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(jù)適配對象可分為電容器用串聯(lián)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)所要求的電感量L來計算出鐵心尺寸；線圈圈數(shù)W；選定導線截面S并決定最合適的氣隙，由于這些數(shù)據(jù)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(shù)值（單位為安/亨），再根據(jù)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(shù)，并求出大致的L/R值，即電抗器本身的時間常數(shù)T=L/R值。一個電抗器的尺寸大小與導線線徑、圈數(shù)、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(jù)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(shù)也基本確定了。 

    3.4計算線圈的圈數(shù)： L=μW²S/l 上式中: L為電抗器的電感量（mH）；μ為導磁系數(shù)；W為線圈圈數(shù)；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(shù)，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(jù)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(jù)導線截面和線圈圈數(shù)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(shù)；k為填充系數(shù)，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(shù)：圖3中，Id為額定直流電流；U～為交流電壓表讀數(shù)；I～為交流電流表讀數(shù)；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(shù)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。