铁心电抗器的设计探讨.doc

铁心电抗器的设计探讨李向阳摘要:介绍了计算不同磁密和气隙时铁心有效导磁率的方法,给出了一组数据，并以此分析电感的变化,以及气隙对电感变化的影响。 关键词：铁心电抗器 电感 磁密 有效导磁率 相对有效导磁率 气隙铁心电抗器在电力电子设备种应用极为广泛，品种繁多。其电感量随磁场的变化而变化，而且是非线性的。不同场合使用的电抗器对电感量随负载的变化有不同的要求，电感量基本维持不变或者变化很小就是通常所说的线性电抗器，而电感量在较大范围内变化则是摆动电抗器，这种线性或者非线性的特点取决于三个因素，铁心本身的材质、设计选取的磁密以及气隙的大小。多数情况下我们希望电抗器电感基本维持不变，具有良好的线性特征。本文将结合硅钢片的磁化曲线，通过理论计算分析不同磁密时电感变化程度和趋势，以及气隙对电感变化的影响规律。当忽略漏电感、气隙磁通边沿扩散时，电感量的计算公式为：L=0.4NSc10-8/(lg+lc/r) (1)式中 N -线圈匝数 Sc-铁心有效截面积(cm)lg-气隙长度(cm)lc-铁心磁路长度(cm)r-铁心相对磁导率式（1）可改写成L=0.4eNSc10-8/lc (2)式中e-铁心的有效磁导率对比式（1）和式（2）得e=r/（1+rlg/lc） (3)式中lg/lc-气隙长度和铁心磁路长度的比值r-铁心相对导磁率r=/o=B/H/o （4）式中-铁心导磁率,可利用磁化曲线求得。o-真空导磁率，其值为4x10-7(H/m)。表1：某牌号硅钢片的磁化曲线、值、r值Bm（T）0.80.850.90.951.01.051.1Hm（A/m）135138150158165173185(H/m)0.005930.006160.0060.006010.006060.006070.00595r4718490447774787482548234734Bm（T）1.151.21.251.31.351.41.45Hm（A/m）200227247280318382489(H/m)0.005750.005290.005060.004640.004250.003660.00297r4578420840293696338029182361Bm（T）1.51.551.61.651.71.751.8Hm（A/m）683123020003454500066678300(H/m)0.00220.001260.00080.000480.000340.00260.00229380.3270.7209.0172.7对我们要核算的电抗器而言，线圈匝数、铁心截面积和铁心磁路长度已经确定，从式（2）可以看出，电感将正比例于有效导磁率e变化。铁心有效磁导率e可以通过式（3）进行计算。这样根据磁化曲线就可以计算出各种气隙下不同磁密对应的e值，从而找到电感的变化规律。表2是对某牌号硅钢片不同磁密不同气隙下e值的计算结果。表2中，选取磁通密度为0.8T时的e值为比较基准，磁通密度各种取值时的e值分别与之比较，得出的数据定义为相对有效磁导率，相对有效磁导率的变化可更直观的反映出电感量的变化。表2给出了几种气隙下磁密从0.8T到1.8T各典型值对应的相对有效导磁率，利用这些数据能对不同磁密时的电感进行准确计算。 表2计算数据对设计实践具有以下几点指导意义。第一点，气隙大小对电抗器的线性度的影响。气隙大则线性度好，气隙小则线性度差。表中可以看到两种典型情况，当气隙长度占到铁心磁路10%时，在整个磁密变化过程中，相对有效磁导率基本维持不变，即电感基本维持不变。当气隙为零时即无气隙电抗器，其相对有效磁导率最大值为1，最小值则为0.0366，电感变化比较大。当然气隙大小是否合适不能一点定论，在满足电感变化要求的情况下也要综合考虑产品成本、重量及外形尺寸。大气隙的电抗器具有良好的线性度和较小的体积，但用铜量增加而使得产品成本增加；小气隙电抗器线性度差电感下降快、体积大、但用铜量较少而成本低廉。第二点，结合附表的数据，准确计算电感量随负载变化的程度。如电容补偿电抗器，要求1.8倍负载时电感量下降不超过5%。若初选额定磁密为0.8T,则1.8倍时的预期磁密为1.44T。假设气隙占1%,查附表两磁密对应的相对有效磁导率分别为1和0.9797，下降幅度0.0203，相对额定值的下降比例为2.03%，磁密可进一步提高。第三点，通过对不同牌号硅钢片的计算，会发现低牌号的硅钢片虽然导磁率比较低，但只要气隙选择合适依然可以做出线性度良好的电抗器，这样对降低成本提高产品市场竞争力意义重大。第四点，用降低磁密来换取线性度不可取，这样的结果势必造成铁心用量增加，而且小气隙的低磁密只能在很小范围维持电感的线性度。第五点，随着气隙增大，铁心有效导磁率快速减小。如表中磁密1.0T，气隙各值时，对应的有效导磁率分别是4825、33、17、10。虽然电感的线性度变好，但线圈匝数增加，用铜量增加。这种趋势的极端情况就是空心电抗器，磁路全部由气隙构成。铁心材质，磁密，气隙三个参数的选择要综合考虑各种性能因素，这样出来的设计方案才是最优化的。本文方法仅是理论上的探讨，尚需在实践中验证和修改。- 6 -表2: 某牌号硅钢片不同气隙、不同磁密时的e值Bm(T)相对导磁率r气隙0%气隙1%气隙3%气隙6%气隙10%有效导磁率e相对有效导磁率有效导磁率e相对有效导磁率有效导磁率e相对有效导磁率有效导磁率e相对有效导磁率有效导磁率e相对有效导磁率0.847184718197.9245133.0995116.608019.97891.00010.85490449041.039498.00161.000833.10831.000316.61021.00019.97971.00000.90477747771.012597.94961.000333.10241.000116.60871.00009.97911.00000.95478747871.014697.95381.000333.10281.000116.60881.00019.97921.00011.00482548251.022797.96971.000533.10461.000216.60931.00019.97931.00011.05483248321.024297.97251.000533.10501.000216.60940.99999.97941.00011.10473447341.003497.93131.000133.10030.999916.60820.99999.97890.99991970397.86230.999433.09240.999816.60620.99969.97820.99991.20420942090.892197.67920.997533.07140.999216.60090.99949.97630.99971.25402940290.854097.57820.996533.05980.998816.59800.99909.97520.99961.30369736970.783597.36600.994333.03540.998116.59190.99869.97300.99941.35338033800.716497.12640.991933.00780.997216.58490.99789.97050.99921.40291829180.618596.68650.987432.95680.995716.57200.99659.96590.99871.45236123610.500495.93640.979732.86920.993016.54980.99419.95780.99791.50174917490.370794.59040.969532.70890.988216.50930.98719.94310.99641.55100310030.212690.93640.928632.26150.974716.39430.97799.90130.99221.60636.9636.90.135086.43040.882631.67560.957016.24170.96149.84540.98661.65380.3380.30.080679.18140.808630.64740.925915.96700.94539.74380.97651.70270.7270.70.057373.02410.745729.67880.896715.70000.94539.64