電抗器在變頻器系統(tǒng)中的應(yīng)用 

摘要：介紹了交流進線電抗器、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)計和試驗方法。 

關(guān)鍵詞：電抗器；變頻器；進線電抗器

1引言

    隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，從20世紀90年代以來交流變頻調(diào)速已成為電氣傳動的主流，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?shù)谋Ｗo措施，就會影響變頻器運行的穩(wěn)定性和可靠性。實踐證明，適當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線開關(guān)而產(chǎn)生的過電壓和浪涌電流對它的沖擊，同時亦可以減少變頻器產(chǎn)生的諧波對電網(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)電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊，有效地保護變頻器和改善其功率因數(shù)。接入與未接入進線電抗器時，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載（電機）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需要安裝進線電抗器的場合

    進線電抗器既能阻止來自電網(wǎng)的干擾，又能減少整流單元產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)的污染，當電源容量很大時，更要防止各種過電壓引起的電流沖擊，因為它們對變頻器內(nèi)整流二極管和濾波電容器都是有害的。因此接入進線電抗器，對改善變頻器的運行狀況是有好處的。根據(jù)運行經(jīng)驗，在下列場合一定要安裝進線電抗器，才能保證變頻器可靠的運行。

     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）計算：    

     3）其它晶閘管變流器與變頻器共用同一進線電源，或進線電源端接有通過開關(guān)切換以調(diào)整功率因數(shù)的電容器裝置。

4進線電抗器容量的選擇

進線電抗器的容量可按預期在電抗器每相繞組上的壓降來決定。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）。

進線電抗器壓降不宜取得過大，壓降過大會影響電機轉(zhuǎn)矩。一般情況下選取進線電壓的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供應(yīng)直流電抗器。

輸出電抗器的主要作用是補償長線分布電容的影響，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輸出電抗器時，連接電機的導線允許的最大長度，表2是西門子公司提供的數(shù)據(jù)。

6三相交流進線電抗器的設(shè)計計算

當選定了電抗器的額定電壓降ΔUL，再計算出電抗器的額定工作電流In以后，就可以計算電抗器的感抗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)便可以對電抗器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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選取；

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?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：

為了使進線電抗器有較好的線性度，在鐵芯中應(yīng)有適當?shù)臍庀丁Ｕ{(diào)整氣隙，可以改變電感量。氣隙大小可先選定在2～5mm內(nèi),通過實測電感值進行調(diào)整。

7電抗器電感量的測定

7．1直流電抗器LDC電感量的測定

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際工作條件下進行測量。圖4所示是測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隔開交直流電路，測出LDC兩端的交流電壓U～與交流電流I～，可由式（9）、式（10）式近似計算電感值L。

7．2交流電抗器電感量的測定

帶鐵芯的交流電抗器的電感量不宜用電橋測量，因為測電感電橋的電源頻率一般是采用1000Hz，因此測電感電橋只可用于測量空心電抗器。

對于用硅鋼片疊制而成的交流電抗器，電感量的測量可用工頻電源的交流電壓表——電流表法測量，如圖5所示。通過電抗器的電流可以略小于額定值，為求準確可以用電橋測量電抗器線圈內(nèi)阻rL，每相電感值可按式（11）計算：

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，在工程計算中常可忽略。

8結(jié)語

與變頻器配套的的三種電抗器對變頻器系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行有相當大的作用，其中以進線電抗器作用最大，它能有效地保護整流逆變系統(tǒng)免遭過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)，國產(chǎn)電抗器質(zhì)量良好，造價低廉，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻

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電抗器的限流和濾波作用 

電網(wǎng)容量的擴大，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)，電容器回路投入時起抑制涌流的作用。同時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無功補償裝置的電容器回路中，為了限制投入電容器時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，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，需要說明的是，在國家標準《電抗器》GB10229—88和IEC289—88國際標準中均對阻尼電抗器的使用和技術(shù)條件作了規(guī)定。但目前國內(nèi)有些部門將阻尼電抗器稱為串聯(lián)電抗器，嚴格來講是不合適的，因為上述標準中均沒有串聯(lián)電抗器這個名稱。