變頻器交流電抗器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

1、變頻器交流電抗器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)計(jì)算方法工程技術(shù)1引言隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,從20世紀(jì)90年代以來交流變頻調(diào)速已成為電氣傳動(dòng)的主流,其應(yīng)用范圍日益廣泛。但是由于變頻器被使用在各種不同的電氣環(huán)境,若不采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施,就會(huì)影響變頻器運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)踐證明,適當(dāng)選配電抗器與變頻器配套使用,可以有效地防止因操作交流進(jìn)線開關(guān)而產(chǎn)生的過電壓和浪涌電流對(duì)它的沖擊,同時(shí)亦可以減少變頻器產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的污染,并可提高變頻器的功率因數(shù)。因此探討與變頻器配套用的各類電抗器的作用和容量選擇等問題是十分必要的。2變頻器系統(tǒng)配套用的三種電抗器與變頻器配套用的電抗器有3種:1進(jìn)線電抗器LA1又稱電源協(xié)調(diào)電抗

2、器,它能夠限制電網(wǎng)電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊,有效地保護(hù)變頻器和改善其功率因數(shù)。接入與未接入進(jìn)線電抗器時(shí),變頻器輸入電網(wǎng)諧波電流的情況, 示于圖1。從圖1可以看出接入電抗器后能有效地抑制諧波電波。2直流電抗器LDC直流電抗器接在變頻系統(tǒng)的直流整流環(huán)節(jié)與逆變環(huán)節(jié)之間,LDC能使逆變環(huán)節(jié)運(yùn)行更穩(wěn)定,及改善變頻器的功率因數(shù)。3輸出電抗器LA2接在變頻器輸出端與負(fù)載(電機(jī)之間,起到抑制變頻器噪聲的作用。三種電抗器在變頻器中的連接如圖2所示。3需要安裝進(jìn)線電抗器的場(chǎng)合進(jìn)線電抗器既能阻止來自電網(wǎng)的干擾,又能減少整流單元產(chǎn)生的諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染,當(dāng)電源容量很大時(shí),更要防止各種過電壓引起的電流沖擊,

3、因?yàn)樗鼈儗?duì)變頻器內(nèi)整流二極管和濾波電容器都是有害的。因此接入進(jìn)線電抗器,對(duì)改善變頻器的運(yùn)行狀況是有好處的。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),在下列場(chǎng)合一定要安裝進(jìn)線電抗器,才能保證變頻器可靠的運(yùn)行。1電源容量為600kVA及以上,且變頻器安裝位置離大容量電源在10m以內(nèi),如圖3所示:2三相電源電壓不平衡率大于3%,電源電壓不平衡率K按式(1計(jì)算:3其它晶閘管變流器與變頻器共用同一進(jìn)線電源,或進(jìn)線電源端接有通過開關(guān)切換以調(diào)整功率因數(shù)的電容器裝置。4進(jìn)線電抗器容量的選擇進(jìn)線電抗器的容量可按預(yù)期在電抗器每相繞組上的壓降來決定。一般選擇壓降為網(wǎng)側(cè)相電壓的2%4%,也可按表1的數(shù)據(jù)選取。電感量L的計(jì)算公式如式(2所示:UV

4、 交流輸入相電壓有效值(V;UL電抗器額定電壓降(V;In電抗器額定電流(A;f電網(wǎng)頻率(Hz。進(jìn)線電抗器壓降不宜取得過大,壓降過大會(huì)影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩。一般情況下選取進(jìn)線電壓的4%(8. 8V已足夠,在較大容量的變頻器中如75kW以上可選用10V壓降。5直流電抗器和輸出電抗器的作用在有直流環(huán)節(jié)的變頻系統(tǒng)中,在整流器后接入直流電抗器可以有效地改善功率因數(shù),配合得當(dāng)可以將功率因數(shù)提高到0.95,另外,直流電抗器能使逆變器運(yùn)行穩(wěn)定,并能限制短路電流,所以很多廠家生產(chǎn)的55kW以上的變頻器都隨機(jī)供應(yīng)直流電抗器。輸出電抗器的主要作用是補(bǔ)償長(zhǎng)線分布電容的影響,并能抑制變頻器輸出的諧波,起到減小變頻器噪聲的作用

5、。有些廠家還提供有輸出電抗器與無輸出電抗器時(shí),連接電機(jī)的導(dǎo)線允許的最大長(zhǎng)度,表2是西門子公司提供的數(shù)據(jù)。6三相交流進(jìn)線電抗器的設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)選定了電抗器的額定電壓降UL,再計(jì)算出電抗器的額定工作電流In以后,就可以計(jì)算電抗器的感抗XL。電抗器的感抗XL由式(3求得:XL=UL/In(3有了以上數(shù)據(jù)便可以對(duì)電抗器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電抗器鐵芯截面積S與電抗器壓降UL的關(guān)系,如式(4所示:式中:UL單位V;f電源頻率(Hz;B磁通密度(T;N電抗器的線圈圈數(shù);Ks鐵芯迭片系數(shù)取Ks=0.93。電抗器鐵芯窗口面積A與電流In及線圈圈數(shù)N的關(guān)系如式(5所示:A=InN/(jKA(5式中:j電流密度,根據(jù)容量大小

6、可按22.5A/mm2選取;KA窗口填充系數(shù),約為0.40.5。鐵芯截面積與窗口面積的乘積關(guān)系如式(6所示:SA=UI/(4.44fBjKsKA×10-4(6由式(6可知,根據(jù)電抗器的容量UI(=ULIn值,選用適當(dāng)?shù)蔫F芯使截面積SA的積能符合式(6的關(guān)系。假設(shè)選用B=0.6T,j=200A/cm2,Ks=0.93,KA=0.45,設(shè)A=1.5S,則電抗器鐵芯截面與容量的關(guān)系為:為了使進(jìn)線電抗器有較好的線性度,在鐵芯中應(yīng)有適當(dāng)?shù)臍庀?。調(diào)整氣隙,可以改變電感量。氣隙大小可先選定在25mm內(nèi),通過實(shí)測(cè)電感值進(jìn)行調(diào)整。7電抗器電感量的測(cè)定7.1直流電抗器LDC電感量的測(cè)定鐵芯電抗器的電感量

7、和它的工作狀況有很大關(guān)系,而且是呈非線性的,所以應(yīng)盡可能使電抗器處于實(shí)際工作條件下進(jìn)行測(cè)量。圖4所示是測(cè)量直流電抗器的電路。在電抗器上分別加上直流電流Id與交流電流I,用電容C=200F隔開交直流電路,測(cè)出LDC兩端的交流電壓U與交流電流I,可由式(9、式(10式近似計(jì)算電感值L。7.2交流電抗器電感量的測(cè)定帶鐵芯的交流電抗器的電感量不宜用電橋測(cè)量,因?yàn)闇y(cè)電感電橋的電源頻率一般是采用1000 Hz,因此測(cè)電感電橋只可用于測(cè)量空心電抗器。對(duì)于用硅鋼片疊制而成的交流電抗器,電感量的測(cè)量可用工頻電源的交流電壓表電流表法測(cè)量,如圖5所示。通過電抗器的電流可以略小于額定值,為求準(zhǔn)確可以用電橋測(cè)量電抗器線

8、圈內(nèi)阻rL,每相電感值可按式(11計(jì)算:式中:U交流電壓表的讀數(shù)(V;I交流電流表的讀數(shù)(A;rL電抗器每相線圈電阻(。由于電抗器線圈內(nèi)阻rL很小,在工程計(jì)算中常可忽略。8結(jié)語(yǔ)與變頻器配套的的三種電抗器對(duì)變頻器系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行有相當(dāng)大的作用,其中以進(jìn)線電抗器作用最大,它能有效地保護(hù)整流逆變系統(tǒng)免遭過電壓和浪涌電流的沖擊,并能提高變頻系統(tǒng)的功率因數(shù),國(guó)產(chǎn)電抗器質(zhì)量良好,造價(jià)低廉,值得推廣應(yīng)用。電力系統(tǒng)中所采取的電抗器常見的有串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電抗器。串聯(lián)電抗器主要用來限制短路電流,也有在濾波器中與電容器串聯(lián)或并聯(lián)用來限制電網(wǎng)中的高次諧波。220kV、110kV、35kV、10kV電網(wǎng)中的電抗器

9、是用來吸收電纜線路的充電容性無功的?？梢酝ㄟ^調(diào)整并聯(lián)電抗器的數(shù)量來調(diào)整運(yùn)行電壓。超高壓并聯(lián)電抗器有改善電力系統(tǒng)無功功率有關(guān)運(yùn)行狀況的多種功能,主要包括:(1輕空載或輕負(fù)荷線路上的電容效應(yīng),以降低工頻暫態(tài)過電壓。(2改善長(zhǎng)輸電線路上的電壓分布。(3使輕負(fù)荷時(shí)線路中的無功功率盡可能就地平衡,防止無功功率不合理流動(dòng)同時(shí)也減輕了線路上的功率損失。(4在大機(jī)組與系統(tǒng)并列時(shí)降低高壓母線上工頻穩(wěn)態(tài)電壓,便于發(fā)電機(jī)同期并列。(5防止發(fā)電機(jī)帶長(zhǎng)線路可能出現(xiàn)的自勵(lì)磁諧振現(xiàn)象。(6當(dāng)采用電抗器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地裝置時(shí),還可用小電抗器補(bǔ)償線路相間及相地電容,以加速潛供電流自動(dòng)熄滅,便于采用。電抗器的接線分串聯(lián)和并聯(lián)兩

10、種方式。串聯(lián)電抗器通常起限流作用,并聯(lián)電抗器經(jīng)常用于無功補(bǔ)償。在直流輸電系統(tǒng)的直流電抗器:直流電抗器作用是將疊加在直流電流上的交流分量限定在某一規(guī)定值。濾波電抗器,又稱直流平波電抗器,用于變流器的直流側(cè),電抗器中流過的是具有交流分量的直流電流。它的作用是將疊加在直流電流上的交流分量限定在某一規(guī)定值。還用于并聯(lián)變流器的直流側(cè)對(duì)耦,降低斷續(xù)極限,限制環(huán)流線路中的環(huán)流,以為應(yīng)用直流快速開關(guān)切斷故障電流時(shí)限制電流上升率還被用在電流,電壓型變頻器中間回路的直流平波,這可用于整流電源平波,以消除紋波。減小電流脈動(dòng)值,改善輸入功率因數(shù)。直流電本身并不存在電抗器。所謂“直流電抗器”,是指帶有直流成份的交流電,如整流器后邊接的LC濾波電路。由于直流部分很容易使鐵芯電感產(chǎn)生磁飽和,使電感失去感抗,所以鐵芯的磁回路中,都要開空氣隙,以增大磁阻,避免磁飽和的發(fā)生。交流電抗器在純交流電流下工作,沒有直流成份。顧名思義:交流電抗器用于交流回路當(dāng)中,一般有三相和單相之分,直流電抗器用于直流系統(tǒng)回路中,只能是單相交流電抗器的作用:降低主電源諧波、浪涌和峰值電流;提高低頻傳導(dǎo)抗干擾性;保護(hù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電力電子元件;提高功率因;防止主電源的電壓尖脈沖引起的跳閘直