電抗器在變頻器系統(tǒng)中的應(yīng)用

電抗器在變頻器系統(tǒng)中的應(yīng)用

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電抗器的作用和容量選擇等問(wèn)題是十分必要的 。

二、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L_A1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L_DC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 ，L_DC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L_A2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。

三、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 ：

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 。

四、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：

L=△U_L/（2πfI_n）=0.04U_v?/（πfI_n）

式中：U_v交流輸入相電壓有效值（V） ；△U_L——電抗器額定電壓降（V） ；I_n——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 。

五、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)。

六、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=△U_L，再計(jì)算出電抗器的額定工作電流I_n以后，就可以計(jì) 算電抗器的感抗X_L。電抗器的感抗X_L由式（3）求得 ：

X_L=△U_L/I_n（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△U_L的關(guān)系，如式（4）所示 ：

式中：△U_L——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=I_nN /（jK_A）          （5）

式中：j——電流密度，根據(jù)容量大小可按2～2.5A/mm²選取 ；K_A——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：

S_A = UI/（4.44fBjKsK_A×10^－4）      （6）

由式(6)可知，根據(jù)電抗器的容量UI（=△U_LI_n）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，K_A=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 。

七、電抗器電感量的測(cè) 定

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I_d與交流電流I～ ，用電容C=200μF隔開(kāi)交直流電路，測(cè)出L_DC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。

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r_L，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)；r_L——電抗器每相線圈電阻(Ω )。

由于電抗器線圈內(nèi)阻r_L很小，在工程計(jì)算中常可忽略 。