直流電抗器

直流電抗器，又稱平波電抗器，主要用於變流器的直流側，在通用變頻器上有較多的套用。電抗器中有流過的具有交流分量的直流電流。主要用途是將疊加在直流電流上的交流分量限定在某一規定值，保持整流電流連續，減小電流脈動值，改善輸入功率因數，並可以抑制變流裝置產生的諧波。

基本介紹

• 中文名：直流電抗器
• 外文名：DC reactor
• 別稱：平波電抗器
• 目的：是降低諧波干擾
• 作用：提高功率因數，削弱瞬間的衝擊
• 套用：變頻器、起重行業等

產品介紹

直流電抗器又稱為平波電抗器，使用直流電抗器的主要目的是降低諧波干擾。由於在達到同樣降低諧波水平時，採用直流電抗器比採用交流電抗器成本更低而損失的壓降也較小。故越來越多的變頻器通過內置直流電抗器，來實現日益受到重視的降低諧波的要求。

但在起重行業，由於不可省去交流電抗器，而交流電抗器的降諧波效果與直流電抗基本相同。同時使用交直流電抗器固然可以更好的降低諧波干擾，但也加大了電動機側的電壓損失（交直流電抗器上都存在1%～3%的壓降）。因此，筆者推薦以交流電抗器代替直流電抗器。

結構設計

直流平波電抗器用於整流電路輸出側的濾波電路，因為通有直流電流成分，鐵芯磁通工作在第一象限而出現偏磁。為了增大電感量，防止磁通飽和，直流平波電抗器都採用切開鐵芯，並加有空氣隙，使其磁滯回線橫向加長，這在道理上有點像單端反激變壓器的情況。這樣在通有同樣大小的電流時，B小，不易飽和。

切開鐵芯電抗器的結構設計，要考慮四個方面的因素：

1）流過電抗器的電流的直流成分I，也就是電感電流i_L的平均值，它決定了繞組導線的截面積，也決定了繞組的發熱。

2）交流電流成分的峰一峰值，用△I_pp表示，或簡寫成△I，它是由電感電流的連續性要求決定的。一般地，在不影響輸出電壓紋波的情況下，整流濾波電路輸出的最小負載電流I_Lmin的兩倍，就是所要求的濾波電感電流變化的峰一峰值。因而有：△I_pp = 2I_Lmin

3）濾波電路所需要的電感量L，是由交流電流成分的頻率和峰一峰值△I_pp決定的，它是在電抗器結構設計過程中的一個中間計算值，而不是需要預先考慮的首要因素。

4）功率損耗和溫升是在電抗器結構設計過程中需要預先考慮的因素。

設計直流平波電抗器的方法不只一種，這些方法是互相統一的。這裡介紹一種簡單、明了而又實用的工程設計方法，其步驟如下：

（1）計算貯能量

我們知道，如果電抗器的電感量為L，電流為I，則其貯存的能量為
W=1/2LI²

因為決定最高磁通密度B_m的是電抗器中的最大電流，所以公式中的I應按最大電流來算。若直流電流為I，交流電流峰-峰值為△I_pp。

（2）選擇鐵芯的材料

根據交流成分△I占I的比例、交流成分的頻率、逆變器對其輸出雜音的指標要求，就可以選擇電抗器鐵芯的材料。材料選定後，就可以確定最大磁通密度B_m和鐵芯截面有效係數K。注意，選擇B_m時，一般要求留有較大的餘量，這是因為保證在輸出短路半個逆變周期（即一個正常整流周期）後電抗器不飽和，以使保護電路動作，從而提高逆變電路的工作可靠性。

（3）選擇鐵芯的形狀，確定視窗利用係數K_c

根據所選定的鐵芯的材料、繞制工藝和安裝結構，選擇鐵芯的形狀，進而再根據電流等級選擇導體的類型，確定視窗利用係數K_c。

（4）選擇導體電流密度係數K_j和電流密度j

根據散熱條件、要求的銅耗、鐵芯的形狀和線包允許的溫升等，選擇合適的電流密度係數K_j（參考表4．2）和導體的電流密度j。

（5）計算導線的截面積，選擇導線

導線的截面積由下式計算：S=I/j；然後選擇導線的形狀和規格。

（6）計算繞線匝數

計算電抗器繞組的匝數，要考慮充分利用鐵芯的視窗面積，這樣可以儘量提高匝數，使B_m留有一定的餘量。 N=A·K_c/S

作用

直流電抗器串聯在換流站每一極上。電感大約0.4～1.0H。它的主要作用如下：

（1）防止逆變器換流失敗。

（2）降低直流線路里的電壓和電流諧波。

（3）降低紋波係數。

（4）限制線路短路時整流器中的電流。

但要注意：電感的取值必須保證工頻時直流電路不發生諧振。

直流電抗器可將功率因數提高到0.9以上。由於其體積較小，因此許多變頻器已將直流電抗器直接安裝在變頻器內。直流電抗器除了提高功率因數外，還可削弱電源剛接通瞬間的衝擊。如果同時配有交流電抗器和直流電抗器，則可將變頻調速系統的功率因數提高到0.95以上。

選擇方法

變頻器輸入與輸出保護電路中輸出側是否需要設定直流電抗器，應根據變頻器的工作環境來確定，當出現以下幾種情況時，應考慮選用直流電抗器。

1．有開關式無功補償電容器或帶有晶閘管相控負載

對於提供給變頻器工作電源的同一路電源節點上有開關式無功補償電容器屏，或帶有晶閘管相控負載的場合，應選用直流電抗器。這主要是由於電容器屏開關切換時導致的無功瞬間變化，會造成電網電壓的突變；而相控負載引起的諧波和電網波形缺口，有可能會對變頻器的輸入整流電路造成危害。

2．三相供電電源不平衡

在提供給變頻器三相供電電源的不平衡度超過3%的情況時，應選用直流電抗器。

3．有功率因數要求

如果對變頻器的輸入端功率因數有一定要求，需要將其提高到0.93以上時，應選用直流電抗器。

4．大容量變壓器

如果變頻器接入的是大容量的變壓器，而且變頻器的輸入電源迴路流過的電流有可能對變頻器的整流電路造成危害的情況下，應選用直流電抗器。

性能說明

1.該直流電抗器為單相鐵芯乾式結構；

平波電抗器

2.鐵芯採用優質低損耗冷軋矽鋼片，芯柱由多個氣隙分成均勻小段，氣隙採用環氧層壓玻璃布板作間隔，並塗以專用粘接劑，以保證電抗氣隙在運行過程中不發生變化且無噪音；

3.線圈採用F級或H級漆包銅扁線繞制，排列緊密且均勻，外表不包絕緣層，小容量線圈採用層式結構，大容量線圈採用餅式結構，具有較好的通風散熱效果；

4.直流電抗器的線圈和鐵芯組裝成一體後經過預烘——真空浸漆——熱烘固化這一工藝流程，採用H級浸漬漆，使Satons電抗器的線圈和鐵芯牢固地結合在一起，不但大大減小了運行時的噪音，而且具有極高的耐熱等級，可確保電抗器在高溫下亦能無噪音地安全運行；

5.直流電抗器芯柱部分緊固件採用無磁性材料，確保電抗器具有較低的溫升；

6.外露部分均採取了防腐蝕處理，引出端子採用鍍錫銅管端子或銅排。