，这是有利的。

图11说明和图7所示的不同的另一种控制绕组。电流通过每个铁 心28,29,30流经所有的匝，其路径是，从一个单一的外柱27到最 远的第三铁心30，然后电流直接回到外柱27的电源电压的有关接点。 图12简单地示出了第一铁心是如何实现的。在由控制板组件构成的半 个控制绕组之间没有横向空间，而只有纵向空间31，用于接收在控制 板组件5之间的轭板。只用直线示出了纵向控制板组件10，但它们具 有和图6所示的组件相同的结构。

当然，本发明不限于上述的最佳实施例，显然，本领域的技术人 员可以作出各种改型。

例如，作为这种改型的一个例子，包括在电抗器中的不同部件的 相互尺寸可以在宽的范围内改变。

还要说明的是，电抗器可以制成和附图中所示的相数不同的相数。