干式带气隙方铁心电抗器设计

干式带气隙方铁心电抗器设计

孙磊

蚌埠市双环电感股份有限公司 233000

摘要：本文介绍了一款新能源电抗器的设计方法与步骤；对铁心结构进行优化，以减小气隙处的衍射磁通，来改善因衍射磁通引起的铁心和线圈中的涡流损耗。提出交流电抗器电感的测试方法并进行试验，验证设计的可行性。

关键词 铁心电抗器；电感；气隙；铁心结构；测试方法、

引言：干式铁心电抗器具有体积小、损耗低、漏磁小、阻燃防爆、免维护等优点，在变流系统中得到广泛的应用。由于铁心存在磁滞饱和现象而导致电感非线性。为了改善电感的线性度，干式铁心电抗器一般采用带气隙铁心。与阶梯式圆形铁心相比，方铁心电抗器占用空间小，铁轭长度短，有利于实现产品小型化和轻量化。因此干式带气隙方铁心电抗器得到广泛的关注。

正文：

铁心电抗器的主电感主要取决于铁心磁路中气隙的大小，因此气隙量的计算变得十分重要。实际设计时气隙量计算有比较通用的公式，但一般资料中都没有给出详细的推导过程，即使推导时也简单地认为磁势全部降落在气隙上，缺乏理论依据。当主磁通流经铁心中的气隙时，在气隙处会发生磁通的衍射现象，影响电感的精确计算，因此气隙处衍射磁通的等效导磁面积的计算成为此类电抗器研究的重点。

本文基于磁路定律对气隙量计算公式进行推导。将解析近似法、经验公式法用于气隙衍射磁通导磁面积的实例计算，将计算得到的电感值与产品试验值进行比较，以考证计算公式的准确度。此外就衍射磁通会引起铁心和线圈的涡流损耗问题提出铁心结构设计，以减小铁心和线圈的涡流损耗。

气隙量的计算

在实际设计中关于气隙量的计算比较通用的公式为

（1）

其中，l_g­­——气隙总长度

A_c­­——铁心柱有效截面积

N——线圈匝数

L——电感值

但一般资料中都没有给出详细的推导过程，即使推导时也简单地认为磁势全部降落在气隙上，缺乏理论依据。下面我们从磁路的欧姆定律出发进行推导。为了简便起见，在推导过程中所涉及到的各物理量的单位，除了特殊说明外，均采用国际单位制中的基本单位。

根据磁路定律带气隙铁心柱的磁阻可用（2）式表示。

（2）

R_m——总磁阻

l_­c——铁饼总高度

μ_0­­——真空磁导率

μ_­­——硅钢片相对磁导率

A——铁心截面积

由于硅钢片的毛刺和表面绝缘漆的影响，铁心柱有效截面积小于铁心截面积。一般用铁心截面积乘以叠片系数K来表示铁心柱有效截面积。K的取值通常为0.95~0.97。铁心有限截面积如（3）式所示。

（3）

（4）

l——铁心柱长度

将式（3）（4）带入（2）式中得

（5）

K近视为1，硅钢片的磁导率μ为几千到几万，μ／K－1近视等于μ，故（5）式可简化为(6)式。

(6)

其中总磁阻也可用式（7）表示

（7）

μ_c——等效相对磁导率

将式（6）（7）对比可得式（8）

（8）

由式（8）变形可得式（9）

（9）

开气隙前磁导率的公式如（10）所示。

（10）

把（10）式代入（9）式可得（11）式

（11）

硅钢片的磁导率一般为几千到几万，故l/μ一般为零点几毫米或更小，故可忽略不计。这正是我们把铁心材料磁阻忽略掉的原因。在气隙长度的单位用mm，A的单位用cm²，电感L的单位用mH的条件下式（11）可写成式（1）的形式。

气隙衍射面积计算

铁心电抗器线圈中通交流电时磁心产生两部分磁通，垂直穿过气隙的磁通和衍射磁通。主磁通通过气隙时，由于气隙的磁阻较大，故有部分磁通绕过气隙，即磁通从铁心柱外表面流出，绕过气隙，再进入铁心柱中。 解析近视法认为气隙厚度为δ，铁饼高度为H的心柱气隙处等效衍射宽度ε可表示为式（12）的形式。

（12）

则对于方铁心等效衍射面积可用（13）表示

（13）

实际设计中，根据经验公式法将横截面的长度和宽度各叠加一个气隙长度δ，对于尺寸为a×b的矩形横截面来说，横截面积A变为Aˊ，其中气隙长度δ为定值。

（14）

边缘磁通磁阻R_f和无边缘磁通的衍气隙磁阻R_g并联，等效气隙磁阻减小。考虑气边缘效应的等效磁路。

衍射磁通导致气隙磁阻减小，整体电感增加为

（15）

以某LKSG-1100A-0.1mH三相光伏干式铁心电抗器为例，采用解析近似法、经验公式法来计算衍射面积并与试验值比较，考证两种计算方法的准确度。

电抗器设计值：

a×b=75×180mm，A_C=130.95cm²，N=12匝，l_g=25mm

表1给出不考虑衍射面积的电感计算值、考虑衍射面积采用解析近似法计算的电感值、采用经验法计算的电感值及试验值。表中电感值的单位均为毫亨。电感测试是在ZPM-T型综合试验台上进行，能同时记录瞬间电压和电流值，精度良好。

表1 不同情况下的电感值

总结：

从表中数据可以看出不考虑衍射时电感计算值比实际值小很多；由经验公式法计算的电感值比解析近视法计算的值更接近于实测值，说明在一定范围内经验公式法比解析近视法在计算电感值时有更高的准确度。

参考文献：

[1] 《电子变压器手册》 辽宁科技出版社 1999 年

[2] 《电子变压器手册》 电子工业出版社

[3] 《开关电源中磁性元器件》 赵修科主编