CN115600329B - 一种低压铁芯线绕电抗器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低压铁芯线绕电抗器的设计方法，基于基本参数和预设条件下，进行绕线匝数的计算设计和分配；以及根据线绕的尺寸要求，得到线圈温升及1.35In下温升值，从而得到电抗器的具体成型尺寸，若电抗器的尺寸及温升满足于设计需求，则设计结束，否则返回预设条件，重新迭代设计。本发明计算更为简单，将复杂的电磁场计算转化，并对其中一些参数进行优化设计，使得计算设计数据和电抗器成型后的测试数据精准度一致。
Description
技术领域
本发明属于电抗器技术领域，具体涉及一种低压铁芯线绕电抗器的设计方法。
背景技术
电抗器在电力系统中的应用非常广泛，主要有：(1)电力系统由于无功补偿需求，和电容器串联进行补偿；(2)变频器输入输出电抗器，需要串联电抗器；(3)大量非线性负荷的使用，导致系统的谐波污染越来越严重，处于改善电能质量的需要，大量无源电力滤波器投入使用，相应地需要配套的滤波电抗器。
电抗器的电气参数包括电抗器的电抗、额定容量和额定电流等，在这些参数中，对电抗器的设计、制造影响最大的是铁芯设计、线圈匝数的选择，以及温升的确定。设计计算时需要反复对各层进行计算和分配，计算工作量较大，因此，在铁芯电抗器设计方面，主要问题是寻求计算准确度高且计算速度较快的计算方法，其中，计算准确度是第一位的。传统设计方法存在计算准确度差，装置测试数据和设计时参数数据相差较大的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种低压铁芯线绕电抗器的设计方法，提供了低压(1000V及以下)基于等磁密的铁芯线绕电抗器的设计方法，适应滤波电抗器、串联电抗器、输入输出电抗器等多场景下的应用。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种低压铁芯线绕电抗器的设计方法，基于基本参数和预设条件下，进行绕线匝数的计算设计和分配；以及根据线绕的尺寸要求，得到线圈温升及1.35In下温升值，从而得到电抗器的具体成型尺寸，若电抗器的尺寸及温升满足于设计需求，则设计结束，否则返回预设条件，重新迭代设计。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的方法包括具体步骤如下：
步骤1：计算基本电气参数，包括电压、电流、电感值；
步骤2：根据基本电气参数、现场要求以及需要达到的不饱和电流倍数，预设骨架尺寸，材质、中心距和不饱和电流倍数；
步骤3：设计计算在当前结构下需要绕制的绕线匝数；
步骤4：根据步骤3设计计算结果分配匝数和绕线尺寸分配，若分配结果符合骨架、高度及间距要求，则分配结果合格，实现层数和每层匝数的设计以及绕线尺寸确定，进入步骤5，否则返回步骤2；
步骤5：计算线圈温升及1.35In下温升值，若线圈温升及1.35In下温升值满足现场要求，则进入步骤6，否则返回步骤2；
步骤6：计算电抗器的成型尺寸，若满足现场要求，则设计计算结束，否则返回步骤2。
上述的电抗器铁芯采用EI系列硅钢片。
上述的步骤3具体步骤如下：
步骤31：计算出铁芯截面S截面、平均磁路长度L平均磁路长度；
S截面＝l片宽*l叠厚*γ叠片系数
L平均磁路长度＝(l片宽+l中心距+l铁芯窗高)*2
S截面为铁芯截面(mm2)；
l片宽为硅钢片的片宽(mm)；
l叠厚为硅钢片叠片厚度(mm)；
γ叠片系数为硅钢片叠片系数；
L平均磁路长度为电抗器的平均磁路长度(mm)；
l中心距为电抗器相邻骨架中心距离(mm)；
l铁芯窗高为电抗器每相中铁芯窗高(mm)；
步骤32：计算磁路需要的气隙l气隙；
l气隙为磁路气隙(mm)；
L电感为设计的电抗器的电感值(mH)；
a为不饱和电流倍数；
B为磁通密度(Gs)；
步骤33：计算磁导率μ和电感因子a；
μ＝B*L平均磁路长度/(B*l气隙+L平均磁路长度)
a＝12.5*μ/S截面/L平均磁路长度
μ为磁导率；
a为电感因子；
步骤34：计算在当前结构下需要绕制的绕线匝数n；
n为每个骨架上的绕线匝数。
上述的步骤5具体步骤如下：
步骤51：计算单柱线损和散热面；
W1.35倍单柱线损＝1.352*W单柱线损
S单柱散热面＝l线圈外周长*l线圈电抗高度
W单柱线损为三相电抗器额定电流下单柱的线损(W)；
γ线损系数为线损系数；
In为额定电流(A)；
R单柱电阻为三相电抗器单柱的电阻(Ω)；
W1.35倍单柱线损为三相电抗器1.35倍额定电流下单柱的线损(W)；S单柱散热面为单柱上的散热面积(m2)；
l线圈外周长为电抗器单柱的线圈外周长(m)；
l线圈电抗高度为电抗器单柱的线圈电抗高度(m)；
步骤52：计算线圈温升T温升和1.35额定电流下温升T1.35倍温升：
T温升为电抗器线圈在额定电流下的温升(K)；
T1.35倍温升为电抗器线圈在1.35倍额定电流下的温升(K)。
上述的步骤6所述电抗器的成型尺寸的设计计算公式为：
Llength＝l铁轭长度+m*(l线圈辐向厚度+l骨架壁厚+ε)
Lwidth＝l叠厚+2*l夹件+ε
Lheight＝l窗高+2*l片宽+ε。
Llength为电抗器的长度(mm)；
Lwidth为电抗器的宽度(mm)；
Lheight为电抗器的高度(mm)；
l铁轭长度为电抗器单柱铁轭长度(mm)；
l线圈辐向厚度为电抗器每相上线圈的辐向厚度(mm)；
l骨架壁厚为骨架的壁厚(mm)；
ε为尺寸裕度(mm)；
l夹件为固定电抗器的夹件的宽度(mm)；
l窗高为硅钢片宽度(mm)。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于基本参数和预设条件下，进行绕线匝数的计算设计和分配；以及根据线绕的尺寸要求，得到线圈温升及1.35In下温升值，从而得到电抗器的具体成型尺寸，若电抗器的尺寸及温升满足于设计需求，则设计结束，否则返回预设条件，重新迭代设计。本发明中将铁芯电抗器中复杂的电磁场计算优化设计，在满足电感量的数值，同时满足线圈匝数、线圈温升和铁芯截面积的限制条件，并获得较小的电抗器体积，可应用在滤波电抗器、串联电抗器、输入输出电抗器等多场景下。
与现有技术相比较，本发明计算更为简单，将复杂的电磁场计算转化，并对其中一些参数进行优化设计，使得计算设计数据和电抗器成型后的测试数据精准度一致。
附图说明
图1是铁芯线绕电抗器设计流程示意图。
图2是铁芯线绕电抗器绕线匝数模块设计流程示意图。
图3是铁芯线绕电抗器线圈温升设计流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本实施例铁芯电抗器基于EI硅钢片，结构包括骨架、硅钢片、铁轭、铜线、夹件等。
本实例提供了一种低压铁芯绕线电抗器的计算设计方法，具体包括以下步骤：
步骤1：如图1所示，首先对铁芯电抗器设计计算相关的基础技术问题进行全面分析，计算出基本电气参数，包括电压、电流、电感值等；
步骤2：根据基本电气参数，以及现场尺寸要求，需要达到的不饱和电流倍数等，根据经验，初步选择骨架尺寸，材质、中心距等结构尺寸；
步骤3-步骤4：计算需要的绕线匝数，并进行层数和每层匝数的设计，选定导线尺寸；检查所述电抗器设计尺寸是否符合骨架、高度及间距要求，若不满足需求，则返回预设重新选择；若满足需求，则进一步计算设计。
步骤5：计算线圈温升及1.35In下线圈温升值；检查所述电抗器设计温升是否符合标准及现场要求，若不满足需求，则返回预设重新选择；若满足需求，则进一步计算设计。
步骤6：计算电抗器的成型尺寸；
检查所述电抗器成型尺寸是否符合现场要求，若不满足需求，则返回预设重新选择；若满足需求，则计算设计结束。
进一步的，步骤3对于电抗器绕线匝数的计算，如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤31：计算出铁芯截面S截面、平均磁路长度L平均磁路长度；
S截面＝l片宽*l叠厚*γ叠片系数
L平均磁路长度＝(l片宽+l中心距+l铁芯窗高)*2
S截面为铁芯截面(mm2)；
l片宽为硅钢片的片宽(mm)；
l叠厚为硅钢片叠片厚度(mm)；
γ叠片系数为硅钢片叠片系数；
L平均磁路长度为电抗器的平均磁路长度(mm)；
l中心距为电抗器相邻骨架中心距离(mm)；
l铁芯窗高为电抗器每相中铁芯窗高(mm)；
步骤32：计算磁路需要的气隙l气隙；
l气隙为磁路气隙(mm)；
L电感为设计的电抗器的电感值(mH)；
a为不饱和电流倍数；
B为磁通密度(Gs)；
步骤33：计算磁导率μ和电感因子a；
μ＝B*L平均磁路长度/(B*l气隙+L平均磁路长度)
a＝12.5*μ*S截面/L平均磁路长度
μ为磁导率；
a为电感因子；
步骤34：计算在当前结构下需要绕制的绕线匝数n；
n为每个骨架上的绕线匝数。
进一步的，步骤5对于线圈温升及1.35In下温升值的计算，如图3所示，具体包括以下步骤：
步骤51：计算单柱线损和散热面；
W1.35倍单柱线损＝1.352*W单柱线损
S单柱散热面＝l线圈外周长*l线圈电抗高度
W单柱线损为三相电抗器额定电流下单柱的线损(W)；
γ线损系数为线损系数；
In为额定电流(A)；
R单柱电阻为三相电抗器单柱的电阻(Ω)；
W1.35倍单柱线损为三相电抗器1.35倍额定电流下单柱的线损(W)；
S单柱散热面为单柱上的散热面积(m2)；
l线圈外周长为电抗器单柱的线圈外周长(m)；
l线圈电抗高度为电抗器单柱的线圈电抗高度(m)；
步骤52：计算线圈温升T温升和1.35额定电流下温升T1.35倍温升：
T温升为电抗器线圈在额定电流下的温升(K)；
T1.35倍温升为电抗器线圈在1.35倍额定电流下的温升(K)。
步骤6所述电抗器的成型尺寸的设计计算公式为：
Llength＝l铁轭长度+m*(l线圈辐向厚度+l骨架壁厚+ε)
Lwidth＝l叠厚+2*l夹件+ε
Lheight＝l窗高+2/l片宽+ε
Llength为电抗器的长度(mm)；
Lwidth为电抗器的宽度(mm)；
Lheight为电抗器的高度(mm)；
l铁轭长度为电抗器单柱铁轭长度(mm)；
l线圈辐向厚度为电抗器每相上线圈的辐向厚度(mm)；
l骨架壁厚为骨架的壁厚(mm)；
ε为尺寸裕度(mm)；
l夹件为固定电抗器的夹件的宽度(mm)；
l窗高为硅钢片宽度(mm)。
结合图1、图2、图3的流程设计，可实现所述电抗器的设计。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种低压铁芯线绕电抗器的设计方法，其特征在于，基于基本参数和预设条件下，进行绕线匝数的计算设计和分配；以及根据线绕的尺寸要求，得到线圈温升及1.35In下温升值，从而得到电抗器的具体成型尺寸，若电抗器的尺寸及温升满足于设计需求，则设计结束，否则返回预设条件，重新迭代设计；
所述方法包括具体步骤如下：
步骤1：计算基本电气参数，包括电压、电流、电感值；
步骤2：根据基本电气参数、现场要求以及需要达到的不饱和电流倍数，预设骨架尺寸，材质、中心距和不饱和电流倍数；
步骤3：设计计算在当前结构下需要绕制的绕线匝数；
步骤4：根据步骤3设计计算结果分配匝数和绕线尺寸分配，若分配结果符合骨架、高度及间距要求，则分配结果合格，实现层数和每层匝数的设计以及绕线尺寸确定，进入步骤5，否则返回步骤2；
步骤5：计算线圈温升及1.35In下温升值，若线圈温升及1.35In下温升值满足现场要求，则进入步骤6，否则返回步骤2；
步骤6：计算电抗器的成型尺寸，若满足现场要求，则设计计算结束，否则返回步骤2；
所述步骤3具体步骤如下：
步骤31：计算出铁芯截面S截面、平均磁路长度L平均磁路长度；
S截面＝l片宽*l叠厚*γ叠片系数
L平均磁路长度＝(l片宽+l中心距+l铁芯窗高)*2
S截面为铁芯截面(mm2)；
l片宽为硅钢片的片宽(mm)；
l叠厚为硅钢片叠片厚度(mm)；
γ叠片系数为硅钢片叠片系数；
L平均磁路长度为电抗器的平均磁路长度(mm)；
l中心距为电抗器相邻骨架中心距离(mm)；
l铁芯窗高为电抗器每相中铁芯窗高(mm)；
步骤32：计算磁路需要的气隙l气隙；
l气隙为磁路气隙(mm)；
L电感为设计的电抗器的电感值(mH)；
a为不饱和电流倍数；
B为磁通密度(Gs)；
步骤33：计算磁导率μ和电感因子a；
μ＝B*L平均磁路长度/(B*l气隙+L平均磁路长度)
a＝12.5*μ*S截面/L平均磁路长度
μ为磁导率；
a为电感因子；
步骤34：计算在当前结构下需要绕制的绕线匝数n；
n为每个骨架上的绕线匝数；
所述步骤5具体步骤如下：
步骤51：计算单柱线损W单柱线损和单柱散热面S单柱散热面；
W1.35倍单柱线损＝1.352*W单柱线损
S单柱散热面＝l线圈外周长*l线圈电抗高度
W单柱线损为三相电抗器额定电流下单柱的线损(W)；
γ线损系数为线损系数；
IN为额定电流(A)；
R单柱电阻为三相电抗器单柱的电阻(Ω)；
W1.35倍单柱线损为三相电抗器1.35倍额定电流下单柱的线损(W)；
S单柱散热面为单柱上的散热面积(m2)；
l线圈外周长为电抗器单柱的线圈外周长(m)；
l线圈电抗高度为电抗器单柱的线圈电抗高度(m)；
步骤52：计算线圈温升T温升和1.35额定电流下温升T1.35倍温升：
T温升为电抗器线圈在额定电流下的温升(K)；
T1.35倍温升为电抗器线圈在1.35倍额定电流下的温升(K)；
步骤6所述电抗器的成型尺寸的设计计算公式为：
Llength＝l铁轭长度+2*(l线圈辐向厚度+l骨架壁厚+ε)
Lwidth＝l叠厚+2*l夹件+ε
Lheight＝l窗高+2*l片宽+ε
Llength为电抗器的长度(mm)；
Lwidth为电抗器的宽度(mm)；
Lheight为电抗器的高度(mm)；
l铁轭长度为电抗器单柱铁轭长度(mm)；
l线圈辐向厚度为电抗器每相上线圈的辐向厚度(mm)；
l骨架壁厚为骨架的壁厚(mm)；
ε为尺寸裕度(mm)；
l夹件为固定电抗器的夹件的宽度(mm)；
l窗高为硅钢片宽度(mm)。
2.根据权利要求1所述的一种低压铁芯线绕电抗器的设计方法，其特征在于，所述电抗器铁芯采用EI系列硅钢片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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