淺談高頻電抗器(串聯電抗器)作用及其設計

    淺談高頻電抗器(串聯電抗器)作用及其設計
    本文主要介紹一種大功率高頻電抗器(串聯電抗器)，該大功率高頻電抗器(串聯電抗器)包括磁環組、繞組、接線端子和絕緣管；其中，磁環組的組數至少為一組，每一組都是由多個合金磁粉環并疊構成，繞組采用利茲線穿繞于磁環組，繞組通過接線端子和外部接線連接，繞組的兩個外接端均套有絕緣管。該大功率高頻電抗器工作頻率為10k～200kHz，工作電流可達1200A，冷卻方式可采用自然冷卻，使用壽命可達20年。

    一、什么是高頻電抗器(串聯電抗器)？
    高頻電抗器(串聯電抗器)是工作頻率超過中頻（10kHz）的電抗器，主要用于高頻開關電源中，在變速驅動中的整流輸入回路會產生電流紋波，影響變頻器的直流電容，以及在電網中產生諧波畸變。也有用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機中作高頻逆變電源的。

    二、高頻電抗器(串聯電抗器)作用
    高頻電抗器(串聯電抗器)(50/60 Hz) 可以濾平充電電流及減少諧波，兩者對于機械的可靠性和使用壽命都是重要因素。變頻器的調制輸出電壓會影響絕緣效果，在長電機引線的應用上會有問題。同時，高頻電抗器(串聯電抗器)能濾平輸出電流，降低絕緣層上的損傷，可以提供輸出頻率為50 Hz, 100 Hz and 200 Hz。

    三、高頻電抗器(串聯電抗器)的特點
    1、高頻電抗器(串聯電抗器)產品概述 
    高頻電抗器(串聯電抗器)充分利用VP系列磁粉芯固有的分布式氣隙電磁特性和可按需求調整電磁性能的特點，采用了兩只一體化成型的全封閉的罐式對封式設計，可滿足高頻電流通過的特殊導線線圈完全封閉在罐體內部，罐體既是封閉的磁路也自然成為產品的結構部件，產品僅需一個非導磁螺栓即可完成安裝。采用特殊的低容值線圈繞制技術以及具有自主知識的絕緣封裝工藝，保證了該產品具有大功率、低中高頻損耗、極低噪音和無漏磁的特點。

    2、高頻電抗器(串聯電抗器)產品特點
    高頻電抗器(串聯電抗器)產品具有低溫升、無電磁干擾、體積小、重量輕、安裝簡單等顯著優點。電氣自主開發的大功率金屬軟磁電抗器(串聯電抗器)特別適用于中高頻的電氣系統和要求低溫升、低噪音、結構緊湊的成套設備使用環境，可以在平波和濾波電路的大部分領域取代取向硅鋼片、非晶電抗器(串聯電抗器)和超微晶電抗器(串聯電抗器)的使用。由于罐式結構的特點，全部電抗器(串聯電抗器)均為單相設計，在不平衡的系統使用時具有獨特的優勢。

    四、大功率高頻電抗器(串聯電抗器)的設計
    1、計算高頻電抗器(串聯電抗器)的無功功率Pva=UlxI=FZl=2nfLI2，按功率的一半來選擇磁芯， 即1／2VAl= 幾IJ=2.22fB～JScSm／lO0。其中Sc(cm2)為磁芯截面積，Sm (cm )為磁芯窗口面積，f為工作頻率(Hz)，B～為負載磁感應強度(T)。根據電流密度(影響銅損)、磁通密度(影響鐵損)和溫升要求調節Sc與Sm間的比例。B～飽和磁感應強度通常選35OmT左右，即使無氣隙時磁芯也不會飽和。然后通過開氣隙來降低磁感應強度，提高溫度穩定性。

    2、線圈匝數的計算N=U-x10000／4.44fB～Sc，其中U~為負載電流下線圈兩端的壓降(v)。

    3、電感量的計算(忽略漏感) L(H)= O.4*3.14u~N2Sc／lc／10; U磁芯交流磁導率，1c磁芯平均磁路長度(cm)。 隨鐵芯材料、結構型式、磁感應強度B～及頻率f而變化。鐵氧體電阻率較高，其磁導率在允許工作頻率范圍內不隨頻率變化。通過測試不同磁性材料和型式的鐵芯在不同磁場強度和不同頻率下的電感量L，來計算磁芯的交流磁導率p~ Lxlcx 10 ／0．4nN2Sc．

    4、鐵芯中有氣隙時的電感計算L=0．4nN Sc／10 ／(1g+lc／ )1g為鐵芯磁路氣隙長度(cm)。可寫成L=0．4n~eN Sc／10 ／lce為鐵芯的有效磁導率 = (1+p．~lg／lc)相對氣隙長度l~lc<0．5％ 時，上式有足夠的計算精度。當lg／lc>1％ 時， 由于邊緣擴散現象，氣隙導磁面積Sg=(a+lg／2)(b+lg／2)氣隙有效長度為lg =lgxSc／Sg。當llc>3％ 時，屬大氣隙電感，氣隙磁阻決定鐵芯磁路的整個磁阻，電感量主要取決于氣隙長度。忽略漏感的電感L=0．4nN2Sc／IO ／lg’，則有效氣隙長度lgI_0．4xNzSc／108，通常lg／lc>1％ 時，就認為該高頻電抗器(串聯電抗器)具有線性伏安特性，即電感量基本不變(實際上電流增加時電感量是有所增加的，只是氣隙越大電感量變化越小)。大多高頻電抗器(串聯電抗器)均工作在此狀態。氣隙太大，損耗也大。核算開氣隙后的工作磁感應強度Brag=0．4xlN／Lg，也可變形為Bmg=IxLxSgx10000 ／Sc ／N， 在Lg／Lc較大時，計算較準確。由此可見在氣隙一定時Bmg。cNxI(正比)，而在I和L一定時Bmg一1／Sc2N (反比)。

    綜上所述，設計大功率高頻電抗器(串聯電抗器)時，可通過降低電流密度和增大線徑來降低銅損；可通過開氣隙可降低磁感應強度B～。磁芯盡可能選截面積sc大和平均磁路Lc短的磁芯，這樣在保證電感量L的情況下圈數N可以減少，相對氣隙長度Lg／Lc較大，即降低了線損又降低了磁芯損耗，提高了高頻電抗器(串聯電抗器)的線性度和溫度。

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