电力电子技术教学课件作者高锋阳第8章节电力电子装置磁元件及主电路设计课件幻灯片

1、第8章电力电子装置磁元件及主 电路设计,1,第8章 电力电子装置磁元件及主电路设计,8.1 概述 8.2 磁性材料和电力电子装置中的常用磁元件 8.3 磁元件设计 8.4 相控整流主电路参数的计算和设计 8.5 交-直-交通用变频器主电路的设计 8.6 交-直变换器主电路参数的计算与设计 本章小结,2,磁元件是现代电力电子装置中的必备器件，其种类多且工作情况复杂。在选用磁元件时，不像其他电子元件有成品可用，绝大多数磁元件都要自行设计，因此掌握常用磁元件的设计方法较为重要。另外电力电子主电路种类多，需求各种各样，难以标准化及系列化，所以掌握主电路的设计也很有必要。,学习指导,3,在磁元件的设计中，选择合适的磁性材料是设计成功的基础，本章从磁性材料的特性入手，介绍几种常用磁性材料的特性及适用范围；在此基础上，介绍电力电子装置中常用的磁元件，如整流变压器、相间变压器(也称平衡电抗器)、饱和电抗器、平波电抗器等。然后根据各磁元件的不同特点，分析并讨论相关设计方法；在主电路的设计中，结合负载及应用环境等因素选择电路拓扑，其次通过主电路参数计算选择电力电子开关器件成为关键。学习本章时，应重点把握磁

2、元件的设计方法和常用的主器件的设计计算及选型。,学习指导,4,8.1 磁元件概述,5,包括电感和变压器等在内的磁元件是现代电力电子装置(如开关电源和不间断电源等)的核心部件，对这些磁元件进行分析和设计是现代电力电子技术的重要内容。电感器和磁场之间的关系就如同电容器和电场之间的关系。在诸多应用场合，电容器有现成产品，而电感器和变压器没有类似标准化产品，其原因主要有:,根据对偶原理，电容器具有额定工作电压，而电感器则有额定的工作电流。用于制造电容器的介电材料种类繁多，在不额外增加成本的情况下，即可满足其额定工作电压指标，因而可以很容易制造出各种额定工作电压指标的电容器。,电感器中流过电流时会带来热损耗，其温度将升高。这与磁元件的体积指标是相通的，为降低电感器温度，需要选择更大体积的磁元件。通常磁元件是电路中最大的元件，合理设计其尺寸至关重要。,8.1 磁元件概述,6,再回到对偶原理，磁元件中铁磁材料与磁场之间的关系就如同电容器中介电材料和电场之间的关系。通常，介电材料能够在非常宽的电压和频率范围内保持线性特性，而铁磁材料却具有很强的非线性，稍微偏离设计指标便会饱和，而且，电感器大小还与频率

3、有关。另外，电容器温度升高时不是由介电损耗导致的，而电感器温度升高的一个主要原因就是磁心损耗。 基于上述原因。磁元件的设计过程比较复杂，对于不同的应用场合需要单独设计。磁元件损坏主要是由于其温升过高导致的，因而在设计中需要兼顾电气指标和散热指标。,8.1 磁元件概述,7,一般来说，电感器是动态能量存储元件，当电路工作于不同的模式下，电感器不仅起到储存电能作用，同时也可释放所存储的电能。电感器对开关电流也起到滤波作用。在缓冲电路中，电感器同时起到限制电流变化率和瞬态电流大小的作用。变压器是一种能量传输装置。例如，将高电压小电流能量转化为小电压大电流能量。若用机械装置来类比，电感器就像飞轮，主要功能是储能，而变压器就像变速箱，主要功能是将转速转化为转矩。变压器不仅可以改变电压等级，同时对一次和二次电路起到电气隔离作用。为了获得最大功率传输，变压器可实现不同电路间的阻抗匹配。,8.1 磁元件概述,8,电力电子装置中的电抗器也叫电感器，是依靠线圈的感抗抑制电流变化的电器。一个导体通电时就会在其所占据的一定空间范围产生磁场，载流导体都有一般意义上的电感特性。然而通电长直导体的电感较小，所产生的磁

4、场不强，因此实际的电抗器是导线绕成螺线管形式，称空心电抗器；有时为了让螺线管具有更大的电感，在螺线管中插入铁心，称为铁心电抗器。由于电抗分为感抗和容抗，因此比较科学的归类是将感抗器(电感器)和容抗器(电容器)统称为电抗器。然而由于过去先有了电感器，并且被称为电抗器，所以现在所说的电容器就是容抗器，而电抗器专指电感器。,8.1 磁元件概述,9,电抗器按用途分为7种：限流电抗器，串联于电力电路中，以限制短路电流的数值；并联电抗器，一般接在超高压输电线的末端和地之间，起无功补偿作用；通信电抗器，又称阻波器，串联在兼作通信线路的输电线路中，用以阻挡载波信号，使之进入接收设备；消弧电抗器，又称消弧线圈，接于三相变压器的中性点与地之间，用以在三相电网的一相接地时供给电感性电流，以补偿流过接地点的电容性电流，使电弧不易起燃，从而消除由于电弧多次重燃引起的过电压；滤波电抗器，用于电力电子电路中谐波的消除，如用于整流电路中减少整流电流上纹波的幅值，也可与电容器构成对某种频率能发生共振的电路，以消除电力电子电路某次谐波的电压或电流；电炉电抗器，与电炉变压器串联，限制其短路电流；起动电抗器，与电动机串联，限

5、制其起动电流。,8.2 磁性材料和电力电子装置中的常用磁元件,10,在电力电子装置中，除了低频铁心磁性材料应用外，以现代开关电源和UPS为代表的电力电子装置中各种磁性器件的铁心主要采用高频铁心磁性材料。 高频铁磁性材料按其制成品形态分类主要有粉芯和带绕铁心两类。其中，粉芯类主要有：软磁铁氧体、金属磁粉芯(包括铁粉芯、铁硅铝粉芯、高通磁粉芯和坡莫合金粉芯)；带绕铁心类主要有：坡莫合金、非品及微晶合金。,8.2.1 磁性材料的工作状态,11,要正确选取铁心材料，就必须要了解铁心内部磁通的变化规律。在各类电力电子装置中，各种磁性器件由于其铁心的工作状态不同，一般可分为以下三种： 第一种工作状态是指铁心的双向磁化，这种状态和一般工频变压器或者交流电机的磁化模式一样。 第二种工作状态是指铁心处于单向磁化，此时铁心的励磁磁场强度的变化值覆盖了0Hm的整个范围，这种工作状态常见于传递单向脉冲的变压器铁心中。 第三种工作状态下，铁心也是处于单向磁化状态，与第二种状态相比，此时铁心一般是在一个较大的直流励磁分Hdc上再叠加一个较小的交流励磁分量H，铁心的励磁磁场强度在Hdc-H/2至Hdc+H/2之间变

6、化。,8.2.1 磁性材料的工作状态,12,要正确选取铁心材料，就必须要了解铁心内部磁通的变化规律。在各类电力电子装置中，各种磁性器件由于其铁心的工作状态不同，一般可分为以下三种： 第一种工作状态是指铁心的双向磁化，这种状态和一般工频变压器或者交流电机的磁化模式一样。 第二种工作状态是指铁心处于单向磁化，此时铁心的励磁磁场强度的变化值覆盖了0Hm的整个范围，这种工作状态常见于传递单向脉冲的变压器铁心中。 第三种工作状态下，铁心也是处于单向磁化状态，与第二种状态相比，此时铁心一般是在一个较大的直流励磁分Hdc上再叠加一个较小的交流励磁分量H，铁心的励磁磁场强度在Hdc-H/2至Hdc+H/2之间变化。,8.2.2 几种常用磁性材料,13,软磁铁氧体 软磁铁氧体是一种坚硬、易碎、化学成分稳定的深灰色或黑色磁性材料，其化学分子式为MeFe2O4。在现代铁氧体中，Me主要是指锰锌(MnZn)或镍锌(NiZn)。这种化合物在一定温度(居里温度Tc)下，表现出优良的磁性能，而且很容易被磁化，其本身的电阻率很高，可以工作在很高的频率下。软磁铁氧体铁心主要在开关电源等电力电子装置中作为电感和变压器的铁

7、心。 晶态合金材料 硅钢片和坡莫合金是晶态合金材料，其原子在空间呈规则排列，形成周期性的点阵结构，存在着晶粒、晶界、位错、间隙原子和磁晶各向异性等缺陷。,8.2.2 几种常用磁性材料,14,非晶态合金材料 非晶态合金是一种高频磁性材料，采用超急冷工艺将熔化的钢水以每秒一百万度的冷却速度急速冷却，一次形成厚度约为30m的薄带，其原子排列长程无序、短程有序、无晶粒和晶界，所以称为非晶态合金。这类力学性能很硬、磁性能很软的合金实质上是液态金属的过冷态，结构与玻璃相似，也称为金属玻璃。 非晶态合金的优点在于：软磁性能好，强度和硬度高，韧性、耐腐蚀性和耐磨性好，饱和磁密高，矫顽力小，电阻率高且损耗小，在开关电源中以非晶态合金代替铁氧体、坡莫合金和硅钢片，具有体积小、效率高、节能等优点。这种非晶态合金的缺点是在高频应用时有时存在噪声，价格较高。 非晶态合金的种类有：铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、钴基非晶合金及铁基超微晶合金。主要用于开关电源变压器、逆变电源变压器、可控饱和电感、高频电感器、电抗器及互感器等磁性器件的铁心。,8.2.2 几种常用磁性材料,15,表8-1 几种磁性材料的性能比较,8.2

8、.3 电力电子装置中的常用磁元件,16,整流变压器 整流变压器主要用于提供电气隔离、使输入输出电压间获得合理的匹配，以减少器件应力。变压器的尺寸与工作频率成反比，但是随着频率的升高，其损耗也相应增加。高频运行时，导体中电流分布不均匀，将在绕圈中产生集肤效应和临近效应；同时，由于铁心中涡流和磁滞现象的存在，磁心损耗相应增加。 整流变压器的一次侧接交流电网，称为网侧，二次侧接整流装置，称为阀侧。相对于普通的电力变压器，整流变压器的不同之处在于： 电流波形非正弦波。由于整流器各臂在同一周期内轮流导通，流经整流臂的电流波形为断续的近似矩形波，所以整流变压器各相绕组中的电流波形也不是正弦波。 根据整流设备的要求，整流变压器阀侧有多种特殊的联结，配合整流形式，如将三相电网电压变换成为六相、九相、十二相交流电压等，从而满足不同的整流器要求。,8.2.3 电力电子装置中的常用磁元件,17,整流变压器的用途和特点 电化，包括电解法制铝、镁及其他金属；电解食盐以制取氯、碱；电解水以制取氢等；也用于石墨化电炉 ； 特点 1）低电压、大电流，阀侧直流电流可达100kA，直流电压不超过1000V，单台容量可达数

9、十万伏安。2）电解负载是连续而恒定的，为了保持电解槽电流恒定，调压频繁，必须用有载电压，有事还可用饱和电抗器作调和稳流，也可采用晶闸管调压 牵引用 矿山、城市电车的直流电网供电 1）基本结构形式与电力变压器的相同，采用无励磁调压 2）负载变化幅度很大，经常有不同程度的短时过载，所以连续额定负载下的温升限值比一般取的 低，电流密度也低 3）阀侧接架空线，短路故障机会较多，因此对较大容量变压器的阻抗要求大些,8.2.3 电力电子装置中的常用磁元件,18,电气化铁道的干线电力机车 1）变压器为单相，用于单项整流电路，网侧电压为单相输出的线电压 2）大幅度有载调压，调压频繁，要求调压快，也可采用晶闸管调压 3）变压器的外形尺寸要适用于装在电力机车上 4）阀侧绕组有两个以上，分别供给电动机的电枢、励磁及其他用途 电力传动中的直流电机供电。例如，供给轧钢电机的电枢和励磁 特点 1）闸侧有时要求有两个绕组，分别供给正、反向传动或正向传动、反向制动 万伏安。 2）晶闸管调压 直流输电 特点 1）电压高、容量大 2）对地绝缘交直流高压叠加，需特别注意,8.2.3 电力电子装置中的常用磁元件,19,电镀及电加工 特点 1）电压低、电流大，网侧直流电压自数伏至数十伏，电流至数万安 2）调压器或晶闸管调压 同步电动机励磁 特点 1）强励时要求短期过载 2）晶闸管调压 蓄电池充电、浮充电 特点 1）小容量做成单相，此时在反电动势作用下，因导通角减小，绕组电流的均方 根值加大。由单独的调压器调压 2）大容量做成三相，由饱和电抗器或晶闸管调压，后者可以逆变放电,8.2.3 电力电子装置中的常用磁元件,20,绕线转子异步电动机的串级调速 特点 经常在逆变方式下运行 静电除尘 特点 电压高，电流小，变压器的结构与高压实验变压器的相仿 相间变压器 相控整流设备的输出电压永远都是脉动电压。对于同一台整流设备的若干个换相组，即使具有相同的平均值、相同的波形和相同的极性，但由于相位不同，其电压瞬时值仍然不同，不能直接并联。因此，只有通过相间变压器才可以把不同换相组并联起来。

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