交流可控电抗器磁场的数值分析与控制电路设计
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摘要
本文基于交流可控电抗器的多绕组结构，加工制作了模拟可控电抗器，运用有限元法，并通过场一路耦合分析法，对此电抗器的场分布及其等值电感参数进行数值计算，得到了符合工程分析精度要求的计算结果，为可控电抗器的工程应用提供了相应的理论分析依据和实验结果。
首先，鉴于可控电抗器是一个既有电压源又有电流源激励的非线性准静态的电磁场问题。本文基于有限元法，采用场一路耦合分析法，构造了在这一混合激励情况下，分析研究该可控电抗器的非线性的离散数学模型。
其次，为描述可控电抗器在运行中铁心的非线性磁饱和效应，本文采用分段线性插值函数逼近铁磁材料的磁化曲线，构造非线性的有限元方程，并采用牛顿—拉夫逊法求解，获得了符合工程分析精度要求的数值计算结果。
在理论分析的基础上，本文对模拟可控电抗器进行了实测研究，所得实验数据与计算机仿真结果相印证，进一步证实了本文所构造的数学模型及其计算机仿真程序的正确性。同时，本文还对可控电抗器的工程应用，即基于微机控制实施无功补偿功能的控制电路方案进行了初步的探讨。
通过对模拟可控电抗器的计算机仿真和实测研究，可以确证多绕组结构的可控电抗器能平滑调节电抗器的无功容量，具有现实工程应用的研究价值和前景。
According to a Russian professor's idea, A controllable reactor model with multi control loops has been constituted by this paper. Then based on the Finite Element Method (FEM) and combining with the circuit theory, the mathematical model of nonlinear magnetic field is presented for the numerical analysis of the magnetic field distribution and the inductance of the controllable reactor model.
Firstly, the controllable reactor is connected directly with power network, so it is a electromagnetic field inspired by both voltage source and current source. With Finite Element Method and circuit theory, the nonlinear discrete mathematical model of controllable reactor is presented.
Secondly, since the controllable reactor is nonlinear, Newton-Raphson Method is applied to solve the nonlinear Finite Element Equations.
On the basis of the numerical analysis, the results of discrete mathematical model and compute program presented in this paper are verified by the corresponding experiments. The obtained numerical results show that the controllable reactor can well serve the engineering purpose.
首先，鉴于可控电抗器是一个既有电压源又有电流源激励的非线性准静态的电磁场问题。本文基于有限元法，采用场一路耦合分析法，构造了在这一混合激励情况下，分析研究该可控电抗器的非线性的离散数学模型。
其次，为描述可控电抗器在运行中铁心的非线性磁饱和效应，本文采用分段线性插值函数逼近铁磁材料的磁化曲线，构造非线性的有限元方程，并采用牛顿—拉夫逊法求解，获得了符合工程分析精度要求的数值计算结果。
在理论分析的基础上，本文对模拟可控电抗器进行了实测研究，所得实验数据与计算机仿真结果相印证，进一步证实了本文所构造的数学模型及其计算机仿真程序的正确性。同时，本文还对可控电抗器的工程应用，即基于微机控制实施无功补偿功能的控制电路方案进行了初步的探讨。
通过对模拟可控电抗器的计算机仿真和实测研究，可以确证多绕组结构的可控电抗器能平滑调节电抗器的无功容量，具有现实工程应用的研究价值和前景。
According to a Russian professor's idea, A controllable reactor model with multi control loops has been constituted by this paper. Then based on the Finite Element Method (FEM) and combining with the circuit theory, the mathematical model of nonlinear magnetic field is presented for the numerical analysis of the magnetic field distribution and the inductance of the controllable reactor model.
Firstly, the controllable reactor is connected directly with power network, so it is a electromagnetic field inspired by both voltage source and current source. With Finite Element Method and circuit theory, the nonlinear discrete mathematical model of controllable reactor is presented.
Secondly, since the controllable reactor is nonlinear, Newton-Raphson Method is applied to solve the nonlinear Finite Element Equations.
On the basis of the numerical analysis, the results of discrete mathematical model and compute program presented in this paper are verified by the corresponding experiments. The obtained numerical results show that the controllable reactor can well serve the engineering purpose.
引文
[1]．王凤翔 冯桂宏 杨西光 李文海 孙树波 杜维东，一种新型可控并联电抗器的工作原理，变压器，第35卷，第4期，1998年
[2]．陈维贤 陈禾 刘艳村 田翠华 鲁铁成，高速响应新型可控电抗器，武汉水力电力大学学报，第32卷，第2期，1999年
[3]．倪光正 钱秀英等编著，电磁场数值计算，高等教育出版社，1996年
[4].R.P. Feynman,The Feynman Lectures on Physics, 1965
[5].1986
[6].T.Nakata and N.Takahashi, Direct Finite Element Analysis of Flux and Current Distributions Under Specified Conditions, IEEE Transactions on Magnetic, Vol. Mag-18, No.2, March 1982
[7].Elias G.Strangas, Coupling the Circuit Equations to the Non_linear Time Dependent Field Solution in Inverter Driven Induction Motors, IEEE Transactions on Magnetic, Vol. Mag-21, No.6, November 1985
[8].J.Penman and J.R.Fraser, Complementary and Dual Energy Finite Element Principles in Magnetostatics, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.Mag-19,No.2, March 1982
[9].D.Shen G.Meunier. JL. Coulomb and J.C.Sabonnadiere, Solution of Magnetic Fields and Electrial Circuits Combined Problems, IEEE Transactions on Magnetic, Vol. Mag-21, No.6, November 1985
[10]．陈世欣 李朗如，从外施电压源研究交流电动机起动特性的有限元分析，电工技术学报，第1期1986年
[11].Peter P. Silvester and Ronald L.Ferrari, Fintie Elements For Electrical Engineers, Third Edition, Cambridge
[12]．金建铭著，王建国译，葛德彪校，电磁场有限元方法，西安电子科技大学出版社，1998年
[13]．盛剑霓等编著，工程电磁场数值分析，西安交通大学出版社，1990年
[14]．盛剑霓等编著，电磁场数值分析，科学出版社，1984年
[15]．陈伯超 陈维贤，磁阀式可控电抗器的数学模型及特性，武汉水利电力大学学报，第28卷，第3期1995年
[16]．李琳 阎春生 刘建新，并联铁心电抗器结构优化与噪音抑制，华北电力学院学报，第22卷，第1期1995年
[17]．孙定华 方治强 宓传龙等编著，电抗器专集，西安变压器厂特种变压器研究所信息中心
[18] 陈伯超 陈维贤，超高压可控电抗器限压特性及谐波分析，中国电机工程学报，第17卷，第2期1997年
[19]．谭浩强，C程序设计，清华大学出版社，1992年
[20]．徐士良主编，C常用算法集，清华大学出版社，1997年
[21]．钱金根，单标量磁位法再静态磁场数值分中的应用，浙江大学硕士学位论文，1994年
[22]．李斌，磁悬浮系统的电磁特性分析及其优化设计，浙江大学硕士学位论文，2000年
[23]．张志涌，掌握和精通MATLAB，北京航空航天大学出版社，1999年
[24]．P.Hammond著，李朗如 詹琼华译，电磁学中的能量法，华中工学院出版社，1984年
[25]．何立民编著，MCS-51系列单片机应用系统设计：系统配置与接口技术，北京航空航天大学出版社，1990年
[26]．孙涵芳 徐爱卿编著，MCS51、96系列单片机原理及应用，北京航空航天大学出版社，1988年
[27]．张春雨 孙鹏远 孙淼，一种微机用全数字移相触发器，吉林工业大学自然科学学报，第31卷，第3期2001年7月。
[28]．黄俊 王兆安编著，电力电子变流技术，机械工业出版社，1993年
[29]．胡之光主编，电机电磁场的分析与计算，机械工业出版社，1982年
[30]．尹忠东 刘虹，可控电抗器与配电网电压调整，《高电压技术》，1996年
[31]．张正陵 潘建，远距离交流输电线路的可控并联电抗补偿，《华中电子》，第3期，1996年
[2]．陈维贤 陈禾 刘艳村 田翠华 鲁铁成，高速响应新型可控电抗器，武汉水力电力大学学报，第32卷，第2期，1999年
[3]．倪光正 钱秀英等编著，电磁场数值计算，高等教育出版社，1996年
[4].R.P. Feynman,The Feynman Lectures on Physics, 1965
[5].1986
[6].T.Nakata and N.Takahashi, Direct Finite Element Analysis of Flux and Current Distributions Under Specified Conditions, IEEE Transactions on Magnetic, Vol. Mag-18, No.2, March 1982
[7].Elias G.Strangas, Coupling the Circuit Equations to the Non_linear Time Dependent Field Solution in Inverter Driven Induction Motors, IEEE Transactions on Magnetic, Vol. Mag-21, No.6, November 1985
[8].J.Penman and J.R.Fraser, Complementary and Dual Energy Finite Element Principles in Magnetostatics, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.Mag-19,No.2, March 1982
[9].D.Shen G.Meunier. JL. Coulomb and J.C.Sabonnadiere, Solution of Magnetic Fields and Electrial Circuits Combined Problems, IEEE Transactions on Magnetic, Vol. Mag-21, No.6, November 1985
[10]．陈世欣 李朗如，从外施电压源研究交流电动机起动特性的有限元分析，电工技术学报，第1期1986年
[11].Peter P. Silvester and Ronald L.Ferrari, Fintie Elements For Electrical Engineers, Third Edition, Cambridge
[12]．金建铭著，王建国译，葛德彪校，电磁场有限元方法，西安电子科技大学出版社，1998年
[13]．盛剑霓等编著，工程电磁场数值分析，西安交通大学出版社，1990年
[14]．盛剑霓等编著，电磁场数值分析，科学出版社，1984年
[15]．陈伯超 陈维贤，磁阀式可控电抗器的数学模型及特性，武汉水利电力大学学报，第28卷，第3期1995年
[16]．李琳 阎春生 刘建新，并联铁心电抗器结构优化与噪音抑制，华北电力学院学报，第22卷，第1期1995年
[17]．孙定华 方治强 宓传龙等编著，电抗器专集，西安变压器厂特种变压器研究所信息中心
[18] 陈伯超 陈维贤，超高压可控电抗器限压特性及谐波分析，中国电机工程学报，第17卷，第2期1997年
[19]．谭浩强，C程序设计，清华大学出版社，1992年
[20]．徐士良主编，C常用算法集，清华大学出版社，1997年
[21]．钱金根，单标量磁位法再静态磁场数值分中的应用，浙江大学硕士学位论文，1994年
[22]．李斌，磁悬浮系统的电磁特性分析及其优化设计，浙江大学硕士学位论文，2000年
[23]．张志涌，掌握和精通MATLAB，北京航空航天大学出版社，1999年
[24]．P.Hammond著，李朗如 詹琼华译，电磁学中的能量法，华中工学院出版社，1984年
[25]．何立民编著，MCS-51系列单片机应用系统设计：系统配置与接口技术，北京航空航天大学出版社，1990年
[26]．孙涵芳 徐爱卿编著，MCS51、96系列单片机原理及应用，北京航空航天大学出版社，1988年
[27]．张春雨 孙鹏远 孙淼，一种微机用全数字移相触发器，吉林工业大学自然科学学报，第31卷，第3期2001年7月。
[28]．黄俊 王兆安编著，电力电子变流技术，机械工业出版社，1993年
[29]．胡之光主编，电机电磁场的分析与计算，机械工业出版社，1982年
[30]．尹忠东 刘虹，可控电抗器与配电网电压调整，《高电压技术》，1996年
[31]．张正陵 潘建，远距离交流输电线路的可控并联电抗补偿，《华中电子》，第3期，1996年