电抗器的精细设计对变流器性能的影响

2018-10-15黄启钊

通信电源技术 2018年8期

黄启钊，王婷，刘斐

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

在一般的电抗器选型中，设计者往往只提供额定电流、额定电压和电感值等参数。在滤波电抗器选型中，设计者无法提供准确的谐波数据情况下，只会提供大致的谐波数据或要求电抗器厂家根据经验设计电抗器。这样设计的电抗器既无法实现精准的抑制谐波功能，也无法准确体现真实损耗和发热量，直接降低了变流器的电性能和散热性能。

因此，将从精准的谐波数据和冷却方式两个方面，对电抗器进行精细设计来提高电抗器的谐波抑制功能和变流器的散热性能。对滤波电抗器进行优化，其中涉及到损耗问题和成本问题等，只有在电抗器设计中充分考虑谐波、冷却方式等因素，才能准确评估电抗器的损耗值，从而提高变流器的各项性能。

1 电抗器损耗的分布

电抗器的损耗主要由绕组损耗与磁路损耗构成。电抗器的铁心材料一般为铁磁材料。

1.1 绕组损耗

在正常工作情况下，电抗器的交流电流和直流电流都会通过电抗器绕组。如果直接采用直流电阻公式计算电抗器绕组的电阻值，并将其带入功率公式P=I2R确定绕组损耗值，将会产生一定的误差。产生误差的原因在于，利用直流电阻公式确定导线绕组的电阻值的前提是电抗器绕组内的电流变化率等于零，即绕组截面上的电流是均匀分布的。但是，当变化的电流通过电抗器绕组时，其电流变化率不为零。在电抗器绕组中，交变电流产生变化的磁场，变化的磁场产生感应电动势，感应电动势可以在闭合回路中形成感应电流。感应电流与电流的方向反相，从而与电流相抵消。绕组中心处的感应电流最大，引起不均匀的绕组截面电流密度。电抗器绕组表面的电流密度最大，中心电流密度却较小，这就是趋肤效应[1]。趋肤效应会使通过绕组的电流有效横截面积减小，引起实际的电阻值变大。因此，明确交流电阻的影响因素，才能得到正确的绕组损耗。通过计算不同级次谐波情况下的交流电阻和各次谐波电流的有效值，以计算每次谐波和基波下的绕组损耗。滤波电抗器的总绕组损耗为基波损耗和各次谐波损耗累加的和。可见，每次谐波的绕组电阻值和电流有效值，将直接影响电抗器损耗的评估。

1.2 铁芯损耗

关于磁路损耗，Jordan于1924年提出。磁滞损耗与涡流损耗的和为磁路损耗，该观点极大地推动了磁路损耗的研究。在磁路损耗的模型研究上，Bettori提出将其分为磁滞损耗、涡流损耗及杂散损耗[2]，但其并不适用于工程应用。C.P.Steinmetz提出的Steinmetzequation，为正弦激励下的铁芯损耗计算公式[3]。文献[4]提出，在非正弦激励下，通过傅里叶分解激励损耗叠加的方法，可以粗略计算铁心损耗。

2 两种主要的电抗器精细设计考虑

2.1 谐波数据的深入对比

下面通过对两款LCL型电抗器谐波数据的对比，说明同一产品的网侧和阀侧谐波数据存在极大的差异，以及不同产品网侧与阀侧谐波数据同样存在巨大差异，如图1所示。

图1为A产品LCL型滤波的网侧谐波与阀侧谐波的数据对比。为了直观比较网侧与阀侧谐波数据的差异，图1中未对比基波的幅值，其中网侧基波电流的幅值为1 098.47 A，阀侧为1 098.45 A。图1表明，在20次谐波以内，网侧的谐波幅值大于阀侧的谐波幅值。在20～40次附近，阀侧谐波幅值与网侧谐波幅值的比值将呈指数增长。由上面的绕组损耗分析可知，绕组交流电阻与谐波频率也是指数增长关系。因此，26～55次附近的谐波幅值比较小，但其损耗值却不能忽视。

图1 A产品LCL型电抗器网侧谐波与阀侧谐波的对比

图2 为B产品LCL型滤波的网侧谐波与阀侧谐波的数据对比。图2中未对比基波的幅值，其中网侧基波电流的幅值为1 406 A，阀侧为1 406 A。谐波数据中缺少26～55次的数据，使得评估的电抗器损耗值偏小，从而增加变流器的散热分析难度。图2表明，谐波频率越高，阀侧谐波幅值与网侧谐波幅值的比值越大。

图2 B产品LCL型电抗器网侧谐波与阀侧谐波的对比

因此，在提供谐波数据用于评估电抗器的损耗时，需要完整和准确的谐波数据。将谐波数据的分布特点进行直观对比显示，在对电抗器进行设计时，需准确计算与评估损耗，从而得到最优的电抗器损耗值和体积。

2.2 冷却方式对电抗器设计的影响

科学合理地选择和确定电抗器的冷却方式，不仅有利于减少设计浪费，降低物料成本，还能有效提高变流装置的功率密度。通过电抗器的精细化设计，可实现电抗器的选型与变流器设计的匹配。

3 设计案例对比分析

通过对比分析，滤波电抗器变流器侧的电感L1=0.09 mH，网侧的电感L2=0.045 mH；流过滤波电抗器L1的基波电流幅值为Im1=1 098.45 A，f=50 Hz，58次谐波电流幅值为Imh58=116.7 A，f=2.9 kHz，62次谐波电流幅值为Imh62=108.47 A，f=3.1 kHz。电抗器的铁芯材料为30Q120材质的硅钢片。

图3为精准的谐波数据与冷却方式对电抗器体积、重量和价格影响的对比。斜线框为电抗器经验谐波数据和自然冷却情况下的电抗器的体积、重量和价格；黑色为匹配谐波数据和风冷（风速1.5 m/s）情况下的电抗器的体积、重量和价格。可以发现，匹配的谐波数据和冷却方式，可以将体积减小35%，重量减轻42%，价格降低45%。