浅谈高频电抗器(串联电抗器)作用及其设计

    浅谈高频电抗器(串联电抗器)作用及其设计
    本文主要介绍一种大功率高频电抗器(串联电抗器)，该大功率高频电抗器(串联电抗器)包括磁环组、绕组、接线端子和绝缘管；其中，磁环组的组数至少为一组，每一组都是由多个合金磁粉环并叠构成，绕组采用利兹线穿绕于磁环组，绕组通过接线端子和外部接线连接，绕组的两个外接端均套有绝缘管。该大功率高频电抗器工作频率为10k～200kHz，工作电流可达1200A，冷却方式可采用自然冷却，使用寿命可达20年。

    一、什么是高频电抗器(串联电抗器)？
    高频电抗器(串联电抗器)是工作频率超过中频（10kHz）的电抗器，主要用于高频开关电源中，在变速驱动中的整流输入回路会产生电流纹波，影响变频器的直流电容，以及在电网中产生谐波畸变。也有用于高频逆变电源和高频逆变焊机中作高频逆变电源的。

    二、高频电抗器(串联电抗器)作用
    高频电抗器(串联电抗器)(50/60 Hz) 可以滤平充电电流及减少谐波，两者对于机械的可靠性和使用寿命都是重要因素。变频器的调制输出电压会影响绝缘效果，在长电机引线的应用上会有问题。同时，高频电抗器(串联电抗器)能滤平输出电流，降低绝缘层上的损伤，可以提供输出频率为50 Hz, 100 Hz and 200 Hz。

    三、高频电抗器(串联电抗器)的特点
    1、高频电抗器(串联电抗器)产品概述 
    高频电抗器(串联电抗器)充分利用VP系列磁粉芯固有的分布式气隙电磁特性和可按需求调整电磁性能的特点，采用了两只一体化成型的全封闭的罐式对封式设计，可满足高频电流通过的特殊导线线圈完全封闭在罐体内部，罐体既是封闭的磁路也自然成为产品的结构部件，产品仅需一个非导磁螺栓即可完成安装。采用特殊的低容值线圈绕制技术以及具有自主知识的绝缘封装工艺，保证了该产品具有大功率、低中高频损耗、极低噪音和无漏磁的特点。

    2、高频电抗器(串联电抗器)产品特点
    高频电抗器(串联电抗器)产品具有低温升、无电磁干扰、体积小、重量轻、安装简单等显著优点。电气自主开发的大功率金属软磁电抗器(串联电抗器)特别适用于中高频的电气系统和要求低温升、低噪音、结构紧凑的成套设备使用环境，可以在平波和滤波电路的大部分领域取代取向硅钢片、非晶电抗器(串联电抗器)和超微晶电抗器(串联电抗器)的使用。由于罐式结构的特点，全部电抗器(串联电抗器)均为单相设计，在不平衡的系统使用时具有独特的优势。

    四、大功率高频电抗器(串联电抗器)的设计
    1、计算高频电抗器(串联电抗器)的无功功率Pva=UlxI=FZl=2nfLI2，按功率的一半来选择磁芯， 即1／2VAl= 几IJ=2.22fB～JScSm／lO0。其中Sc(cm2)为磁芯截面积，Sm (cm )为磁芯窗口面积，f为工作频率(Hz)，B～为负载磁感应强度(T)。根据电流密度(影响铜损)、磁通密度(影响铁损)和温升要求调节Sc与Sm间的比例。B～饱和磁感应强度通常选35OmT左右，即使无气隙时磁芯也不会饱和。然后通过开气隙来降低磁感应强度，提高温度稳定性。

    2、线圈匝数的计算N=U-x10000／4.44fB～Sc，其中U~为负载电流下线圈两端的压降(v)。

    3、电感量的计算(忽略漏感) L(H)= O.4*3.14u~N2Sc／lc／10; U磁芯交流磁导率，1c磁芯平均磁路长度(cm)。 随铁芯材料、结构型式、磁感应强度B～及频率f而变化。铁氧体电阻率较高，其磁导率在允许工作频率范围内不随频率变化。通过测试不同磁性材料和型式的铁芯在不同磁场强度和不同频率下的电感量L，来计算磁芯的交流磁导率p~ Lxlcx 10 ／0．4nN2Sc．

    4、铁芯中有气隙时的电感计算L=0．4nN Sc／10 ／(1g+lc／ )1g为铁芯磁路气隙长度(cm)。可写成L=0．4n~eN Sc／10 ／lce为铁芯的有效磁导率 = (1+p．~lg／lc)相对气隙长度l~lc<0．5％ 时，上式有足够的计算精度。当lg／lc>1％ 时， 由于边缘扩散现象，气隙导磁面积Sg=(a+lg／2)(b+lg／2)气隙有效长度为lg =lgxSc／Sg。当llc>3％ 时，属大气隙电感，气隙磁阻决定铁芯磁路的整个磁阻，电感量主要取决于气隙长度。忽略漏感的电感L=0．4nN2Sc／IO ／lg’，则有效气隙长度lgI_0．4xNzSc／108，通常lg／lc>1％ 时，就认为该高频电抗器(串联电抗器)具有线性伏安特性，即电感量基本不变(实际上电流增加时电感量是有所增加的，只是气隙越大电感量变化越小)。大多高频电抗器(串联电抗器)均工作在此状态。气隙太大，损耗也大。核算开气隙后的工作磁感应强度Brag=0．4xlN／Lg，也可变形为Bmg=IxLxSgx10000 ／Sc ／N， 在Lg／Lc较大时，计算较准确。由此可见在气隙一定时Bmg。cNxI(正比)，而在I和L一定时Bmg一1／Sc2N (反比)。

    综上所述，设计大功率高频电抗器(串联电抗器)时，可通过降低电流密度和增大线径来降低铜损；可通过开气隙可降低磁感应强度B～。磁芯尽可能选截面积sc大和平均磁路Lc短的磁芯，这样在保证电感量L的情况下圈数N可以减少，相对气隙长度Lg／Lc较大，即降低了线损又降低了磁芯损耗，提高了高频电抗器(串联电抗器)的线性度和温度。

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