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氣隙鐵芯電抗器電感計算原理

作者:威博特鐵芯   發(fā)布時(shí)間:2019-03-30 15:01:55 瀏覽次數:
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    干式鐵芯電抗器具有體積小、損耗低、漏磁小、 阻燃防爆等優(yōu)點(diǎn),其缺點(diǎn)是電感具有非線(xiàn)性,存在 磁滯飽和現象。 為改善電感的線(xiàn)性度,干式鐵電抗器一般采用帶氣隙鐵。
    在干式鐵
電抗器設計中,電感值的準確計算 是關(guān)鍵問(wèn)題之一。 目前,對鐵電抗器電感值的計 算一般采用傳統解析近似法。 該方法在求解帶氣隙鐵電抗器主電感值時(shí)基于簡(jiǎn)化的磁路,即假設氣 隙衍射磁通路徑為半圓形,該方法用于求解帶 氣隙鐵電抗器電感值時(shí)存在較大誤差,在產(chǎn)品生 產(chǎn)時(shí)需要對氣隙厚度進(jìn)行反復調整,才能達到滿(mǎn)意 的電感值。 為了更加準確地計算主電感可以采用磁 場(chǎng)計算法,該方法假定鐵由無(wú)窮多個(gè)圓柱形鐵餅—氣隙單元串聯(lián)組成,從而將電抗器磁場(chǎng)近 似為軸對稱(chēng)磁場(chǎng)問(wèn)題,然后采用分離變量法求解其磁場(chǎng)分布。 該方法在計算邊緣效應系數時(shí)涉及到修 正貝塞爾函數,計算過(guò)程比較復雜。 對于大氣隙鐵電抗器電感值的計算,文[17]從求解磁場(chǎng)方程出 發(fā),在計算中假設鐵是由無(wú)窮多個(gè)鐵餅—氣隙 單元串聯(lián)起來(lái)的, 對氣隙邊緣效應給予了系數矯 正。 相對地計算公式比較繁瑣,需要根據鐵直徑 與氣隙厚度查詢(xún)相應的氣隙邊緣效應修正系數。 文 [18-20] 采用修正系數來(lái)考慮氣隙磁導從而計算鐵 電抗器電感值的解析近似法, 由于修正系數可 變,需查表,因此,計算也較繁雜。 采用有限元法計 算鐵電抗器的電感值準確度更高[21-26],但計算所 需要的計算機內存大,計算時(shí)間也長(cháng),所以,一般僅 在電抗器設計的核算中多采用該方法。
    本文將基于鐵
電抗器 磁場(chǎng)的有限元數值計 算結果,對傳統解析近似法計算鐵氣隙衍射磁通等 效導磁面積公式進(jìn)行修正,提出一種改進(jìn)解析近似 法,然后,將提出的方法用于實(shí)例計算,并與數值仿 真結果比較,對方法的可行性和準確度進(jìn)行討論。

1、計算原理
    在計算帶氣隙
電抗器氣隙處等效衍射面 積時(shí), 傳統解析近似法認為主磁通流過(guò)氣隙時(shí),有 一部分磁通將從鐵外表面流出,繞過(guò)氣隙,流向鐵外表面,再進(jìn)入鐵中去。 這樣,主磁通磁路分 成 2 個(gè)并聯(lián)支路,主磁通則為沿垂直鐵餅截面方向 的流過(guò)氣隙的磁通和繞過(guò)氣隙的衍射磁通,前者磁 通分布是均勻的, 后者磁通路徑近似為半圓形,如 圖 1(a)所示的直徑從氣隙高度 δ 到氣隙與鐵餅總高 度(HB+δ)的圓環(huán)形通道。 有限元數值計算可以更準 確地計算鐵電抗器磁場(chǎng)分布,設鐵橫截面為圓 形,如圖 1(b)所示為鐵電抗器磁場(chǎng)分布仿真結果。

干式帶其氣隙鐵心電抗器磁場(chǎng)分布示意圖
    圖 1(a)中沒(méi)有考慮鐵餅到氣隙邊緣的半圓形 磁路磁通,從而采用該方法計算所得的總主磁通有所減小,總電感值也偏小。 從圖 1(b)中可以看出,氣隙 邊緣還有近似圓弧形的磁力線(xiàn)流過(guò)。 而傳統解析近 似法忽略了氣隙邊緣 R3~R4 的范圍內通過(guò)的磁通。
    帶氣隙干式鐵
電抗器 氣隙處沿徑 向的磁通 密度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖 2,相應的磁通密度值見(jiàn)表 1。 從 圖 2 中可以看出, 在鐵電抗器氣隙內上下鐵餅 間部磁通密度為恒定值,與 R1 處相等,磁通密度在 R2 處開(kāi)始下降, 在鐵外接圓半徑 R3 已經(jīng)有小幅 度下降,在 R3~R4 之間,鐵磁密降幅較大,但仍維 持較高的值。 R4~R5 處得磁通下降較快,其值較低,R5~R6 以及繞組所在空間 R6~R7 處磁通很少。
    帶氣隙鐵心電抗器氣隙處沿徑向磁通密度變化曲線(xiàn)
帶氣隙鐵心電抗器氣隙處沿徑向磁通密度
    在傳統解析近似法計算鐵電抗器主磁通時(shí), 考慮了 R1~R3 及 R4~R5 處的磁通, 而忽略了 R3~R4 及 R5~R7 之間的磁通。 R5~R7 之間的磁通密度相對 很小,可以忽略,而 R3~R4 之間的磁通密度較大,在計算鐵電抗器的主磁通時(shí),應給予考慮。
    假定取該范 圍磁通的磁 路長(cháng)度近似 為單氣隙 高度 δ 與以氣隙為直徑的半圓弧長(cháng)度 之和的平均 值,該段磁路在鐵
截面沿徑向寬度為 δ/2,則該范 圍氣隙衍射磁通的等效寬度可由式(1)求出
這樣,在傳統解析近似法計算氣隙等效衍射寬 度的基礎上,增加此衍射磁通的等效寬度,則總等 效氣隙衍射寬度為
式(3)中,aM、bM 分別為疊片總厚度及片寬度。

參考文獻
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