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深入探討平波電抗器(直流電抗器)的設計計算

    深入探討平波電抗器(直流電抗器)的設計計算
    摘 要:本文介紹了電抗器的設計特點,重點介紹了平波電抗器(直流電抗器)的設計方法和具體的計算和設計,以及平波電抗器(直流電抗器)電感量的測量方法。 

    關鍵詞:電抗器設計;平波電抗器(直流電抗器)設計方法; 電感量測試; 

    引  言:電抗器是一種在強弱電技術常用的電器元件,依據適配對象可分為電容器用串聯電抗器、變頻器用進線電抗器(輸入電抗器)、出線電抗器(輸出電抗器)、直流電抗器(平波電抗器)及電機用限流電抗器、啟動電抗器;從它的應用功能上可分為限流電抗器、濾波電抗器、平波電抗器、平衡電抗器等。根據它們的使用頻率又可分為三相交流電抗器、直流電抗器(平波電抗器)、低頻電抗器、高頻電抗器,不同功能和使用條件不同的電抗器,其外型、結構、設計方法差異很大。本文重點介紹直流電抗器(平波電抗器)的設計方法。

    一 電抗器設計應用原理 
    電抗器的設計原理主要依據電磁基本理論,設計過程涉及到材料磁特性、磁導率、磁性材料的加工方法、電抗器的結構、磁路的長度、電抗器的工作頻率、電流、波形特點、是否含有交流分量、這些都直接影響到電抗器的設計性能,因此大都采用工程近似計算法進行初步計算,然后將樣品電抗器通電試驗后根據其電性能再進行設計調整以獲得最佳的電氣性能。

     二  直流電抗器(平波電抗器)的基本設計方法 
    1 根據電抗器的工作頻率選擇磁性材料 
    通常直流電抗器(平波電抗器)選用硅鋼片作為導磁材料,當直流電抗器(平波電抗器)工作過程需濾除高頻成分且高頻頻率在10kHz以上100kHz以下也采用超微晶磁性材料或坡莫合金材料來完成。 

    2 根據電抗器的工作性質選擇電抗器的結構 
    當電抗器作為限流用時,我們希望它的電抗能隨著通過的電流增大而增大,因此在設計時應采用較長的磁路,以增加磁路損耗。由于直流電抗器(平波電抗器)工作時有直流分量通過時,應適當增加磁路的氣隙。以免受鐵芯磁化的影響。同時還要根據電抗器通過的電流合理選擇導線的截面積,以降低損耗,合理選擇窗口面積和鐵芯結構形式。

    3直流電抗器(平波電抗器)設計計算 
    首先根據所要求的電感量L來計算出鐵心尺寸;線圈圈數W;選定導線截面S并決定最合適的氣隙,由于這些數據相互有影響,特別是可供選用的鐵芯尺寸也可能有好幾種,所以電抗器的設計往往需要反復幾次。 

 

    3.1先算出 I²d/L的數值(單位為安/亨),再根據電流的大小選定通過線圈的電流密度
j(單位為A/mm²),在圖1中查出對應的鐵芯重量公斤數,并求出大致的L/R值,即電抗器本身的時間常數T=L/R值。一個電抗器的尺寸大小與導線線徑、圈數、甚至L的大小等均無直接關系,主要取決于容量的大小。 

    3.2確定鐵芯的形狀和尺寸。
    將鐵芯設計為如圖2所示的E字型或口字型形狀,圖中帶箭頭虛線表示計算磁路。鐵芯其磁路平均長度l(cm)、鐵芯截面積S(cm²)和鐵芯的重量有如下關系:T =(ab –2cd)×f×7.8  式中:T為鐵芯重量a;b;c;d ;e為鐵芯各部尺寸(見圖2);f 為鐵芯疊厚。

    在E字型鐵芯中通常取b = 0.7 - 0.8a;c = 0.3–0.4d;
    在口字型鐵芯中通常取b = 1.3 - 1.5a;c = 0.3–0.4d;

    E字型鐵芯各部分尺寸的關系需滿足:a = 2( e + c ) 
    口字型鐵芯各部分尺寸的關系需滿足:a = 2 e + c 

    3.3根據計算出的鐵芯重量,和確定的鐵形狀尺寸和疊厚,就可以算出鐵芯的磁路平均長度l(cm),鐵芯截面積S(cm²)和鐵芯窗口面積Q(cm²)。即:l = 2(d + e + c ) ;S = e×f ;Q = c×d;電抗器的鐵芯尺寸確定后可以繞線圈的鐵芯總截面也確定了,則電抗器固有時間常數也基本確定了。 

    3.4計算線圈的圈數: L=μW²S/l 上式中: L為電抗器的電感量(mH);μ為導磁系數;W為線圈圈數;l為磁路長度(cm)。 對于通過直流電的電抗器必須留有一定的氣隙,但氣隙的大小影響著μ導磁系數,通常氣隙取磁路長度的0.5–1%。如果電抗器中還有一定成分的交流電流通過,則交流分量也影響著μ值的選取。通常μ值取1.25/10³(mH/cm)。

    3.5根據電流的大小選定導線的截面積q: q = I/j  上式中:q 為導線截面積(mm²);I 為電抗器額定電流(A);j為選定的導線電流密度(A/mm²)。 

    3.6根據導線截面和線圈圈數驗算鐵芯窗口面積Q:  Q = qW/k  上式中:Q為鐵芯窗口截面積;q為導線截面積;W為線圈圈數;k為填充系數,通常取0.4□0.6。

    三 直流電抗器(平波電抗器)的測量 
    電抗器加工完成后 ,可以按圖3連接測算出電抗器的參數:圖3中,Id為額定直流電流;U~為交流電壓表讀數;I~為交流電流表讀數;L為被測電感。從下式可得被測電感量:L =U~/ωI~

    四  結束語 
    本文介紹了電抗器的種類和用途并重點介紹直流電抗器(平波電抗器)的設計和計算以及直流電抗器(平波電抗器)的電感量測試方法。由于影響電抗器設計的參數較多,設計完成后應反復驗算幾遍,以求獲得最佳的設計效果。

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