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电气传动中滤波电抗器的设计
[发布时间]:2010年8月3日 [来源]:电子变压器资讯网 [点击率]:4865
【导读】: 滤波电抗器在整流电路中与负载串联,以滤去整流电压中的交流脉动成分,使流经负载的电流,接近于理想的直流,即使整流电源为多相供电,在电气传动中也经常采用滤波电抗器滤波,如用可控硅进行代替直流发电机供电...

      滤波电抗器在整流电路中与负载串联,以滤去整流电压中的交流脉动成分,使流经负载的电流,接近于理想的直流,即使整流电源为多相供电,在电气传动中也经常采用滤波电抗器滤波,如用可控硅进行代替直流发电机供电,有很多优点,但也出现了负载回路的电感量不够大时,电流发生断续引起移相角小,工作不稳定,并使外特性差了;另外,整流电流脉动成分大,引起换向恶化会使可控硅及整流二级管的电流容量也要降低,为了解决上述这些问题。必须整流电路中串入电抗器,下面进行滤波电抗器的电感量计算和结构设计。
一、电抗器的参数计算
1、使电流连续临界电感量
满足电流连续要求的最小电感量叫临界电感量,它与输出电压的波形(即整流线路形式)有关,也与负载电流大小有关。负载电流越小,临界电感量要越大。
临界电感量计算如下:
Lk=k     (H)       (1-1)
式中K——系数见表1
U2——变压器二次侧相电压
Idmin——最小负载电流
2、限制输出电流脉动的滤波电感量
要求输出电流绝对平直是不可能的,对于一般负载要求输出电流中最低频率的脉动电流分量,电流分量平均值Id1与输出电流的平均值Id之比(即电流脉动系数)限制在5%~10%之间。
Id1/Id=0.05~0.1               (1-2)
而脉动分量
Id1=
 由此可得滤波电感
所以
 由此可得滤波电感量
       (H)        (1-3)
式中fd——输出电流的最低谐波频率(HZ)
Ud1——在某个移相角时,输出电压的最大脉动电压幅值(最大谐波频率),(V)
Id——额定负载电流    (A)
fd及Ud由表查出
以上计算出来的电感量都是整流线路的总电感量,电路中变压器漏感LB及直流电动机电感LD都包括在里面,所以实际电路中串入的电抗器电感应为计算值减去LB和LD。
3、整流变压器漏感:
       (mH)        (1-4)
式中KB——系数见表
    Uk%——阻抗电压    (%)
电动机电抗电感
       (mH)        (1-5)
式中UD——电动机额定电压(V);
ID——电动机额定电流(A);
ND——电动机额定转速(转/分);
P——电动机极对数;
KD——系数,对于无补偿绕组电机KD =8~12;快速无补偿绕组电机KD =6~8;有补偿电机KD =5~6。
4、滤波电抗器的参数计算
在不可逆线路中只要设计一只平波电抗器(又称滤波电抗器),它的电感的选取使整流线路电感值在额定电流时不小于Lk2,在最小负载电流时不小于Lk1。一般总是Lk1>Lk2,这样电抗器的电感随负载电流增大而减小,这叫摆动电抗器;如是Lk1与Lk2值相差不大,要求滤波电抗的电感不随负载变化,叫线性电抗器。
滤波电抗器计算系数表1
电流线路 K fd Ud1/U2  KB
单相半波 2.71 50 0.707  2.65
单相全波 1.63 100 0.78  3.18
单相半控桥 1.63 100 0.78  3.18
单相全控桥 2.85 100 1.2  3.18
三相半波有换流管 1.01 150 0.677  6.75
三相半波无换流管 1.46 150 0.87  6.75
三相半控 1.01 150 0.677  3.9
三相全控 0.407 300 0.46  3.9
双Y 0.407 300 0.46  7.8
二、滤波电抗器结构计算
1、铁心电抗器的磁路内应留有一定的气隙,如果铁心的磁路中没有气隙,电抗器流过的直流成分磁感应强度很大使铁心饱和呈现的电感量非常小。加入空气隙后,使磁感应强度减小些,但负载电流大时,电感量再减少不多了,因此电抗器的设计,以铁心尺寸、空气隙、匝数为中心。
2、滤波电抗器其给定参数为:整流电路、额定整流电压Ud(V);额定直流电流Id(A);电抗器电感量L(H)。
(1)计算等值容量(先等值到50HZ交流励磁电抗器的容量再等值到双线圈变压器的容量)
       (KVAR)      (2-1)
                (KVA)       (2-2)
有些传动系统中,滤波电抗器额定直流电流(长期工作直流电流)并不大,但却要求最大直流电流Idmax下铁心不得饱和,此时其等值容量
       (KVAR)      (2-3)
(2)铁心尺寸的确定
根据计算出来等值容量,参考变压器手册选用适合的铁心。或按下式计算铁心有效截面Sc或直径D:
           (cm2)      (2-4)
           (cm)      (2-5)
铁心为单相双柱式结构每柱容量
                 (KVA)
(3)空气隙和绕组匝数的确定
铁心电抗器具有空气隙时,电感量用以下公式表示:
        (H)       (2-6)
式中N——绕组匝数             (匝)
    lb——铁心磁路中空气隙    (cm)
    lc——铁心磁路长          (cm)
     ——相对有效导磁率
如果铁心中有很大空气隙时,lb项比 项大很多,以上公式可简化为
        (H)       (2-7)
直流磁感应强度:
        (T)       (2-8)
绕组匝数可按下式计算
                        (2-9)
式中K4值按表2选取
整流线路 单相全波、桥式 三相半波 三相桥式、带平衡电抗器、六相半波
K4 1.05~1.1 1.15~1.2 1.2~1.25
初算预设BDC值时,当电抗器为干式(空气自冷)时其值可参照表3
整流线路 单相全波、桥式 三相半波 带平衡电抗器、六相半波、三相桥式
BDC 0.67~0.73 1.07~1.15 1.25~1.35
对于线性电抗器的设计取BDC值要小些,对于摆动电抗器的设计,取BDC值可略大, 的数值可以从铁心手册中查出,由公式2-9求出N值,代入式2-7求出lb,再由N、lb最小负载电流时的BDC值对应的 值代入公式2-6或公式2-7,验算最小负载电流时电感量能否符合临界电感要求,如果满足不了要求,可把BDC值再取得大些,或者把额定负载时电感量取得再大些。
(4)导线的确定
按容许通过电流计算
扁导线截面积:         (A/mm2)       (2-10)
圆导线直径:     (mm)          (2-11)
式中j允许电流密度(A/mm2),一般取j=2-2.5
按绕组允许内阻计算:
圆导线直径:     (mm)      (2-12)
式中r75℃——绕组允许的电阻          (Ω)
    lm——每匝平均长度              (cm)
(5)铁心窗口核算   (从略)
3、校核磁感应强度
(1)交流磁感应强度
       (T)      (3-1)
式中EAC——磁感应电势,EAC=K5Ud
    K5——纹波因数
整流电路 纹波因数
单相全波、单相桥式 0.48
三相半波 0.18
三相桥、带平衡电抗器、六相半波 0.042
(2)直流磁感应强度
       (T)      (3-2)
式中K2=Sg/Sc
在实际铁心气隙的边缘磁力线向外凸出。气隙越大,边缘磁通的扩散作用也越大。可在铁心截面积Sc引入一个修正系数。形矩铁心可按下式计算气隙处磁通的衍射面积Sg。
Sg=(a+K3Lb)(b+K3Lb)cm2                       (3-3)
其中K3的修正系数,
 但气隙较小时(在 ≤0.2时边缘磁通的影响可忽略不计,可应用最简单的式(2-8))计算。
(3)总磁感应强度
BC=BAC+BDC      (T)
三、设计举例:
已知:三相整式整流电路
      额定整流电压650V
      额定整流电流214A
      电抗器的电感0.24mH
(1)计算等值容量,先按式(2-1)式(2-2)计算
 
 
(2)铁心尺寸的确定
可参考变压器手册选用CD32×64×100铁心
(3)绕组匝数的确定按式(2-9)计算
       (t)
(4)电抗器气隙总长按式(2-8)
     (cm)
(5)电抗器的电感量按式(2-7)
    (mH)
微调气隙即可使电感量达到0.24mH。
(6)线圈与铁心窗口的核算(从略)

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