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铁心电抗器电磁和噪声仿真常见问题

2022-02-18 338

铁心电抗器是一种常见的电气设备,使用铁心绕组的方式减小体积增大电感量。目前对于电抗器的设计主要根据成型产品经验及设计手册计算来完成

铁心电抗器的使用过程中,表征性能最重要的两个参数普遍认为电感量(L温升(T。设备的额定电感是固有属性,但在实际使用过程中频率的改变会产生趋肤效应,使得电流在导线表层流过,线圈电阻变大,电抗器两端电压升高,此时电流不变,电感增大,感抗增大。当电抗器通过较大电流达到磁饱和后,铁心内部磁通不再随电流发生变化,此时电流增大电感会迅速变小。

根据以上分析,额定电感可以利用静磁场计算,计算精度可以得到保证。实际工作中的电感由于受到频率、电流大小的影响,若需准确分析,需要考虑导线中的趋肤效应、铁芯的饱和效应等,最接近真实的办法是线圈导线实体化建模,导线边界设为阻抗边界,但是需要极大的建模工作量。目前常用的线圈等效法也能够计算出近似的电感数值,但由于忽略了导线的趋肤效应,计算结果与实际电感存在一定误差。

铁芯电抗器的温升由铁损和铜损引起,又与热传导、热对流、热辐射紧密相关,计算过程需要考虑因素较多。实际工作中电流往往是低频信号载有高频谐波的情况,电感存在的意义也就是“通低频、阻高频”,即滤掉这部分谐波。此时温度升高大多是有高频谐波所引起。铁磁材料对不同频率激励的损耗能力是不同的,高频下有较高的损耗。因此仿真计算中重点计算高频谐波引发的温升,利用磁损耗系数进行高频下的稳态计算。

铁芯电抗器在正常工作状态下,电抗器绕组会有电流大小、通断的变化,铁心中会产生交变磁场,引起铁心的磁致伸缩振动、绕组振动电抗器整体产生频率20KHz以下的振动噪声

磁致伸缩主要与以下因素相关:

a) 硅钢片材质。一般情况下硅钢片含硅量越高磁致伸缩越小。无取向性硅钢片的含硅量为0.5%-3.0%,取向性硅钢片含硅量为3.0%以上;

b) 硅钢片内部应力。硅钢片的磁致伸缩随着压应力的增加而增大;

c) 硅钢片绝缘薄膜厚度。绝缘层越厚,涂层张力越大,硅钢片磁致伸缩越小;

d) 硅钢片温度。铁心温度升高,硅钢片磁致伸缩增大,当温度由20℃升高到100℃时,振动噪声将增大4dB

e) 硅钢片退火工艺。适当的退火能够降低硅钢片的磁致伸缩;

f) 硅钢片的磁化方向。外加磁场方向与轧制方向平行时最小,反之最大;

g) 硅钢片磁通密度。外加磁场增大,硅钢片中磁通密度变大,导致磁致伸缩变大。

噪声分析以磁致伸缩引起的振动噪声为主,计算方法为磁场-固体力学-压力声学耦合,得到电抗器的振动噪声辐射情况。

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