摘 要 电气化铁路自然功率因数低，现有的并联电容补偿方式难以使系统达到标准要求，影响了企业的经济效益。用磁阀式可控电抗器调节电气化铁路系统的无功功率，主要需要解决的内容有非线性电路的无功功率的测量和快速调节，保证功率因数保持在0．9以上。以利用直流电流控制铁芯的磁饱和度来达到平滑调节目的的磁阀式可控电抗器为补偿元件，晶闸管为执行元件，用80c196kc单片机进行控制，保证了补偿的快速性、准确性、合理性。实验和样机试运行均表明：该动态无功补偿系统能快速补偿系统无功，使功率因数保持在较高水平，很好地改善了供电质量，提高了供电系统的经济效益。
关键词 电气化铁路 磁阀式可控电抗器 无功功率 平滑调节 功率因数 经济效益
1 引言
随着电网规模的不断扩大，以及各种用电设备接入电网消耗大量的无功，无功不足和电压波动大的问题日益突出。这时仅靠调节发电机励磁电流的手段已经不能满足要求。从20世纪初开始，人们就对无功补偿技术进行了大量的研究，为改善负荷功率因素，逐步采用了同步调相机、并联电容器、并联电抗器、串联电容器、现代静止补偿器等无功补偿手段。控制方式也有集中式控制、分散控制和关联控制等方式，控制策略更是从经典控制转入了智能控制。
电气化铁路是重要的电力用户，其无功问题也一直很严重。电气化铁路电力机车和牵引变电所无功补偿装置的技术状态，直接关系到运输生产的经济效益。提高电气化铁路功率因数有两种方法：一是提高负荷（电力机车）的功率因数，这可通过改造原有电力机车或研制高功率因数的电力机车来实现；二是实时监测、调节系统的无功功率，使功率因数始终保持较高值。前一种方式由于需要大量的资金，短时间内还不能实现。现在比较常用的无功补偿装置有两种：一是开关投切电容器组，但是当供电馈线没有电力机车通过时，并联的电容器组向系统倒送无功，而电力部门对无功补偿装置实行＂反转正计＂（即把用户反送电力系统的无功与取用的无功电量绝对值相累加），使功率因数达不到0．9标准；开关投切电容器组还产生涌流和电磁暂态，造成过电压，实际运行曾出现过用开关投切电容器组而引发的系统过电压事故；二是使用晶闸管控制电抗器（tcr），但价格贵，占地面积大，谐波含量大。
采用可控电抗器配合并联电容器组，能满足电力机车运行方式多变，负荷变化快的特点，并且该装置能平滑调节无功功率，造价低，可靠性高，产生谐波小，是电气化铁路系统动态无功补偿的较好选择。
本课题的主要工作是：对无功补偿装置的控制方案进行研究，确定一种更有效的、对电网更有利的控制方式；设计晶闸管触发电路，确定正确的导通角；进行基于磁阀式可控电抗器的控制装置的设计；对样机进行实验和调试。
2 磁阀式可控电抗器及特性
图1为磁阀式可控电抗器的原理图。由图可见，磁阀式可控电抗器的铁芯磁路由大截面段和小截面段串联而成。两个匝数为n的线圈分别对称地绕在两个半铁芯柱上，每一半铁芯柱上下两绕组各有一抽头比为δ＝n2／n的抽头，它们之间接有可控硅k1（k2）。不同铁芯的上下两个绕组交叉连接后，并联至电网电源。
在可控电抗器整个容量调节范围内，大截面段铁芯始终处于磁铁性的未饱和线性区，磁阻相对于小截面段可忽略；小截面段的磁饱和度可设计得接近极限值。此时，可控电抗器所产生的谐波很小，大约为晶闸管控制电抗器所产生谐波的一半。此时容量已达到极限值，所以磁阀式可控电抗器过负荷能力较差，但其特别适合于高压配电网中调压和无功补偿；若不考虑长线过电压限制问题，亦可用于线路充电功率的补偿。
在电源的一个工频周期内，可控硅的轮流导通起全波整流的作用。改变可控硅k1和k2的触发角便可改变控制回路电流的大小，以改变电抗器的饱和度，从而平滑连续地调节可控电抗器的容量〔2〕。
3 动态无功补偿装置原理
图2为电气化铁道供电系统和动态无功补偿器接线方式。动态无功补偿系统由单相可控电抗器和固定电容器组成。当电力机车进入牵引变电所所辖范围时，固定电容器组充分补偿机车感性无功，可控电抗器的容量调到最小（空载）；当电力机车驶出所辖电网以外后，电容器向系统倒送无功，此时，迅速调节磁阀式可控电抗器的容量到最大值，以吸收容性无功；在电力机车负荷变化的过程中，可控电抗器快速跟踪补偿剩余容性无功，从而保证了高
功率因数。与此同时，电容器组同时还起着3次，5次以及高次谐波滤波器的作用。
4 无功检测和控制回路
为简化分析和实际情况出发，假定电气化铁路系统电压为正弦波，电流为非正弦波，分别表示为：
式中i1为基波电流有效值，i为
