电力电子技术5.ppt

,*,*,*,*,*,*,电力电子技术中的磁问题,1,5.1,电磁学基本知识,2,5.2,电力电子设备中磁元件的工作情况,3,5.3,高频变压器的分析与计算,4,5.4,高频滤波电感的分析与计算,5,5.5,整流变压器的参数计算,6,5.6,晶闸管变流设备中的电抗器参数计算,第,5,章 电力电子技术中的磁问题,1,5.1,电磁学基本知识,电荷量为,q,，其运动速度为,v,，电荷受到的场作用力,F,。,B,的单位为特斯拉（,T,）,在物理学和工程技术上，为了形象地说明问题，经常用一些虚拟的曲线,磁力线，磁力线的疏密表示磁场的强弱，在某一截面上，这些磁力线的数量叫做磁通,其单位为韦伯（,Wb,）,。,如果所观察的截面中磁感应强度是均匀的，即,B,为常数，则有,磁感应强度,B,磁通,5.1,电磁学基本知识,衡量电流在某点引起的磁场强度的物理量叫做磁场强度,H,。如果在磁场中沿一个闭合回路,l,积分，闭合回路中包裹的导线数为,N,，每根导线中的电流强度为,I,，根据麦克斯韦方程，它们的关系为，,H,的单位为,A/m,。,最常见的研究对象是在一个截面处处均匀的磁路中绕有一定匝数的线圈，如右图，此时有,磁场强度,H,5.1,电磁学基本知识,磁感应强度和磁场强度的比值为磁导率,对于铁磁性材料，磁导率一般不是一个常数，随磁场强度的变化而变化，因此磁感应强度,B,也随磁场强度变化。,磁导率,不同的材料其磁导率是不一样的，通常把真空中的磁导率叫做,0,，,0=410-7H/m,。对于其它材料，,=,0,r,，,r,称为相对磁导率，视材料不同,r,的差别很大。如果,r,1,称之为,顺磁性,材料，如空气、铝等。有些材料的,r,特别大，如铁、镍和一些合金等，其数值为数百、数千甚至更大，将这类材料称为,铁磁性,材料。,5.1,电磁学基本知识,5.1,电磁学基本知识,在一块未被磁化的铁磁性材料上加以磁场，其磁化曲线首先从原点向,a,点移动，磁感应强度,B,随磁场强度,H,的增大而增大，但是由于导磁率的非线性特点，两者并不呈线性关系，随,H,的增大，曲线的斜率越来越小，当到达,a,点，斜率很小，再增大,H,磁感应强度,B,变化不明显，称进入饱和状态。此点对应的磁感应强度为饱和磁感应强度,BS,；此点对应的磁场强度为饱和磁场强度,HS,。,磁滞回线,5.1,电磁学基本知识,居里温度,TC,磁性材料的导磁率与温度有关。在常温下，多数磁性材料的导磁率随温度变化不明显，但温度上升到一定程度，导磁率会迅速下降。这个温度称为该磁性材料的居里温度,TC,。出现这一现象的原因是当温度升高到一定程度时，铁磁性材料中的磁畴消失，铁磁性材料变成一般的顺磁性材料。如果磁性元件的温度达到了居里温度，其电感量会大大地下降，往往会使电流过大而造成设备的损坏。,不同材料的居里温度也是不同的，如铁氧体,450,；坡莫合金（,IJ85,）为,400,；冷轧硅钢为,740.,5.2,电力电子设备中磁元件的工作情况,在整流变压器、推挽式变换器和桥式变换器的输出变压器等元件中，初级（激磁）绕组中的电流中没有直流成分。电流从负的最大值上升到正的最大值，然后又从正的最大值减小到负的最大值。由于电流正负最大值相等，磁路中的磁场强度也做周期性变化：从,-,Hm,逐渐增大到,+,Hm,，又减小到,-,Hm,。由于,B,与,H,的非线性关系，在,H-B,平面上，运动轨迹是一个闭合的回线。,通过励磁绕组的电流是纯粹的交流电流,1,5.2,电力电子设备中磁元件的工作情况,这种情况多发生在单端变换器和晶闸管电路的触发脉冲变压器中。单向电力电子开关与变压器的初级绕组串联，电子开关接通时，绕组中的电流从,0,逐渐上升，达到最大值时开关关断，初级绕组中的电流随即消失，但磁场仍然存在，磁场强度,H,由其它绕组中的电流维持。然后,H,逐渐下降，最终到,0,。,2,激磁电流从,0,到最大值做单方向的周期变化,5.2,电力电子设备中磁元件的工作情况,电感的电流中有一个较大的直流分量，在其上面叠加着一定周期性的波动成分。电流从最小值增大到最大值，又下降到最小值，完成一个工作周期。,B-H,的运动轨迹也是一个闭合曲线。可以看出，闭合曲线与横轴和纵轴都不相交，处于第一象限的右上部。,激磁电流中包含着较大的直流成分,3,为了防止磁饱和，经常在磁芯的磁路中加入气隙。由于空气或气隙中的其他材料的导磁率要比铁芯材料小得多，所以整个磁路的等效（平均）导磁率比未加气隙时小。反映在,B-H,平面上，磁滞回线的斜率变得比原来小了。,5.2,电力电子设备中磁元件的工作情况,加入气隙前后材料的饱和磁感应强度,BS,是不变的，由于有气隙的磁路磁滞回线的斜率变小，对应,BS,的饱和磁场强度,HS,变大了。,5.3,高频变压器的分析与计算,高频变压器的分析与计算,5.3.1,单端正激输出变压器的分析计算,5.3.2,单端反激输出变压器的分析计算,5.3.3,纯交流变压器的分析计算,12,5.3.1,单端正激输出变压器的分析计算,电力电子开关,S,是单向的，与初级绕组,N,p,串联；次级绕组,N,s,与整流二极管,VD1,相串联，将变换后的电能整流后输出给负载；,N,i,是消磁绕组，将,S,关断后磁路中储存的剩余电能回馈给电源。单端正激式电路的输出变压器的工作模式属于电流单方向变化的情况，,B-H,的运动轨迹在第一象限。,单端正激变压器的结构,5.3.1,单端正激输出变压器的分析计算,反映磁芯尺寸和形状一般由磁芯窗口面积,W,和磁芯截面积,SC,的乘积来确定，乘积,WSC,越大，说明磁芯体积越大。一般采用以下经验公式来计算,WSC,式中,Bm,为磁感应强度变化量（,T,），对于铁氧体磁芯一般为,0.15T,；,PO,为输出功率（,W,）；,f,为斩波器的工作频率（,Hz,）。系数,K=KOKP,。,KO,为窗口使用系数，反映窗口被绕组填充的情况，一般取,0.35,；,KP,为绕线系数，一般取,0.43,。计算出的,WSC,乘积的单位为,cm4,。,确定磁芯大小,1,5.3.1,单端正激输出变压器的分析计算,式中：,U,imin,电源电压最小值（,V,）；,D,max,最大占空比；,f,工作频率（,Hz,）；,S,C,磁芯截面积（,cm2,）；,B,m,磁感应强度变化量（,T,）。,计算初级绕组的匝数,2,5.3.1,单端正激输出变压器的分析计算,由于次级绕组,NS,与初级绕组,NP,为同一磁路，所以在电子开关闭合时，,NS,与,NP,的端电压符合变比关系，即,次级绕组两端的电压为脉冲形式，占空比为,D,，经二极管整流后，电压平均值也就是输出电压,UO,应再乘以,D,。多数单端式直流变换器为降压型，输出电压比较低，这样就不能忽略整流二极管的直流压降,UD,。根据上述原则，次级绕组由下式计算,消磁绕组电压与初级绕组一样，其匝数与初级绕组也应相同,计算次级绕组和消磁绕组的匝数,3,5.3.1,单端正激输出变压器的分析计算,首先计算初级绕组的电流。初级绕组的电流平均值与电源电压,U,i,的乘积就是输入功率,P,i,，但初级电流是不断变化的，即使在,S,导通期间，电流也是从小到大线性增长的，所以初级最大电流,I,P,要比初级平均电流大。而确定导线的直径或截面积要根据最大电流，由于材料、功率、频率等因素的差异，精确地计算初级电流最大值有一定的难度。通常计算的方法是在平均电流的基础上再除以一个小于,1,的系数,KT,，根据经验，可取,KT,=0.707,。,对于铜质导线，可选最大电流密度,J,m,=4A/mm2,。这样初级绕组导线的截面积,S,P,由下式确定,计算各绕组导线的截面积和直径,4,5.3.1,单端正激输出变压器的分析计算,为了克服集肤效应的不良影响，通常对工作频率较高的变压器绕组采用多股并绕的方法，设初级绕组的股数为,GP,，则每股导线的直径,dP,为,类似地，次级绕组的导线截面积,SS,、直径,dS,分别为,消磁绕组的匝数与初级绕组相同，不必多股并绕，只确定其导线直径和截面积。当电子开关关断后，消磁绕组中流过的电流为激磁电流，这个电流通常在初级总电流的,5%,到,10%,范围，导线截面积,Si,和导线直径,di,分别为,5.3.2,单端反激输出变压器的分析计算,就磁场的变化规律而言，反激式变压器与正激式变压器是一样的。但是，反激式变换器的电路工作原理与正激式是不同的，所以在变压器的设计和计算方面两者有着较大的差别。图为反激式变换电路输出部分的原理图。,图中的变压器存在着更多电感的属性。当电子开关闭合时，由于次级感应电压的极性使得二极管承受反压，二极管截止而次级绕组中没有电流，电流流过初级绕组相当于给一个电感储存能量。在电子开关断开时，初级电流即刻消失，电感的储能通过次级绕组经导通着的二极管向负载释放。所以，这种变压器的计算应从计算电感入手。,5.3.2,单端反激输出变压器的分析计算,首先计算初级绕组的电流最大值。电子开关,S,闭合后，初级电流从,0,开始上升，如果忽略回路的电阻，电流的变化规律是线性的。当,S,再度断开时，电流上升到最大值,IPm,。在,S,导通期间（,ton,）初级电流的平均值为,IPm/2,。接下来是,S,关断的一段时间,toff,，这段时间初级绕组中没有电流。两段时间之和为周期,T,。令占空比,D=ton/T,，不难看出，整个周期中电流的平均值为,IPAV=D IPm/2,。这样就可以确定，电源的输出功率,Pi=,UiIPAV,。如果效率为,，输出功率为,PO=,Pi,。这样，初级电流最大值可由下式得出,1,初级电感的计算,5.3.2,单端反激输出变压器的分析计算,由初级电流最大值可求出由初级绕组形成的电感,L1,，初级绕组中的电流,iP,在,S,导通时直线上升，其变化规律为,当,t=ton,时，,iP,恰好为最大值,IPm,，即,IPm,=,tonUi,/L1,，由此可得出,（,H,）,5.3.2,单端反激输出变压器的分析计算,反激式变压器相当于一个电感，为了防止电感磁饱和，通常在磁路中留有气隙。气隙的厚度,lg,是电感设计中的一个重要参数。,lg,可由下式求出,（,cm,）,式中,:SC,磁芯截面积（,cm,）；,Bm,磁感应强度变化量（,T,）；,IPm,初级电流最大值（,A,）,2,磁芯气隙的计算,5.3.2,单端反激输出变压器的分析计算,初级绕组的匝数为,NP,，电流为,IP,，设磁路长度为,l,，磁场强度为,H,。如果磁路各点的导磁率相等，有,NP IP=l H=,lB/,。但是加入气隙后，气隙中的导磁率要比其它部位大得多，方程变为,N,P,I,P,=,l,1,B/,1+,l,g,B/,g,式中,l1,为减去气隙后磁路其它部分的长度，,1,为其导磁率；,lg,为气隙长度，,g,为气隙中的导磁率。由于,1,比,g,大得多，上式可近似为,N,P,I,P=,l,g,B/,g,将最大磁场强度变化量,Bm,（,T,）、最大初级电流,IPm,（,A,），代入上式，并取,lg,单位为,cm,，可得出,3,初级匝数,NP,的计算,5.3.2,单端反激输出变压器的分析计算,电子开关接通时电路的电压方程为,Ui,=,NPd/dt,，认为磁场的变化是线性增长的，在,t=DT,时，磁通量达到最大值,m,，则此时方程为,电子开关断开时，整流二极管导通，次级电路的电压方程为,US=,NSd/dt,。由于磁通不能突变，磁通,m,从开始下降，到,t=,（,1-D,）,T,时下降到,0,，此瞬间的电压方程为,式中,US,应包括负载电压,UO,和二极管导通压降,UD,。次级匝数的计算公式为,4,次级绕组,NS,的计算,5.3.2,单端反激输出变压器的分析计算,求出电感量,L1,、最大电流,IPm,、导线直径,d,以后，可根据需要选择磁性材料，从而得到磁感应强度最大变化量,Bm,，再由上述参数作为选择磁芯尺寸的依据。电感越大、电流越大，磁芯的尺寸就越大，而选择,BS,较大的材料，相应的,Bm,会大一些，磁芯的尺寸可以减小。磁芯尺寸选择可根据以下经验公式,（,cm,4,）,5,磁芯尺寸的选择,5.3.3,纯交流变压器的分析计算,有些高频变压器磁场的变化是纯交流的，磁感应强度从负的最大值到正的最大值之间周期性的变化。磁感应强度的变化规律如图,5-4,所示。全桥式、半桥式和推挽式变换器的变压器均具有这个特点。在设计此类变压器时，应注意以下几点：（,1,）磁滞回线在,1,、,2,、,3,、,4,象限变化，磁感应强度在负的最大值和正的最大值之间，所以同样材料允许的最大磁感应强度变化量,Bm,是单端式变压器的,2,倍；（,2,）一般不需在磁路中加入气隙；（,3,）为减小激磁电流，可以适当地增加初级绕组的匝数；（,4,）有时电流的正负半周分别由两个线圈交替提供，如推挽电路的初级、全波整流的次级线圈，必须设计两个相同的绕组串联，中心抽头。,WSC,可按以下经验公式计算,5.4,滤波电感的分析计算,在直流变换电路中，都设有,LC,滤波电路，滤波电感中的电流含有一个直流成分和一个周期性变化的脉动成分。磁场的变化规律如图,首先讨论以限制电流波动为目的的电感量的计算。由对斩波器的分析可知，电路进入稳定状态后，电感电流在最小值,ILmin,和最大值,ILmax,之间波动变化，波动的幅度为,I,，如图,5-10(b),电感,L,与,I,的关系为,电感量的计算,1,5.4,滤波电感的分析计算,负载突然变化，输出电流,IO,会随之变化，为了保持输出电压,UO,不变，占空比必须做相应的变动。由于滤波器由储能元件构成，不可能立即跟踪占空比的变化，会出现一个过渡过程。希望这个过渡过程越短越好。设负载变化以前的占空比为,D1,，负载变化以后的占空比为,D2,。过渡过程时间为,TR,，它们之间的关系为,5.4,滤波电感的分析计算,综合两种目的的分析，电感量的取值范围应满足,由上式可以看出，电感越大，对应的过渡过程时间就越大。通常对过渡过程时间的要求也是预先给定的，可根据电流波动量,I,、输出电压,UO,、过渡过程时间,TR,以及最大占空比,Dmax,和最小占空比,Dmin,来确定满足快速性的电感量,5.4,滤波电感的分析计算,电感的结构包括磁芯的尺寸、材料、绕组的匝数、导线的直径等内容。电感量越大说明相应的匝数也会增多，磁芯的体积就要大一些；电流越大，说明采用的导线就越粗，也要求磁芯的体积增大。采用高导磁率的材料，同样,H,的情况可以得到更大的,B,，磁芯的尺寸就会减小。另外，如果允许通过的电流密度,J,m,大一些，线径可以减小，磁芯尺寸也可以随之减小。反映磁芯尺寸的,WS,C,乘积与上述物理量之间可由以下经验公式描述,（,cm,4,）,电感结构的计算,2,5.4,滤波电感的分析计算,绕组的匝数由以下分析得出，由电磁学理论可知，电流,I,、磁通,、电感,L,和线圈匝数,N,之间的关系为：,N=LI,，而,=BSC,，所以,导线的截面积,SL,仍可按通过的电流和允许的电流密度求得，即,各量的单位为：,Bm,为,T,；,Jm,为,A/m2,；,L,为,H,；,I,为,A,。,KL,为窗口利用系数，对于环型磁芯,KL=0.4,；,EI,和,EE,型,KL=0.8,；罐型,KL=0.30.6,。,5.4,滤波电感的分析计算,由于滤波电感在工作中电流有一个较大的直流成分，很容易引起磁路的饱和，所以电感的磁路一般都加入气隙，气隙的长度,lg,由下式计算,解释如下，由于气隙的磁阻比磁路的其它部位要大得多，可认为整个磁场能量都集中在气隙部分。磁路的截面积为,SC,，气隙长度为,lg,，其体积,V=,SClg,，总的磁场能量为,另一方面，磁场能量也可以表示为,3,磁路气隙的计算,5.5,整流变压器分析计算,整流器主电路有多种接线形式，在理想情况下，输出直流电压,Ud,与变压器次级相电压,U2,有以下关系,其中,KUV,为与主电路接线形式有关的常数；,KB,为以控制角为变量的函数，设整流器在控制角,=0,和控制角不为,0,时的输出电压平均值分别为,Ud0,和,Ud,，则,KUV=Ud0/U2,，,KB=Ud/Ud0,。,通常次级电压、初级和次级电流根据设备的容量、主接线结构和工作方式来定。由于有些主接线形式次级电流中含有直流成分，有的又不存在，所以变压器容量（视在功率）的计算要根据具体情况来定,。,1,次级相电压计算,在实际运行中，整流器输出的平均电压还受其它因素的影响，主要为：,5.5,整流变压器分析计算,（,1,）电网电压的波动。一般的电力系统，电网电压的波动允许范围在,+5%,10%,，令,为电压波动系数，则,在,0.91.05,之间变化，这是选择,U2,的依据之一。考虑电网电压最低的情况，设计中通常取,=0.90.95,。,（,2,）整流元件的正向压降。在前面对整流电路的分析中，没有考虑整流元件的正向压降对输出电压的影响，实际上整流元件要降掉一部分输出电压，设其为,UT,。由于整流元件与负载是串联的，所以导通回路中串联元件越多，降掉的电压也就越多。令整个回路元件串联个数为,nS,，如半波电路,nS,=1,；桥式电路,nS,=2,。如果桥臂上有元件串联，,nS,也要做相应的变动。这样由于整流元件降掉的电压为,nSUT,。,5.5.1,整流变压器分析计算,（,3,）直流回路的杂散电阻。直流回路中，接线端子、引线、熔断器、电抗器等都具有电阻，统称杂散电阻。设备工作时会产生附加电压降，记为,U,，在额定工作条件下，一般,U,占额定电压的,0.2%0.25%,。,（,4,）换相重叠角引起的电压损失。换相重叠角引起的电压降,Ud,由交流回路的电抗引起，可由整流变压器漏抗,XS,表示。变压器漏抗主要与变压器的短路电压百分比,uk,%,有关。通常为：容量小于,100KVA,的变压器,uk,%,取,5,；在,1001000KVA,范围时，,uk,%,在,57,之间选取；容量大于,1000KVA,，,uk,%,的取值范围为,710,。,Ud,可由以下公式计算。,5.5,整流变压器分析计算,（,5,）整流变压器电阻的影响。交流电压损失受负载系数的影响，假定功率因数为,1,，则交流电压的损失（可认为由变压器引起的交流电压降）,Ua,为,将有关各量代入并整理后可得次级相电压有效值的计算公式为,5.5,整流变压器分析计算,一般的工业生产用晶闸管设备的负载都为电感性的，负载电流基本上是直流，因而晶闸管电流为方波。变压器的各相绕组与一个（半波）或两个（桥式）晶闸管连接，所以变压器次级电流也为方波，其有效值,I2,与负载电流,Id,成正比关系，比例系数决定于电路的接线形式，所以,如果是电动机负载，式中的,Id,应取电动机的额定电流而不是堵转电流，因为堵转电流仅出现在启动后的很短的一段时间，这段时间变压器过载运行是允许的。,2,次级相电流计算,5.5,整流变压器分析计算,桥式接线时变压器次级绕组电流中没有直流分量，初、次级电流的波形相同，其有效值之比就是变压器的变比,Kn,。,在半波电路中，变压器的次级电流是单方向的，包含着直流分量,Id2,和交流分量,Ia2,，,i2=id2+ia2,，而直流成分是不能影响初级电流,i1,的。,i1,仅与,ia2,有关，,i1=ia2/Kn,。,次级电流中的交流成分有效值为,初级电流与次级交流电流之间成正比关系，为,变压器初级相电流有效值,I,1,的计算,3,5.5,整流变压器分析计算,变压器的等效容量为初、次级容量的平均值，为,变压器的容量即变压器的视在功率，对于绕组电流中含有直流成分的变压器，由于初、次级的电流有效值之比不是变压器的变比，而两侧的电压之比却为变比，所以初级和次级的容量是不同的。设变压器初级容量为,S1,、次级容量为,S2,；初级和次级的相数分别为,n1,和,n2,，初、次级容量的计算公式分别为,4,变压器容量的计算,5.6,晶闸管变流设备中电抗器参数的计算,1.,以限制输出电流的脉动为目的电感量,Lm,的计算,设负载电流脉动成分的最低频率的电流有效值为,Iam,，它与负载电流中的直流成分,Id,之比称为电流脉动系数,i,，即,负载电压,ud,用傅里叶级数展开后，可求出最低次交流电压的幅值为,Uam,，以三相半波电路为例，负载电压交流成分中最低次为,3,次谐波，其电压幅值为,工程中要求，对于三相整流电路，,si,510%,在单相整流电路中,si,20%,。确定了以后就可以来设计计算电抗器的电感量,Lm,了。,5.6,晶闸管变流设备中电抗器参数的计算,由上式可知，,Uam,与控制角,有关，当,=90,时，其数值最大，为,设电感量为,Lm,时，交流电流成分中最低次谐波频率的幅值为,电感量的计算公式为,（,mH,）,5.6,晶闸管变流设备中电抗器参数的计算,2.,以负载电流连续为目的电感,LL,的计算,电流的临界连续值与主电路的接线形式、整流变压器的二次电压有关。其实，它与控制角也有关，一般认为控制角在,90,附近时负载电流有效值最小，也最容易出现断续，因此，保证负载电流连续为目的的电感,Ll,可由下式来计算,式中,LL,为整流回路总电感，单位为,mH,，它包括电抗器的电感和电机电枢的电感以及其它杂散电感。系数,KL,叫做临界电感计算系数，,5.6,晶闸管变流设备中电抗器参数的计算,3.,电动机的电枢电感,L,D,和整流变压器的漏感,L,B,的计算,电动机电枢电感,LD,的计算,（,mH,）,式中：,UD,电动机的额定电压；,ID,电动机的额定电流；,n,电动机的额定转速；,p,电动机的极对数；,KD,计算参数，对于无补偿电机，一般取,8,到,12,；对于快速无补偿电机，一般取,6,到,8,；对于有补偿电机，可取,5,到,6,。,5.6,晶闸管变流设备中电抗器参数的计算,整流变压器的漏感,LB,的计算,（,mH,）,式中,U2,整流变压器的次级电压有效值（,V,）,Id,负载电流平均值（,A,）；,uk,%,整流变压器短路比。,KTL,与整流器主电路接线形式有关的系数,。,最终,