铁心电抗器的设计探讨

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1、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

2、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=0.4л·N²·Sc·10-8/(lg+lc/μr)(1)式中N------线圈匝数Sc------铁心有效截面积(cm²)lg------气隙长度(cm)lc------铁心磁路长度(cm)μr------铁心相对磁导率式（1）可改写成-6-L=0.4π·μe·N²·Sc·10-8/lc(2)式中μe------

3、铁心的有效磁导率对比式（1）和式（2）得μe=μr/（1+μr·lg/lc）(3)式中lg/lc------气隙长度和铁心磁路长度的比值μr------铁心相对导磁率μr=μ/μo=B/H/μo（4）式中μ------铁心导磁率,可利用磁化曲线求得。μo------真空导磁率，其值为4πx10-7(H/m)。表1：某牌号硅钢片的磁化曲线、μ值、μr值Bm（T）0.80.850.90.951.01.051.1Hm（A/m）135138150158165173185μ(H/m)0.005930.006160.0060.006010.

4、006060.006070.00595μr4718490447774787482548234734Bm（T）1.151.21.251.31.351.41.45Hm（A/m）200227247280318382489μ(H/m)0.005750.005290.005060.004640.004250.003660.00297μr4578420840293696338029182361Bm（T）1.51.551.61.651.71.751.8683123020003454500066678300-6-Hm（A/m）μ(H/m)0.0

5、0220.001260.00080.000480.000340.00260.0022μr17491003636.9380.3270.7209.0172.7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μe变化。铁心有效磁导率μe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μe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μe值的计算结果。表2中，选取磁通密度为0.8T时的μe值为比较基准，磁通密度各种取值时的

6、μe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

7、为0.0366，电感变化比较大。-6-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

8、.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