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第29卷第期中国电机工程学报Vol.29No.00.20092009年月ProceedingsoftheCSEE©2007Chin.Soc.forElec.Eng.9文章编号：0258-8013(2009)07-0001-06中图分类号：TM85文献标志码：A学科分类号：470·40饱和电感及其设计方法吕鑫源（哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨，150001）ABSTRACT:Commonlyuseddisposablemagneticlevitationflywheelslockingdevicesandreusablelockingdevicesathomeandabroadareintroducedandtheirstructuresandworkingprinciplesareanalyzed.Theresearchstatusofthesemagneticlevitationflywheellockingdevicesandtheirapplicationsinsatelliteattitudecontrolsystemarereviewed.Theforeign-time/externallockingschemesareintroduced.Combinedwithavarietyofprogramstructurediagrams,differentoccasionssuitableforthelockingdevicesareshowedinthispaper.Toovercometheshortcomingsthatthedisposablelockingdevicecannotberepeatedlock/unlock,thedevelopmentofdomesticreusablelockingmeansarediscussed,theinternallockingdevicesbasedonself-lockingwedgeandrepeatablehuglocktightmeansareanalyzed.Lookingtothefuturedirectionofthelockingprotectiontechnology,therepeatedlockingdevicesbasedonasingleactuator,lockinghighstiffness,highresistancenicoleandthelockingprotectioneffectevaluationmethodisthefocustostudythemagneticlevitationflywheelprotectiontechnology.KEYWORDS：magneticlevitationflywheel;lockingdevice;attitudecontrol摘要：饱和电抗器的优点是：稳定、可靠、可连续平滑调节功率、控制灵活、成本较低、寿命较长、维护管理简便等。因此，近年来，大功率饱和电抗器在工业中得到广泛应用。本文给出了饱和电感的线性化计算方法。关键词：饱和电感；设计；线性化计算方法1引言饱和电感是一种磁滞回线矩形比高，起始磁导率高，矫顽力小，具有明显磁饱和点的电感，在电子电路中常被当作可控延时开关元件来使用。由于其独特的物理特性，使之在高频开关电源的开关噪声抑制、大电流输出辅路稳压、移相全桥变换器、谐振变换器及逆变电源等方面得到了日益广泛的应用。2.线性化计算方法设计饱和电感2.1线性化计算方法介绍饱和电抗器主要用作功率系统中的参数调节，如调光、稳压、电阻炉温控制、电机启动控制、电力系统无功补偿等。不同用途的饱和电抗器，设计出发点是不同的，所以根据饱和电抗器用途、线路等的不同，要求不一样，计算方法也是不同的。线性化计算方法是一种工程近似方法，这种方法将交流（工作）回路近似的看作是线性的，即在推导工作回路方程式时，假设在一定的负载电流下，等效磁导率为常数，这就使计算过程简化了许多，这时所有非正弦的Β及Η（或电路中的U和I）都用等效正弦波代替，因此，在电流值一定时，可把饱和电抗器工作绕组感抗值等效为线性电抗处理，因而交流回路负载特性可近似用一个椭圆方程来代表。利用铁心的交直流同时磁化曲线族Bm=f(H,Hk)和负载特性椭圆曲线，用作图方法进行计算，可以得出饱和电抗器的负载功率和铁心体积的关系。磁化曲线族是根据实验得出的，作图时又应用了线性化假设推导的公式，称为图解分析法。这种方法比较简单，又有一定的准确度，是一种工程实用的方法。2.2铁心体积与负载功率关系假设饱和电抗器各交流电量及磁量均等效为正弦波，负载为纯电阻，并设工作绕组为串联（这里只是为了方便，其实如果工作绕组为并联，最后得出的计算公式是一样的）。给定的原始数据为:（1）饱和电抗器负载功率PL。（2）负载电阻RL或电源电压有效值U（有时RL和U同时给定）。（3）电源频率f。（4）无直流电流时，最小输出电流I0或工作绕组感抗Xg（这时Xg为最大）。基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(973计划)(2006CB200303，2006CB2003056)。TheNationalBasicResearchProgram(973Program)(2006CB2003-03,2006CB2003056).10中国电机工程学报第27卷（5）控制功率Pk或控制电流Ik。如果对静特性线性段有较高要求，则应给出在控制特性线性范围内的功率放大系数或电流放大系数。计算时必须具有交直流同时磁化曲线族，可在实验样品上测得，实验样品所用的铁心材料及铁心结构必须与待计算的饱和电感一致，但铁心尺寸及绕组匝数则可以不同。在电磁计算步骤中，主要的是决定铁心体积与尺寸。饱和电感的铁心体积主要决定于负载功率、铁心磁状态、电源电压与负载电压的比值等，在上述给定条件下，求得的体积最小或重量最小的计算结果就是饱和电抗器的最佳电磁设计，计算铁心体积时，求出两个工作状态，即控制电流为零和额定时的交流回路方程。Ik=0时，工作绕组串联的饱和电抗器的交流回路方程为()式中，为工作（交流）回路电阻；为两个工作绕组电阻；为Ik=0时两个串联工作绕组上压降。直流电流为额定值Ikn时，交流回路方程为()式中，为时两个串联工作绕组上的压降，这时铁心饱和加深，感抗应为最小，即为最小；也就是流过工作绕组电流。工作绕组电压与铁心磁感应强度关系由电磁感应定律决定式中，、分别为直流电流为零和额定时的铁心磁感应幅值，Τ；为铁心有效截面积，。工作绕组电流与铁心中磁场强度关系为式中，、为磁化曲线上与、对应的磁场强度有效值，A/m；为铁心磁路平均长，m。工作绕组电压与电流关系也可与工作绕组感抗值联系，在额定工作状态下√控制电流为零时√饱和电抗器输出功率()工作回路效率负载功率√直流电流为零时，可近似认为整理可得，√或√为一个铁心体积，。单相饱和电抗器由两个铁心组成，铁心总体积为2。单位功率的体积是饱和电抗器设计的一个重要指标。√输出功率越大，铁心体积越大，频率也是一定的，因此单位功率体积/P主要取决于铁心磁状态参数的选择，显见控制电流为零时铁心磁密越大，铁心体积越小，如果要求相应的小（即电流小），则应选得更小一些。根据计算经验，时，/P最小，为额定负载电流时的交流磁场强度有效值，为额定控制（直流）磁场强度，、、均可在的交直流同时磁化曲线上得到。铁心体积与电源电压U的关系如下√√第期等：11所以√√电源电压U越高，电源电压与额定负载电压差值越大，则工作绕组电压越大，铁心体积也越大。上式说明，越小，则√越小，/P越大。另外，选定，则由给定参数及可求出，利用交直流同时磁化曲线族，在的磁化曲线上选取，求出，再由按电流比求（）。已知、，则可由交直流同时磁化曲线族上查找对应的值，计算/P。2.3参数的选取方法和计算程序（1）的选择。选得越大，则/P越小，这是有利的，但大了，增大，同时铁损也大了，根据铁心磁材料性能及铁心结构形式决定的大小。一般选在交流磁化曲线拐点以下，对用冲片选成的铁心，冷轧硅钢片可取，考虑磁路气隙使铁心磁特性变差，要取得更低些。如果用卷绕式铁心，则磁性能较好，可以取得更高些，例如冷轧硅钢片卷绕式铁心可取。（2）铁心体积和尺寸的确定。由以上公式计算，为输出功率，它比负载功率略大，对于大功率饱和电抗器，工作回路效率在0.95以上。用冷轧硅钢片材料做饱和电抗器铁心，可选择卷绕环形或卷绕E形。铁心有效截面积是实际铁心截面。铁心厚度，如果考虑铁片表面绝缘，则铁心还要厚些，一般取=2~3。太大，则铁心太厚，使绕组每匝平均长度增加，用铜量多。太小，则铁心太薄，使磁性能下降。考虑硅钢片表面绝缘有一定厚度可取铁心叠片系数，不小于0.9。铁心厚。对于几十千伏安以上的大功率饱和电抗器与变压器铁心相同，也可以做成阶梯形铁心截面。（3）工作绕组计算。工作绕组串联时，工作绕组匝数可由下式计算导线规格按允许电流密度选定，与饱和电抗器功率大小、冷却方式等有很大关系，散热条件好，则允许电流密度大，而散热条件又与工作绕组布置形式有关，可以参考变压器设计经验选取。（4）控制绕组计算。在交直流同时磁化曲线族上，选定、，可确定额定控制磁场强度。由直流控制电源能提供的电流大小决定，控制绕组匝数为根据需要决定是不是加位移绕组。（5）窗口面积校核。（6）温升计算校核。损耗的计算式如下：铁损(W)铜损(W)式中，为铁心附加损耗系数，取值为1.2~1.3；为最大磁感应时铁心单位重量损耗，W/kg；为铁心重，kg；为铜附加损耗系数，1.1~1.25；为12中国电机工程学报第27卷75°C时工作绕组的直流电阻，Ω。75°C时，铜的电阻系数ρ=0.0214Ω。ρ式中，为工作绕组导线长，m；为工作绕组导线截面，。式中，为散热面积，；为散热系数，可取（1.2~1.4）W°；为温升，°。至此，初步计算即告一段落，下一步应根据实验进行参数修改。在初步计算中也常常需要作几种计算方案进行比较，如果与实践经验相结合，则可以较快地计算出最佳方案。用线性化方法计算饱和电抗器，误差在工程允许范围以内，误差的主要来源是：①设计用的交直流同时磁化曲线与实际铁心磁性能不完全符合；②计算公式是按照电磁参量波形为等效正弦推导出来的，与实际情况有出入；③计算时选取的某些经验数据如工作回路效率η等与实际有差别。致谢本文中实验方案的制定和实验数据的测量记录工作是在×××集团有限公司×××、×××、×××等工作人员的大力支持下完成的，在此向他(她)们表示衷心的感谢。课程建议建议老师加大考勤力度，增加出勤率。参考文献：[1]蔡宣三.饱和电抗器的原理与设计[M].北京：清华大学出版社，1978.[2]蔡宣三.开关电源中的磁放大器式输出电压调节器[J].电源世界，2001，（3）：1-6[3]陈树君，殷树言.用饱和电感改善软开关弧焊逆变电源的性能[J].焊接学报，1998，（12）：46-49.[4]胡晓光，蔡惟铮.一种新型ZVZCS全桥PWM变换器[J].电工技术杂志，2002，（7）：4-7.[5]阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京：科学出版社，2000.收稿日期：2005-09-25。作者简介：吕鑫源(1987—)，女，硕士研究生，主要从事永磁电机和新型电磁机构方面的研究。(编辑李小丫)