深入探讨平波电抗器(直流电抗器)的设计计算

    深入探讨平波电抗器(直流电抗器)的设计计算
    摘 要：本文介绍了电抗器的设计特点，重点介绍了平波电抗器(直流电抗器)的设计方法和具体的计算和设计，以及平波电抗器(直流电抗器)电感量的测量方法。 

    关键词：电抗器设计；平波电抗器(直流电抗器)设计方法； 电感量测试； 

    引  言：电抗器是一种在强弱电技术常用的电器元件，依据适配对象可分为电容器用串联电抗器、变频器用进线电抗器(输入电抗器)、出线电抗器(输出电抗器)、直流电抗器(平波电抗器)及电机用限流电抗器、启动电抗器；从它的应用功能上可分为限流电抗器、滤波电抗器、平波电抗器、平衡电抗器等。根据它们的使用频率又可分为三相交流电抗器、直流电抗器(平波电抗器)、低频电抗器、高频电抗器，不同功能和使用条件不同的电抗器，其外型、结构、设计方法差异很大。本文重点介绍直流电抗器(平波电抗器)的设计方法。

    一 电抗器设计应用原理 
    电抗器的设计原理主要依据电磁基本理论，设计过程涉及到材料磁特性、磁导率、磁性材料的加工方法、电抗器的结构、磁路的长度、电抗器的工作频率、电流、波形特点、是否含有交流分量、这些都直接影响到电抗器的设计性能，因此大都采用工程近似计算法进行初步计算，然后将样品电抗器通电试验后根据其电性能再进行设计调整以获得最佳的电气性能。

     二  直流电抗器(平波电抗器)的基本设计方法 
    1 根据电抗器的工作频率选择磁性材料 
    通常直流电抗器(平波电抗器)选用硅钢片作为导磁材料，当直流电抗器(平波电抗器)工作过程需滤除高频成分且高频频率在10kHz以上100kHz以下也采用超微晶磁性材料或坡莫合金材料来完成。 

    2 根据电抗器的工作性质选择电抗器的结构 
    当电抗器作为限流用时，我们希望它的电抗能随着通过的电流增大而增大，因此在设计时应采用较长的磁路，以增加磁路损耗。由于直流电抗器(平波电抗器)工作时有直流分量通过时，应适当增加磁路的气隙。以免受铁芯磁化的影响。同时还要根据电抗器通过的电流合理选择导线的截面积，以降低损耗，合理选择窗口面积和铁芯结构形式。

    3直流电抗器(平波电抗器)设计计算 
    首先根据所要求的电感量L来计算出铁心尺寸；线圈圈数W；选定导线截面S并决定最合适的气隙，由于这些数据相互有影响，特别是可供选用的铁芯尺寸也可能有好几种，所以电抗器的设计往往需要反复几次。 

    3.1先算出 I²d/L的数值（单位为安/亨），再根据电流的大小选定通过线圈的电流密度
j(单位为A/mm²)，在图1中查出对应的铁芯重量公斤数，并求出大致的L/R值，即电抗器本身的时间常数T=L/R值。一个电抗器的尺寸大小与导线线径、圈数、甚至L的大小等均无直接关系，主要取决于容量的大小。 

    3.2确定铁芯的形状和尺寸。
    将铁芯设计为如图2所示的E字型或口字型形状，图中带箭头虚线表示计算磁路。铁芯其磁路平均长度l(cm)、铁芯截面积S（cm²）和铁芯的重量有如下关系：T =（ab –2cd）×f×7.8  式中：T为铁芯重量a；b；c；d ；e为铁芯各部尺寸（见图2）；f 为铁芯叠厚。

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

    E字型铁芯各部分尺寸的关系需满足：a = 2( e + c ) 
    口字型铁芯各部分尺寸的关系需满足：a = 2 e + c 

    3.3根据计算出的铁芯重量，和确定的铁形状尺寸和叠厚，就可以算出铁芯的磁路平均长度l(cm),铁芯截面积S（cm²）和铁芯窗口面积Q（cm²）。即：l = 2(d + e + c ) ；S = e×f ；Q = c×d；电抗器的铁芯尺寸确定后可以绕线圈的铁芯总截面也确定了，则电抗器固有时间常数也基本确定了。 

    3.4计算线圈的圈数： L=μW²S/l 上式中: L为电抗器的电感量（mH）；μ为导磁系数；W为线圈圈数；l为磁路长度(cm)。 对于通过直流电的电抗器必须留有一定的气隙，但气隙的大小影响着μ导磁系数，通常气隙取磁路长度的0.5–1%。如果电抗器中还有一定成分的交流电流通过，则交流分量也影响着μ值的选取。通常μ值取1.25/10³（mH/cm）。

    3.5根据电流的大小选定导线的截面积q： q = I/j  上式中：q 为导线截面积（mm²）；I 为电抗器额定电流（A）；j为选定的导线电流密度（A/mm²）。 

    3.6根据导线截面和线圈圈数验算铁芯窗口面积Q：  Q = qW/k  上式中：Q为铁芯窗口截面积；q为导线截面积；W为线圈圈数；k为填充系数，通常取0.4□0.6。

    三 直流电抗器(平波电抗器)的测量 
    电抗器加工完成后 ，可以按图3连接测算出电抗器的参数：图3中，Id为额定直流电流；U～为交流电压表读数；I～为交流电流表读数；L为被测电感。从下式可得被测电感量:L =U～/ωI～

    四  结束语 
    本文介绍了电抗器的种类和用途并重点介绍直流电抗器(平波电抗器)的设计和计算以及直流电抗器(平波电抗器)的电感量测试方法。由于影响电抗器设计的参数较多，设计完成后应反复验算几遍，以求获得最佳的设计效果。