张兴高等电力电子技术课件

《张兴高等电力电子技术课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《张兴高等电力电子技术课件（99页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、高 等 电 力 电 子 技 术高 等 电 力 电 子 技 术 Advanced Power Electronics 高等电力电子技术高等电力电子技术 第8章 电力电子装置件中的电磁器件与电磁兼容性 8.1概述 电磁器件的特点和基本概念 电磁器件的设计 基本内容 磁性器件的测试 8.2 8.3 8.4 8.5 电力电子装置中的电磁兼容问题 高等电力电子技术高等电力电子技术 8.1 概述 电力电子装置所带来的电磁干扰与电磁兼容问题：磁性器 件的电磁干扰问题；开关器件的开关动作。 磁性器件是现代电力电子装置的核心部件，主要可以分为 变压器和电抗器两类，本章将对分析和设计这些磁性器件 的有关理论与技术

2、（现代电力电子的磁技术）进行较系统 和全面的论述。 高等电力电子技术高等电力电子技术 8.2 电磁器件的特点和基本概念 8.2.1 磁性材料的特性 8.2.2 磁性材料的工作状态 8.2.3 几种常用磁性材料 8.2.4 电力电子装置中的常用电磁器件 高等电力电子技术高等电力电子技术 8.2.1 磁性材料的特性 磁性材料的特性参数主要包括：饱和磁通密度、剩磁 感应、矫顽磁力、磁导率、居里温度、在一定工作频率和 磁通密度下的铁心损耗等。 高等电力电子技术高等电力电子技术 1、饱和磁通密度和剩磁感应 随着磁场强度H的增加，磁通密度B出现饱和，此时的B值称为饱和磁通 密度（Bs）,也叫饱和磁密或饱和

3、磁感应强度。将铁心从磁化状态去除磁 场后，即H=0时铁心中仍有剩余的磁通密度，称为剩磁感应（Br），其 值随激磁大小的不同而不同。材料手册上的值是指铁心磁化到饱和再去 除磁场后所得到的值。 2、矫顽力 当铁心从磁化状态去除外加磁场后，加一反向的外加磁场，将铁心向反 方向磁化，直到铁心内的磁通密度减小为零，此时的磁场强度值称为矫 顽力，其大小取决于励磁程度，通常是指磁化到饱和以后所得到的值。 3、磁导率 在铁心的基本磁化曲线上，磁通密度B与磁场强度H之比称为铁心的磁导 率 B H 8.2.1 磁性材料的特性 高等电力电子技术高等电力电子技术 max max 8.0 1 c T max 2.0 4

4、、居里温度 磁性材料的磁导率不仅是磁感应强度B的函数，也是其温度的函数，随着 温度的升高而增加，但当温度升高到一定值时，其相对磁导率突然变为1， 此时的温度称为居里温度Tc 8.2.1 磁性材料的特性 高等电力电子技术高等电力电子技术 8.2.2 磁性材料的工作状态 磁性材料工作状态一般分为三种： 1）双向磁化：与一般工频变压器或者交流电机的磁化模式一样； 2）单向磁化：此时铁心的励磁磁场强度的变化值覆盖了的整个0Hm 范围，这种工作状态常见于传递单向脉冲的变压器的铁心中； 3）单向磁化：与第二种状态相比，此时铁心一般是在一个较大的直流 励磁分量上再叠加一个较小的交流励磁分量，铁心的励磁磁场强

5、度在 HdcH/2 之间变化。 高等电力电子技术高等电力电子技术 8.2.3 几种常用磁性材料 （1）软磁铁氧体：一定温度（居里温度 ）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，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芯。 （2）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。 （3）非晶态合金材料:又称为金属玻璃，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，损耗小；缺点是 在高频应用时有时存在

6、噪声，价格相对较高。主要用于开关电源变压器、逆 变电源变压器、可控饱和电感（磁放大器）、高频电感器、电抗器及互感器 等磁性器件的铁心。 高等电力电子技术高等电力电子技术 8.2.4 电力点在装置中的常用电磁器件 在电力电子设备中所用的电磁器件名目繁多，这里只对一些常 用的电磁器件进行简单的介绍，包括整流变压器、相间变压器、 饱和电抗器、平波电抗器、均流电抗器、空心电抗器。 高等电力电子技术高等电力电子技术 1.整流变压器 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，整流变压器独特之处在于： 1）电流波形非正弦波。由于整流器各臂在同一周期内轮流导

7、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； 2）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，例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。 8.2.4 电力点在装置中的常用电磁器件 高等电力电子技术高等电力电子技术 2.相间变压器 在整流系统中，相控整流设备的输出电压是脉动的。对于同一台交流设 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。相间变压器的作用就在

8、于吸 收两个或若干相同（除相位不同外）的换相组之间的瞬时电压差，阻止 电流在两组之间的自由流动。 8.2.4 电力点在装置中的常用电磁器件 高等电力电子技术高等电力电子技术 3.饱和电抗器 饱和电抗器是利用铁磁材料的磁饱和特性，以较小的直流功 率来控制较大的交流负载的一种电器，工作原理就是通过在 电抗器中引入直流电流，以改变铁芯的磁饱和度，将电抗器 的控制绕组和工作绕组绕制在同一磁回路中，从而产生一个 可变的阻抗。 8.2.4 电力点在装置中的常用电磁器件 高等电力电子技术高等电力电子技术 饱和电抗器的工作绕组和控制绕组都有不同的联结方式，如下图： a）工作绕组联结形式b）控制绕组联结形式 常

9、用的是工作绕组的接法1和控制绕组的接法1组合成调流型饱和电抗器工作绕组的接 法4和控制绕组的接法3组合成调压型饱和电抗器。 8.2.4 电力点在装置中的常用电磁器件 高等电力电子技术高等电力电子技术 4.平波电抗器 平波电抗器用于整流以后的直流回路中，整流电路的脉波 数总是有限的，在输出的整流电压中总是含有纹波的，这 种纹波需要由平波电抗器加以抑制。 5.均流电抗器 在电力电子器件并联使用时，各并联支路间会出现电流分 配不均的现象，要解决这个问题，必须采用必要的均流措 施，而均流电抗器则是常用的措施。 8.2.4 电力点在装置中的常用电磁器件 高等电力电子技术高等电力电子技术 6.空心电抗器

10、空心电抗器常用于要求线性度较好的场合。一般与电力电子器件串联， 以限制器件的电流变化率，从而避免器件损坏；在没有隔离变压器的变 流设备中，为了限制短路电流，也常在交流输入回路中串接空心电抗器。 但是空心电抗器的磁路比较分散，容易受到周围导磁物质的影响，因此 安装空心电抗器时，一定要注意周围导磁物质的影响。一般要求距导磁 物质的中心距离大于空心电抗器的直径的34倍。 8.2.4 电力点在装置中的常用电磁器件 高等电力电子技术高等电力电子技术 8.3 电磁器件的设计 8.3.1 变压器设计 8.3.2 电抗器设计 8.3.3 高频电磁器件的设计举例 高等电力电子技术高等电力电子技术 8.3.1 变

11、压器设计 变压器的产品设计，尤其是系列产品的设计，要根据国 家的经济技术政策、资源情况以及制造和运行部门的要求， 合理的设计变压器的性能参数和相应的结构。 本节从工频和高频两个角度讲述变压器的设计方法和相 应的注意事项。 高等电力电子技术高等电力电子技术 10 10 1 工频变压器的一般设计方法： (1)确定产品型号和额定容量 首先要根据变压器设计任务书确定所设计的变压器型号和容量。 我国生产的变压器，额定容量等级基本上是按的倍数递增的。 通常把容量在630kVA及以下的称为小型变压器，800 6300kVA 称为中型变压器，800063000kVA称为大型变压器，90000kVA及 以上的称

12、为特大型变压器。 10 10 8.3.1 变压器设计 高等电力电子技术高等电力电子技术 其中：是表征变压器的宽度和高度尺寸之比的一个数值，初 步设计时可按推荐选用；Sz是变压器的额定容量；kz是变压器 的利用系数；系数kd对于一系列变压器变化较小。 在铁心直径基本确定以后就要进行结构参数的设计，包括线圈 高度H和匝数N，最后再进行线圈计算。 (2)变压器的电磁设计 要进行变压器的电磁设计就要确定变压器的铁心直径： 3 ZZd ()DSkk 8.3.1 变压器设计 高等电力电子技术高等电力电子技术 材料选择上，为了减小铁芯损耗，铁芯一般用厚0.300.35mm 的硅钢片叠成，片上涂上绝缘漆，以避

13、免片间短路； 铁芯结构分为心式和壳式两种，心式结构的绕组和绝缘装配比 较容易，所以电力变压器常常采用这种结构；壳式变压器的机 械强度好，常用于低压、大电流的变压器或小容量电讯变压器。 (3)材料、铁心结构形式、导线和线圈的选择 8.3.1 变压器设计 高等电力电子技术高等电力电子技术 导线材料一般选用电工铜等； 绕组又分为圆筒式、连续式、螺旋式、纠结式几种： 1）圆筒式是这几种绕组中最简单的一种，常用于小容量的变压器中； 2）连续式能够适应很大范围容量和电压的需要，而且机械强度好，散热条件 也好，但制造较费工时； 3）螺旋式一般用在三相容量为800kVA及以上、电压为35kV及以下的大电流、

14、低电压的线圈； 4）110550kV或更高电压等级的变压器高压或中压线圈可采用纠结式线圈； 8.3.1 变压器设计 高等电力电子技术高等电力电子技术 (4)绝缘和过电压保护 变压器的绝缘分为内绝缘和外绝缘： 外绝缘：油箱外边的套管导电部分之间的空气绝缘、套管导电 部分对储油柜、安全气道及其他接地部分的空气绝缘； 内绝缘：油箱内的线圈、引线和分接开关的主绝缘和纵绝缘。 过电压保护可设置专门的电容补偿装置或者采用具有高冲击强 度的线圈结构。 8.3.1 变压器设计 高等电力电子技术高等电力电子技术 (5)性能计算和校核 性能计算包括：变压器的阻抗电压计算；负载损耗计算；空载 损耗和空载电流；电磁力

15、的计算等。 在这一部分要使设计的变压器既满足设计任务的要求又要达到 相关标准的要求，如果不能达到，则要重新进行相应的设计和 更改，直到达到要求为止。 8.3.1 变压器设计 高等电力电子技术高等电力电子技术 2.高频变压器的设计 高频变压器是相对于音频和工频变压器而言的，我们将工 作频率在音频以上的变压器统称为高频变压器，这一定义不 是严格的。 一般情况下，我们将高频变压器分为两种类型，一种称为 单频或窄频的高频变压器；另一种称为宽带变压器，它是指 工作在一个很宽频率范围内的变压器，如阻抗变换器变压器、 通讯变压器等。 8.3.1 变压器设计 高等电力电子技术高等电力电子技术 1）给定条件包括

16、：电路形式、输入电压和电流、工作频率f 、 输出电压和电流、占空比、工作环境和允许温升； 2）计算变压器的总功率Pt：变压器的总功率的大小，取决于输出 功率和电路形式； 3）确定工作磁感应强度Bm(T)以选定某种型号的铁氧体磁芯； 4）确定电流密度系数Kj和窗口填充系数T； 高频变压器的设计计算步骤： 8.3.1 变压器设计 高等电力电子技术高等电力电子技术 5）计算乘积AP、匝数、一次电流的有效值I1和二次电流有效值I2 还有一次及二次导线截面积并确定导线直径； 6）计算导线根数（注意：应凑成整数），确定绕组的绕制方式； 7）计算平均匝长、导线长度、电阻、铜耗、铁耗和总损耗，然后 再计算散热面积、散热系数和温升。 8）最后进行验算性能和校核。 8.3.1 变压器设计 高等电力电子技术高等电力电子技术 不论是设计工频还是高频变压器都应注意的是： 1）优化条件的选取方向。一般来说，在地面上的固定设备，应该按“最低价格设计”