電抗器的精細設計對變流器性能的影響

黃啟釗，王 婷，劉 斐

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引 言

在一般的電抗器選型中，設計者往往只提供額定電流、額定電壓和電感值等參數。在濾波電抗器選型中，設計者無法提供準確的諧波數據情況下，只會提供大致的諧波數據或要求電抗器廠家根據經驗設計電抗器。這樣設計的電抗器既無法實現精準的抑制諧波功能，也無法準確體現真實損耗和發熱量，直接降低了變流器的電性能和散熱性能。

因此，將從精準的諧波數據和冷卻方式兩個方面，對電抗器進行精細設計來提高電抗器的諧波抑制功能和變流器的散熱性能。對濾波電抗器進行優化，其中涉及到損耗問題和成本問題等，只有在電抗器設計中充分考慮諧波、冷卻方式等因素，才能準確評估電抗器的損耗值，從而提高變流器的各項性能。

1 電抗器損耗的分布

電抗器的損耗主要由繞組損耗與磁路損耗構成。電抗器的鐵心材料一般為鐵磁材料。

1.1 繞組損耗

在正常工作情況下，電抗器的交流電流和直流電流都會通過電抗器繞組。如果直接采用直流電阻公式計算電抗器繞組的電阻值，并將其帶入功率公式P=I2R確定繞組損耗值，將會產生一定的誤差。產生誤差的原因在于，利用直流電阻公式確定導線繞組的電阻值的前提是電抗器繞組內的電流變化率等于零，即繞組截面上的電流是均勻分布的。但是，當變化的電流通過電抗器繞組時，其電流變化率不為零。在電抗器繞組中，交變電流產生變化的磁場，變化的磁場產生感應電動勢，感應電動勢可以在閉合回路中形成感應電流。感應電流與電流的方向反相，從而與電流相抵消。繞組中心處的感應電流最大，引起不均勻的繞組截面電流密度。電抗器繞組表面的電流密度最大，中心電流密度卻較小，這就是趨膚效應[1]。趨膚效應會使通過繞組的電流有效橫截面積減小，引起實際的電阻值變大。因此，明確交流電阻的影響因素，才能得到正確的繞組損耗。通過計算不同級次諧波情況下的交流電阻和各次諧波電流的有效值，以計算每次諧波和基波下的繞組損耗。濾波電抗器的總繞組損耗為基波損耗和各次諧波損耗累加的和。可見，每次諧波的繞組電阻值和電流有效值，將直接影響電抗器損耗的評估。

1.2 鐵芯損耗

關于磁路損耗，Jordan于1924年提出。磁滯損耗與渦流損耗的和為磁路損耗，該觀點極大地推動了磁路損耗的研究。在磁路損耗的模型研究上，Bettori提出將其分為磁滯損耗、渦流損耗及雜散損耗[2]，但其并不適用于工程應用。C.P.Steinmetz提出的Steinmetzequation，為正弦激勵下的鐵芯損耗計算公式[3]。文獻[4]提出，在非正弦激勵下，通過傅里葉分解激勵損耗疊加的方法，可以粗略計算鐵心損耗。

2 兩種主要的電抗器精細設計考慮

2.1 諧波數據的深入對比

下面通過對兩款LCL型電抗器諧波數據的對比，說明同一產品的網側和閥側諧波數據存在極大的差異，以及不同產品網側與閥側諧波數據同樣存在巨大差異，如圖1所示。

圖1為A產品LCL型濾波的網側諧波與閥側諧波的數據對比。為了直觀比較網側與閥側諧波數據的差異，圖1中未對比基波的幅值，其中網側基波電流的幅值為1 098.47 A，閥側為1 098.45 A。圖1表明，在20次諧波以內，網側的諧波幅值大于閥側的諧波幅值。在20～40次附近，閥側諧波幅值與網側諧波幅值的比值將呈指數增長。由上面的繞組損耗分析可知，繞組交流電阻與諧波頻率也是指數增長關系。因此，26～55次附近的諧波幅值比較小，但其損耗值卻不能忽視。

圖1 A產品LCL型電抗器網側諧波與閥側諧波的對比

圖2 為B產品LCL型濾波的網側諧波與閥側諧波的數據對比。圖2中未對比基波的幅值，其中網側基波電流的幅值為1 406 A，閥側為1 406 A。諧波數據中缺少26～55次的數據，使得評估的電抗器損耗值偏小，從而增加變流器的散熱分析難度。圖2表明，諧波頻率越高，閥側諧波幅值與網側諧波幅值的比值越大。

圖2 B產品LCL型電抗器網側諧波與閥側諧波的對比

因此，在提供諧波數據用于評估電抗器的損耗時，需要完整和準確的諧波數據。將諧波數據的分布特點進行直觀對比顯示，在對電抗器進行設計時，需準確計算與評估損耗，從而得到最優的電抗器損耗值和體積。

2.2 冷卻方式對電抗器設計的影響

科學合理地選擇和確定電抗器的冷卻方式，不僅有利于減少設計浪費，降低物料成本，還能有效提高變流裝置的功率密度。通過電抗器的精細化設計，可實現電抗器的選型與變流器設計的匹配。

3 設計案例對比分析

通過對比分析，濾波電抗器變流器側的電感L1=0.09 mH，網側的電感L2=0.045 mH；流過濾波電抗器L1的基波電流幅值為Im1=1 098.45 A，f=50 Hz，58次諧波電流幅值為Imh58=116.7 A，f=2.9 kHz，62次諧波電流幅值為Imh62=108.47 A，f=3.1 kHz。電抗器的鐵芯材料為30Q120材質的硅鋼片。

圖3為精準的諧波數據與冷卻方式對電抗器體積、重量和價格影響的對比。斜線框為電抗器經驗諧波數據和自然冷卻情況下的電抗器的體積、重量和價格；黑色為匹配諧波數據和風冷（風速1.5 m/s）情況下的電抗器的體積、重量和價格。可以發現，匹配的諧波數據和冷卻方式，可以將體積減小35%，重量減輕42%，價格降低45%。

圖3 不同諧波數據和冷卻方式對電抗器體積、重量和價格影響的對比

4 結 論

電抗器的設計過程中，匹配的諧波數據和冷卻方式將直接降低電抗器的體積、重量和價格，從而提升變流器的電性能與散熱性能，降低變流器成本，提高產品的市場競爭力。