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气隙铁芯电抗器电感计算原理

作者:威博特铁芯   发布时间:2018-09-19 11:41      浏览次数:
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    干式铁芯电抗器具有体积小、损耗低、漏磁小、 阻燃防爆等优点,其缺点是电感具有非线性,存在 磁滞饱和现象。 为改善电感的线性度,干式铁电抗器一般采用带气隙铁
    在干式铁
电抗器设计中,电感值的准确计算 是关键问题之一。 目前,对铁电抗器电感值的计 算一般采用传统解析近似法。 该方法在求解带气隙铁电抗器主电感值时基于简化的磁路,即假设气 隙衍射磁通路径为半圆形,该方法用于求解带 气隙铁电抗器电感值时存在较大误差,在产品生 产时需要对气隙厚度进行反复调整,才能达到满意 的电感值。 为了更加准确地计算主电感可以采用磁 场计算法,该方法假定铁由无穷多个圆柱形铁饼—气隙单元串联组成,从而将电抗器磁场近 似为轴对称磁场问题,然后采用分离变量法求解其磁场分布。 该方法在计算边缘效应系数时涉及到修 正贝塞尔函数,计算过程比较复杂。 对于大气隙铁电抗器电感值的计算,文[17]从求解磁场方程出 发,在计算中假设铁是由无穷多个铁饼—气隙 单元串联起来的, 对气隙边缘效应给予了系数矫 正。 相对地计算公式比较繁琐,需要根据铁直径 与气隙厚度查询相应的气隙边缘效应修正系数。 文 [18-20] 采用修正系数来考虑气隙磁导从而计算铁 电抗器电感值的解析近似法, 由于修正系数可 变,需查表,因此,计算也较繁杂。 采用有限元法计 算铁电抗器的电感值准确度更高[21-26],但计算所 需要的计算机内存大,计算时间也长,所以,一般仅 在电抗器设计的最后核算中多采用该方法。
    本文将基于铁
电抗器 磁场的有限元数值计 算结果,对传统解析近似法计算铁气隙衍射磁通等 效导磁面积公式进行修正,提出一种改进解析近似 法,然后,将提出的方法用于实例计算,并与数值仿 真结果比较,对方法的可行性和准确度进行讨论。

1、计算原理
    在计算带气隙
电抗器气隙处等效衍射面 积时, 传统解析近似法认为主磁通流过气隙时,有 一部分磁通将从铁外表面流出,绕过气隙,流向铁外表面,再进入铁中去。 这样,主磁通磁路分 成 2 个并联支路,主磁通则为沿垂直铁饼截面方向 的流过气隙的磁通和绕过气隙的衍射磁通,前者磁 通分布是均匀的, 后者磁通路径近似为半圆形,如 图 1(a)所示的直径从气隙高度 δ 到气隙与铁饼总高 度(HB+δ)的圆环形通道。 有限元数值计算可以更准 确地计算铁电抗器磁场分布,设铁横截面为圆 形,如图 1(b)所示为铁电抗器磁场分布仿真结果。
干式带其气隙铁心电抗器磁场分布示意图
    图 1(a)中没有考虑铁饼到气隙边缘的半圆形 磁路磁通,从而采用该方法计算所得的总主磁通有所减小,总电感值也偏小。 从图 1(b)中可以看出,气隙 边缘还有近似圆弧形的磁力线流过。 而传统解析近 似法忽略了气隙边缘 R3~R4 的范围内通过的磁通。
    带气隙干式铁
电抗器 气隙处沿径 向的磁通 密度变化曲线见图 2,相应的磁通密度值见表 1。 从 图 2 中可以看出, 在铁电抗器气隙内上下铁饼 间部磁通密度为恒定值,与 R1 处相等,磁通密度在 R2 处开始下降, 在铁外接圆半径 R3 已经有小幅 度下降,在 R3~R4 之间,铁磁密降幅较大,但仍维 持较高的值。 R4~R5 处得磁通下降较快,其值较低,R5~R6 以及绕组所在空间 R6~R7 处磁通很少。
    带气隙铁心电抗器气隙处沿径向磁通密度变化曲线
带气隙铁心电抗器气隙处沿径向磁通密度
    在传统解析近似法计算铁电抗器主磁通时, 考虑了 R1~R3 及 R4~R5 处的磁通, 而忽略了 R3~R4 及 R5~R7 之间的磁通。 R5~R7 之间的磁通密度相对 很小,可以忽略,而 R3~R4 之间的磁通密度较大,在计算铁电抗器的主磁通时,应给予考虑。
    假定取该范 围磁通的磁 路长度近似 为单气隙 高度 δ 与以气隙为直径的半圆弧长度 之和的平均 值,该段磁路在铁
截面沿径向宽度为 δ/2,则该范 围气隙衍射磁通的等效宽度可由式(1)求出
这样,在传统解析近似法计算气隙等效衍射宽 度的基础上,增加此衍射磁通的等效宽度,则总等 效气隙衍射宽度为
式(3)中,aM、bM 分别为叠片总厚度及最大片宽度。

参考文献
参考文献
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