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電抗器在變頻器系統(tǒng)中的應(yīng)用 

摘要：介紹了交流進(jìn)線電抗器、直流電抗器和交流輸出電抗器在變頻器系統(tǒng)中的作用，并概述了交流電抗器的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法。 

關(guān)鍵詞：電抗器；變頻器；進(jìn)線電抗器

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(lái)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(kāi)關(guān)而產(chǎn)生的過(guò)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(lèi)電抗器的作用和容量選擇等問(wèn)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)電抗器，它能夠限制電網(wǎng)電壓突變和操作過(guò)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)的諧波電流的情況，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(lái)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(guò)電壓引起的電流沖擊，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(guò)開(kāi)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(lái)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?——交流輸入相電壓有效值（V）；

ΔUL——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(guò)大，壓降過(guò)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。有些廠家還提供有輸出電抗器與無(wú)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(mén)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ΔUL，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=ΔUL/In(Ω)(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ΔUL的關(guān)系，如式（4）所示：

式中：ΔUL——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)容量大小可按2～2.5A/mm2選?。?/span>

KA——窗口填充系數(shù)，約為0.4～0.5。

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(=ΔULIn)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2～5mm內(nèi),通過(guò)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=200μF隔開(kāi)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1000Hz，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(guò)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(Ω)。

由于電抗器線圈內(nèi)阻rL很小，在工程計(jì)算中?？珊雎?。

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(guò)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。

參考文獻(xiàn)

[1]天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所編著[M].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

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電抗器的限流和濾波作用 

電網(wǎng)容量的擴(kuò)大，使得系統(tǒng)短路容量的額定值迅速增大。如在500kV變電所的低壓35kV側(cè)， 最大的三相對(duì)稱短路電流有效值已經(jīng)接近50kA。為了限制輸電線路的短路電流，保護(hù)電力設(shè) 備，必須安裝電抗器，電抗器能夠減小短路電流和使短路瞬間系統(tǒng)的電壓保持不變。 

在電容器回路安裝阻尼電抗器(即串聯(lián)電抗器)，電容器回路投入時(shí)起抑制涌流的作用。同時(shí)與電容器組一起組成諧波回路，起各次諧波的濾波作用。如在500kV變電所35kV無(wú)功補(bǔ)償裝置的電容器回路中，為了限制投入電容器時(shí)的涌流和抑制電力系統(tǒng)的高次諧波，在35kV電容器回路中必須安裝阻尼電抗器，抑制3次諧波時(shí)，采用額定電壓35kV，額定電感量26.2mH，額定電流350A干式空心單相戶外型阻尼電抗器，它與2.52Mvar電容器對(duì)3次諧波形成諧振回路，即3次諧波濾波回路。

同樣，為了抑制5次及以上高次諧波，采用了額定電壓35kV，額定電感量9.2mH，額定電流382A單相戶外型阻尼電抗器，它與2.52Mvar電容器對(duì)5次及以上高次諧波形成諧振回路。起到了抑制高次諧波的作用，需要說(shuō)明的是，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電抗器》GB10229—88和IEC289—88國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中均對(duì)阻尼電抗器的使用和技術(shù)條件作了規(guī)定。但目前國(guó)內(nèi)有些部門(mén)將阻尼電抗器稱為串聯(lián)電抗器，嚴(yán)格來(lái)講是不合適的，因?yàn)樯鲜鰳?biāo)準(zhǔn)中均沒(méi)有串聯(lián)電抗器這個(gè)名稱。