一文解析电力系统中的电抗器

时间： 2024-12-13 来源：TOPPOWER官网

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在交流电路中，电抗是电流的阻力。电抗器也称为线路电抗器，是在电力系统中的两点之间串联的线圈，用于限度地减少浪涌电流、电压陷波效应和电压尖峰。电抗器可以分接，以便改变电抗器两端的电压，以补偿电机启动负载的变化。电抗器的额定值是根据它们在给定频率和电流下提供的阻抗的欧姆数来确定的。电抗器也可以通过在额定电流下特定频率下设备上的I2R损耗来评定。

两种常见类型的反应器是干式和油浸式。干式是开放式的，依靠空气流通而散热。干式电抗器在低压应用中很常见。

油浸式电抗器在高压应用中很常见。油浸反应堆放置在罐内，需要磁屏蔽以防止涡流在罐内循环。屏蔽层与变压器铁芯和电机定子一样由层压钢板制成。

电抗器可用作线路电抗器或负载电抗器。当低线路阻抗允许高浪涌电流、使用功率因数校正电容器或电机驱动引起陷波时，使用线路电抗器。负载电抗器安装在电机驱动器的输出处。负载电抗器通过减慢驱动输出电压的变化率来帮助消除电压尖峰或反射波噪声。然而，由于电机驱动器输出波形的谐波含量，负载电抗器容易过热。电抗器的设计必须能够减少谐波失真。

浪涌电流

许多电气设备在启动时会消耗高电流，或者对电流的流动具有非常低的阻抗。例如，电动机在启动期间通常会消耗其满载电流的许多倍。这种浪涌电流可能会导致电压骤降，从而导致其他设备跳闸。许多全电压电机启动器使用电抗器来增加阻抗并限制浪涌电流。当电容器组首次接通且电容器开始充电时，用于校正低功率因数的大型电容器组具有非常低的阻抗。低阻抗意味着电流非常高。可以串联增加电抗器以增加电抗。增加的电抗会增加阻抗并减少浪涌电流。

减少缺口

为了减少陷波，需要将陷波源与使用相同配电系统的其他设备隔离或缓冲。创建分压器是化陷波的相对简单的方法。参见图3。当电抗器形式的阻抗与SCR控制器串联添加时，陷波电压分布在新阻抗和馈线中已有的阻抗上。增加的阻抗减小了陷波深度并加宽了陷波宽度。经验表明，电抗器应具有约3%的阻抗，以将凹口深度减少约50%。这足以消除导致问题的额外零交叉。较高的阻抗可能会导致敏感设备出现问题，因为较宽的凹口可能会被视为电压损失。较低的阻抗可能不足以减少陷波深度以消除问题。

图3.可以添加与SCR电源串联的反应器以减少缺口。

线路上的瞬变可能导致电子设备产生错误。数字电子电路对低电平数字信号进行操作，这些信号可能会被瞬态电压引起的错误信号破坏。

饱和铁芯电抗器

当铁芯饱和时，基本上所有磁畴都与所施加的磁场对齐。施加磁场的进一步增加不会导致磁通量的增加。因此，与电流变化相反的感应电压不会增加。换句话说，当其磁芯饱和时，电感器将失去抵抗电流变化的能力。

饱和磁芯电抗器是一种电感器，其电感由与初级绕组缠绕在同一铁芯上的次级绕组产生的磁场调节。饱和铁芯电抗器的“功率”绕组是承载交流负载电流的绕组。饱和铁芯电抗器的“控制”绕组是承载直流控制电流的绕组。控制绕组携带足够强的直流电，足以产生使磁芯饱和的磁场。

通过控制绕组的直流电压的增加会在电抗器铁芯中产生增加的磁通量。磁通量的增加使电抗器铁芯接近饱和并降低功率绕组的电感。功率绕组中电感的减小增加了通过功率绕组传送到负载的电流。因此，饱和铁芯电抗器可以用作放大器，其中通过控制绕组的相对较小的直流电可以通过功率绕组控制相对较大的交流电。

在实际应用中，饱和铁芯电抗器由两对绕组组成（见图4）。饱和铁芯电抗器线圈附近的小点表示极性。功率绕组彼此同相，控制绕组彼此异相。这使得可饱和铁芯电抗器在交流循环的正负交替中均等地使铁芯饱和。

图4.饱和铁芯电抗器可以使用小直流电来控制电源电路中的大交流电。

在用于控制电镀溶液电流的直流驱动器出现之前，饱和铁芯电抗器在电镀行业中非常流行。对于电镀机来说，被电镀的部分就是负载。如果控制线圈中没有直流电流流动，则IR压降将由电抗器中的电流量控制。当控制线圈中有直流电流时，直流磁通将在磁芯中流动，并限制磁芯中的交流磁通量。较低的交流磁通意味着电路电流的电抗和阻抗较小。少量的直流电流可以控制大量的交流电流。这种控制非常线性并且非常可靠。饱和铁芯电抗器在此类应用中已不再使用，因为建造电抗器的成本比建造直流驱动器高得多。

高功率水平下使用的饱和堆芯电源是极其可靠的设备，因为没有移动部件。

扼流圈

扼流圈也称为线路扼流圈，是一种电抗器，用于在驱动器内部发生短路时限制流向交流或直流驱动器的电流。当从电源汲取大的短路电流时，扼流圈开始建立反电压，并且驱动器可用的电压降低。电压降低会导致瞬时电子跳闸（IET）电路使驱动器脱机以避免损坏。扼流圈具有匝数较少的大导体，并为进入驱动器的线路提供低阻抗。

共模扼流圈是一种电抗器，可减少快速电机驱动或设备开关产生的共模噪声电流（见图5）。负载电流通过共模扼流圈的一个绕组流向负载，然后流经另一绕组远离负载。这会产生两个相反的磁动势，相互抵消并导致零电感。对于共模噪声，流经共模扼流圈两个绕组的电流方向相同。因此，每个绕组中产生的同相磁通将加在一起，而不是像差分噪声分量的情况那样被抵消。这将产生抵抗共模噪声流动的磁动势。

这些共模组件将流向地面，如图5所示。终结果是共模扼流圈允许负载电流几乎不受阻碍地流动，同时阻止共模噪声电流的流动。

图5.共模扼流圈用于降低驱动器引起的共模噪声的严重性。图片由电力系统设计提供

共模扼流圈通常用于降低驱动引起的共模噪声。共模扼流圈提供高电感，以对抗驱动开关期间产生的共模噪声电流。噪声电流的幅度和上升时间降低到低于受影响设备的噪声阈值。

谐振

电容器组通常用于纠正低功率因数的情况。在使用大量电容来校正功率因数的系统中，高电压失真可能会导致系统谐波频率发生谐振。这会产生串联或并联谐振电流，对电气系统造成很大损害。

图6. 变速电机驱动器串联的电抗器将谐振频率移离线路上的任何谐波。

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