变频器专用电抗器设计计算与测定

文:周志敏2019年第三期

摘要:本文在简介变频器专用进线电抗器结构与功能的基础上,阐述了变频器专用进线电抗器设计计算,变频器专用直流电抗器功能及电感值选择,交直流电抗器电感量的测定。

关键词:功能计算测定

1.变频器专用进线电抗器

2-变频器专用电抗器设计计算与测定650.png 

电抗器也叫电感器,一个导体通电时就会在其所占据的一定空间范围产生磁场,所以所有能载流的电导体都有一般意义上的感性。然而通电长直导体的电感较小,所产生的磁场不强,因此实际的电抗器是导线绕成螺线管形式,称空心电抗器;有时为了让这只螺线管具有更大的电感,便在螺线管中插入铁心,称铁心电抗器。电抗分为感抗和容抗,比较科学的归类是感抗器(电感器)和容抗器(电容器)统称为电抗器,然而由于过去先有了电感器,并且被称为电抗器,所以现在人们所说的电容器就是容抗器,而电抗器专指电感器。

常见的变频器专用进线电抗器,一般都是铁芯干式,变频器专用进线电抗器的铁芯,采用优质低损耗冷轧硅钢片,如图1所示。常见的变频器专用进线电抗器气隙采用环氧层压玻璃布板作间隔,以保证电抗器气隙在运行过程中不发生变化,线圈采用H级漆包扁铜线绕制,排列紧密且均匀,外表不包绝缘层,且有极佳的美感且有较好的散热性能。

变频器专用进线电抗器的芯柱部分紧固件,采用无磁性材料,减少运行时的涡流发热现象;变频器专用进线电抗器的外露部件,均采取了防腐蚀处理,引出端子采用镀锡铜管端子;变频器专用进线电抗器与国内同类产品相比具有体积小、重量轻、外观美等优点,可与国外知名品牌相媲美。

变频器专用进线电抗器的线圈和铁芯组装成一体后经过预烘→真空浸漆→热烘固化这一工艺流程,采用H级浸渍漆,使电抗器的线圈和铁芯牢固地结合在一起,不但大大减小了运行时的噪音,而且具有极高的耐热等级,可确保电抗器在高温下亦能安全地无噪音地运行;进线电抗器芯柱部分紧固件采用无磁性材料,减少运行时的涡流发热现象;外露部件均采取了防腐蚀处理,引出端子采用镀锡铜管端子。

变频器专用进线电抗器,是依靠线圈的感抗来阻碍电流变化的电器,抑制变频器产生的高次谐波,其通常串联于变频器进线端和电源之间,并因此而得名。变频器专用进线电抗器具有如下功能:

1)限制变流器换相时电网侧的电压降;

2)抑制变频器整流过程中产生的高频谐波以及并联变流器组的解耦;

3)限制电网电压的跳跃;

4)减小电网系统操作时所产生的电流冲击;

5)提高变频系统的功率因数;

由变频器构成的调速系统在运行过程中,经常会受到来自浪涌电流和浪涌电压的冲击,会严重损坏变频器和调速器的性能和使用寿命,所以要在电源和变频器之间加进线电抗器,用以抑制浪涌电压和浪涌电流,有效的保护变频器,延长变频器使用寿命,并能够改善变频器的功率因数,降低电机的噪音,降低涡流损耗。

由于变频器采用变频的方式调速的,所以在调速的时候经常会产生高次谐波和产生波形畸变,会影响设备正常使用,为此,须在输入端加装一个进线电抗器,可以改善变频器的功率因数及抑制谐波电流,滤除谐波电压和谐波电流,改善电网质量。

2.变频器专用进线电抗器的设计计算

当选定了电抗器的额定电压降ΔUL,再计算出电抗器的额定工作电流In以后,就可以计算电抗器的感抗XL。电抗器的感抗XL按下式计算:

XL=ΔUL/In

有了以上数据便可以对电抗器进行结构设计,电抗器铁芯截面积S与电抗器压降ΔUL的关系如下式所示:

2-变频器专用电抗器设计计算与测定2021.png 

式中:ΔUL单位V;f为电源频率(Hz);B为磁通密度(T);N为电抗器的线圈圈数;Ks为铁芯迭片系数取Ks=0.93。

电抗器铁芯窗口面积A与电流In及线圈匝数N的关系如下式所示:

A=InN/(jKA)

式中:j电流密度,根据容量大小可按2~2.5A/mm2选取;KA窗口填充系数,约为0.4~0.5。

铁芯截面积与窗口面积的乘积关系如下式所示:

SA=PK/(4.44fBjKsKA×10-4)

由上式可知,根据电抗器的容量PK(=ΔULIn)值,选用适当的铁芯使截面积SA的积能符合下式)的关系。

假设选用B=0.6T,j=200A/cm2,Ks=0.93,KA=0.45,设A=1.5S,则电抗器铁芯截面与容量的关系为:

2-变频器专用电抗器设计计算与测定2365.png 

电抗器铁心的截面积:

2-变频器专用电抗器设计计算与测定2401.png 

铁心截面积求出后,即可按下式求出线圈匝数:

2-变频器专用电抗器设计计算与测定2449.png 

为了使输入电抗器有较好的线性度,在铁芯中应有适当的气隙。气隙大小可先选定在2~5mm内,通过实测电感值调整气隙以改变电感量。

3.变频器专用直流电抗器及设计计算

变频器专用直流电抗器也叫平波电抗器,串联在直流母线中(端子P1、P+)。主要是减小输入电流的高次谐波成分,提高输入电源的功率因数(提高到0.95)。此电抗器可与交流电抗器同时使用,变频器功率大于30kW时才考虑配置直流电抗器。

直流电抗器接在滤波电容前,它抑制进入电容的整流后冲击电流的幅值,并改善功率因数、降低母线交流脉动。变频器功率越大,越应该使用直流电抗器,因为没有直流电抗器时,变频器的电容滤波会造成电流波形严重畸变和而使电网电压波形严重畸变,而且非常有害于变频器的整流桥和滤波电容寿命。

直流电抗器用于改善电容滤波(当前电压型变频调速器主要滤波方式是电容滤波)造成的输入电流波形畸变和改善功率因数、减少和防止因冲击电流造成整流桥损坏和电容过热,当电源变压器和输电线路电阻较小时、电网瞬变频繁时都需要使用直流电抗器。直流电抗器可使逆变环节运行更稳定,并能限制短路电流。

2-变频器专用电抗器设计计算与测定2928.png 

直流电抗器的电感值的选择一般为变频器进线交流电抗器3%阻抗电感量的2~3倍,最少要1.7倍,即

LCD=(2~3)LAC

例:对三相380V90kW变频器所配直流电抗器计算:

LCD=(2~3)LLA1=(2~3)×0.123=0.246~0.369mH

选择工作电流170A,电感量为0.2mH的电抗器。

4.电抗器电感量的测定

(1)直流电抗器LDC电感量的测定

铁芯电抗器的电感量和它的工作状况有很大关系,而且是呈非线性的,所以应尽可能使电抗器处于实际工作条件下进行测量。图2所示是测量直流电抗器的电路,在电抗器上分别加上直流电流Id与交流电流Ij,用电容C=200μF隔开交直流电路,测出LDC两端的交流电压Uj与交流电流Ij,可由下式近似计算电感值L:

2-变频器专用电抗器设计计算与测定3263.png 

XL=Uj/Ij=ωL

L=XL/ω

(2)交流电抗器LAC电感量的测定

带铁芯的交流电抗器的电感量不宜用电桥测量,因为测电感电桥的电源频率一般是采用1000Hz,因此测电感电桥只可用于测量空心电抗器。

对于用硅钢片叠制而成的交流电抗器,电感量的测量可采用工频电源的交流电压、电流表法测量,如图3所示。通过电抗器的电流可以略小于额定值,为求准确可以用电桥测量电抗器线圈内阻rL,每相电感值可按下式计算:

2-变频器专用电抗器设计计算与测定3492.png 

式中:U为交流电压表的读数(V);I为交流电流表的读数(A);rL为电抗器每相线圈电阻(Ω)。

由于电抗器线圈内阻rL很小,在工程计算中常可忽略。

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