大功率直流濾波電感設(shè)計與計算

傅璐璐，趙洪

（麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江麗水，323000）

0 引言

電感器作為電路的三大基本元件之一，在電路中有廣泛的應(yīng)用。小功率電感器工作時通過的主要是對稱交流電流，故常規(guī)的設(shè)計計算方法得出的電感一般都能滿足要求，其結(jié)果也比較準(zhǔn)確，但大功率脈動直流電感器流過主要是直流電疊加交流電形成的脈動直流電，設(shè)計計算往往誤差太大而無法應(yīng)用。

1 原因分析

大功率電力電子電路所需的直流濾波電感工作時，通過電感的主要是含一定交流成份的脈動直流電流，該電流中直流分量占據(jù)了主要地位。以全波整流的濾波電感為例，交流電通過全波整流后輸出的是100Hz的半個正弦波，如圖1所示,其函數(shù)表達(dá)式為：

圖1

根據(jù)傅里葉分析可知，脈動直流電可以分解為一個直流分量與若干個交流分量；

電感器工作時鐵芯中除由交流分量激發(fā)的交變磁通外，還有由直流分量產(chǎn)生的直流磁通，該磁通迫使鐵芯工作點發(fā)生偏移，常規(guī)方法設(shè)計計算結(jié)量往往誤差較大，無法滿足實際使用要求。

為什么會產(chǎn)生這樣的結(jié)果？

Ψ:磁鏈；i:通過電感的電流大小。

又 ∵ φ=BS ， B H

根據(jù)安培定律：IN=Hl

圖2

對于一個具體的電感器，上述式子里的N、S l均為固定值，唯有磁導(dǎo)率μ是變量，由于磁性材料的非線性，μ隨著材料的磁飽和度的變化而變化，如圖2所示。大功率直流電感器中通過的電流是脈動直流電，以上述全波整流為例，該電流存在一個大小為的直流分量，該直流分量通過電感在鐵芯中就會產(chǎn)生一個直流磁通使得鐵芯工作點由磁滯曲線中心O點偏移至Q點如圖3所示。由于Q點處于磁滯曲線靠近飽和區(qū)域，此時再疊加通過正弦交流電時，磁通的變化范圍大大減小如圖中u'0所示，呈現(xiàn)出的電感量也就大大降低。大功率電感中的直流分量相當(dāng)大，到一定程度時，鐵芯磁通產(chǎn)生較大的磁飽和，磁導(dǎo)率下降而引發(fā)電感量的大幅度下降，甚至電感量可能會降到零。

因此直流電感的設(shè)計要充分考慮到直流分量對工作點偏移，正確選擇鐵芯材料的磁導(dǎo)率才是設(shè)計成敗的關(guān)鍵因素。

2 脈動直流電感的設(shè)計流程

確定設(shè)計的原始參數(shù)，電感器設(shè)計任務(wù)書必須明確的最重要的幾個原始參數(shù)，分別是：

（1）電感額定工作電流IN；

（2）工作頻率fN；

（3）額定電感量LN；

（4）電流脈動幅值ΔI等。

圖3

■2.1 鐵芯材料選擇

額定工作頻率fN是鐵芯材料選擇的主要依據(jù)，鐵芯的損耗分為磁滯與渦流兩種，其中磁滯損耗往往大于渦流，且直接受工作頻率影響，故頻率決定了電感鐵芯的材料，當(dāng)fN<1000Hz低頻時盡量選擇硅鐵鋼片，磁通密度高、成本低、取材容易等優(yōu)點，在低頻場合是應(yīng)用最為廣泛的磁性材料。在體積要求較高的場合，可選擇導(dǎo)磁率更高的鈹莫合金，當(dāng)頻率超過10kHz以上才考慮選用鐵氧體，相關(guān)鐵氧體的材料有較大的選擇余地，可以查相關(guān)產(chǎn)品樣本，根據(jù)自身的條件決定。在選材時考慮頻率的同時也應(yīng)適當(dāng)兼顧材料的最大磁通密度、磁導(dǎo)率、熱損耗等因素。

■2.2 選擇電感工作點計算工作磁導(dǎo)率

根據(jù)選擇的鐵芯材料性質(zhì)，選擇電感器的工作點。該工作點要考慮到電感在通過電流達(dá)到最大值（Imax=IN+ΔI）時，鐵芯磁通的飽和程度，如硅鋼片一般選擇最大值在1.6T左右，鈹莫合金可選在2T以上，而鐵氧體要更低一些選在0.35T就可以了。由于磁性材料的非線性，故計算結(jié)果是非唯一性決定了一個好的設(shè)計需要通過反復(fù)計算。

選定材料及電感工作點后的重要工作就是要計算工作點附近的磁導(dǎo)率μ，根據(jù)磁導(dǎo)率的定義在磁滯曲線上直接讀出磁通的微變化率，如圖4所示，再根據(jù)磁導(dǎo)率定義直接計算得到：

μ是否正確是設(shè)計的關(guān)鍵。

有條件最好實驗室實際測量一下材料的磁導(dǎo)率，可以避免很多計算的不確定性，現(xiàn)在有很多能測量微變磁通磁導(dǎo)率的精密R、L、C測量儀，我們常用的是常州同惠TH2816B型RLC精密數(shù)字電橋。

圖4

■2.3 粗選鐵芯截面積與鐵芯尺寸

根據(jù)相關(guān)手冊選擇鐵芯的規(guī)格尺寸，計算鐵芯的截面積S與磁路長度l。由于通過電感的電流主要是直流分量，故初始計算可以直接用額定電流IN計算鐵芯的磁通量確定鐵芯截面積S。

■2.4 計算電感繞組匝數(shù)

根據(jù)公式：

得出電感線圈匝數(shù)：

相同的一個電感器，繞組匝數(shù)越多電感量越大，鐵芯截面積越大電感量也越大；匝數(shù)與鐵芯截面積兩者共同決定電感器電感量的大小，也共同決定了電感器的體積大小。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)電感器體積限制條件不斷調(diào)整上述兩個項，最終得出一個可以接受的適中方案。

■2.5 計算導(dǎo)線線徑

導(dǎo)線線徑大小需要考慮通過線圈的額定電流IN、工作溫升等因素，按下式計算：

SD:導(dǎo)線截面積；

D:導(dǎo)線直徑；

jD:導(dǎo)線單位截面積載流量，通常取3-5A/mm2；考慮集膚效應(yīng)jD取值隨導(dǎo)線截面積SD而適當(dāng)?shù)淖兓?SD<10mm2取jD=5A/mm2;SD=11-99mm2取jD=4A/mm2;SD>100mm2取jD=3A/mm2;鋁線則在上面的數(shù)值后除以2。

考慮工藝上的難度，當(dāng)SD>10mm2時可以采用多股絕緣線，以減少集膚效應(yīng)，采用多股絕緣線的時jD=5A/mm2。

■2.6 校核窗口面積

根據(jù)上述計算出線徑、匝數(shù)后，校核窗口面積Sc，校

核窗口容積率η：

S:鐵芯窗口面積。

制作工藝不同窗口容積率也不同，通常應(yīng)取70～80%之間，太高了增加繞制困難，太低了則材料利用率低。

■2.7 電感量

校核電感量完成設(shè)計。

3 結(jié)束語

電感元件設(shè)計很復(fù)雜，要直接得到唯一答案不可能，我們按此流程設(shè)計了10kW、20kW的直流微電網(wǎng)濾波電感，實踐表明計算過程非常簡單，所得計算結(jié)果也基本符合預(yù)期，大大降低了設(shè)計計算誤差。

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