第2章-共性問(wèn)題-磁設(shè)計(jì)

電力電子裝置及系統(tǒng)設(shè)計(jì)Dr.HUANGMeng（黃萌）meng.huang@SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversityDesignofPowerElectronicDevicesandSystems2電力電子裝置及系統(tǒng)的共性問(wèn)題主要電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)電力電子器件的串并聯(lián)使用電力電子器件的保護(hù)和緩沖電路電力電子器件散熱技術(shù)及其設(shè)計(jì)方法電力電子裝置中磁性元件及其設(shè)計(jì)方法電力電子裝置的性能指標(biāo)基本磁理論1.理論知識(shí)點(diǎn)回顧2.變壓器建模3.損耗機(jī)理4.線(xiàn)圈的渦流效應(yīng)5.幾種基本元件DesignofPowerElectronicDevicesandSystems3基本物理量之間的關(guān)系DesignofPowerElectronicDevicesandSystems4基本物理量DesignofPowerElectronicDevicesandSystems5磁物理量電物理量磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁動(dòng)勢(shì)F磁場(chǎng)中x1點(diǎn)和x2點(diǎn)之間的磁動(dòng)勢(shì)Magnetomotiveforce(MMF)F是與電場(chǎng)E中的電動(dòng)勢(shì)即電壓V類(lèi)比DesignofPowerElectronicDevicesandSystems6磁通密度B和總磁通?通過(guò)某個(gè)區(qū)域Ac的總磁通與磁通密度的關(guān)系是DesignofPowerElectronicDevicesandSystems7法拉第電磁感應(yīng)定律任何封閉電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，等于穿過(guò)這一電路磁通量的變化率。對(duì)于磁通分布一致的區(qū)域DesignofPowerElectronicDevicesandSystems8楞次定律由于磁通量的改變而產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其方向?yàn)榈挚勾磐扛淖兊姆较?。DesignofPowerElectronicDevicesandSystems9安培定律在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任何閉合路徑的線(xiàn)積分，等于這閉合路徑所包圍的各個(gè)電流之代數(shù)和。DesignofPowerElectronicDevicesandSystems10安培定律為磁場(chǎng)強(qiáng)度H和線(xiàn)圈電流i建立聯(lián)系可以從電流i來(lái)看磁動(dòng)勢(shì)MMF磁芯的總磁動(dòng)勢(shì)MMF等于線(xiàn)圈的MMFDesignofPowerElectronicDevicesandSystems11磁芯材料特性：B與H之間的關(guān)系DesignofPowerElectronicDevicesandSystems12磁化曲線(xiàn)：真空中v.s.磁性材料中非線(xiàn)性，遲滯和飽和現(xiàn)象TypicalBsat=0.3to0.5T,鐵氧體0.5to1T,鐵粉芯1to2T,硅鋼片電特性利用之前的公式：DesignofPowerElectronicDevicesandSystems13飽和意味著短路！磁路(Magneticcircuits)磁通平均分布在正方形截面磁芯內(nèi)兩端之間的MMF考慮類(lèi)比電阻得到磁阻DesignofPowerElectronicDevicesandSystems14氣隙的影響DesignofPowerElectronicDevicesandSystems15消去Phi氣隙的影響DesignofPowerElectronicDevicesandSystems16減低電感量增加飽和電流減弱電感量與磁芯磁導(dǎo)率的依賴(lài)關(guān)系（斜率變?。┳儔浩髂Ｐ虳esignofPowerElectronicDevicesandSystems17理想變壓器磁阻趨近于0：激磁電感非理想變壓器，磁阻不為0寫(xiě)成電感的形式：DesignofPowerElectronicDevicesandSystems18漏感DesignofPowerElectronicDevicesandSystems19變壓器整體模型DesignofPowerElectronicDevicesandSystems20端口方程：互感：互感系數(shù)：損耗機(jī)制低頻損耗：DC銅損鐵損：遲滯損耗高頻損耗：渦流損耗高頻銅損：趨膚效應(yīng)DesignofPowerElectronicDevicesandSystems21鐵損的計(jì)算能量用電壓電流表示：改用B、H表示DesignofPowerElectronicDevicesandSystems22鐵損的計(jì)算積分即為BH曲線(xiàn)包圍的面積：DesignofPowerElectronicDevicesandSystems23(周期內(nèi)能量損耗)=(磁芯體積)(B-H曲線(xiàn)面積)正比于頻率渦流損耗變化的磁通產(chǎn)生渦流DesignofPowerElectronicDevicesandSystems24渦流損耗渦流損耗DesignofPowerElectronicDevicesandSystems25硅鋼片鐵粉芯鐵氧體繞組中的渦流效應(yīng)DesignofPowerElectronicDevicesandSystems26當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，且電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分的一種現(xiàn)象。導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部實(shí)際上電流變小，電流集中在導(dǎo)線(xiàn)外表的薄層。穿透深度電流密度越靠近導(dǎo)線(xiàn)中心越小DesignofPowerElectronicDevicesandSystems27鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)——當(dāng)高頻電流在兩導(dǎo)體中彼此反向流動(dòng)或在一個(gè)往復(fù)導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)集中于導(dǎo)體鄰近側(cè)流動(dòng)的一種特殊的物理現(xiàn)象。DesignofPowerElectronicDevicesandSystems28例子：兩繞組變壓器趨膚效應(yīng)讓電流集中于導(dǎo)線(xiàn)表面趨膚電流引起“隔壁”導(dǎo)線(xiàn)的鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)的電流在導(dǎo)線(xiàn)另一側(cè)引起額外的主電流隨著層數(shù)增加而增大DesignofPowerElectronicDevicesandSystems29繞組中的漏感一個(gè)簡(jiǎn)單兩繞組變壓器：電流按照如圖方向DesignofPowerElectronicDevicesandSystems30通過(guò)磁芯耦合的磁通占主要部分鄰近效應(yīng)引起空間中的磁場(chǎng)，沒(méi)有耦合到次級(jí)最里層的漏感回路圍繞第一層的導(dǎo)線(xiàn)包含4根導(dǎo)線(xiàn)，電流為4i(t)下一條漏感回路，圍繞一、二層導(dǎo)線(xiàn)，8i(t)第三條漏感回路，圍繞原邊導(dǎo)線(xiàn)及副邊第二層導(dǎo)線(xiàn)?？偟穆└?i(t)DesignofPowerElectronicDevicesandSystems31磁動(dòng)勢(shì)示意圖DesignofPowerElectronicDevicesandSystems32磁動(dòng)勢(shì)：中間最強(qiáng)三層導(dǎo)線(xiàn)分布DesignofPowerElectronicDevicesandSystems33有鄰近效應(yīng)的情況鄰近效應(yīng)引起額外的電流，將導(dǎo)線(xiàn)所處的空間中的磁場(chǎng)抵消掉MMF分布于導(dǎo)線(xiàn)之間的空隙DesignofPowerElectronicDevicesandSystems34交錯(cuò)繞線(xiàn)：減小MMF的最大值，減小漏感，減小鄰近效應(yīng)引起的損耗采用銅皮采用利茲線(xiàn)（多股細(xì)漆包線(xiàn)，絞線(xiàn)）DesignofPowerElectronicDevicesandSystems35濾波電感DesignofPowerElectronicDevicesandSystems36加入氣隙Rg以抗飽和AC濾波電感DesignofPowerElectronicDevicesandSystems37損耗較大其他類(lèi)型變壓器耦合線(xiàn)圈DesignofPowerElectronicDevicesandSystems38常用磁芯結(jié)構(gòu)EE：窗口大，散熱好，結(jié)構(gòu)規(guī)則/電磁屏蔽性能較差ETD：窗口大，散熱好，磁芯截面積大，繞線(xiàn)少銅損小EI：與EE類(lèi)似適用：較大功率開(kāi)關(guān)電源，驅(qū)動(dòng)變壓器等DesignofPowerElectronicDevicesandSystems39常用磁芯結(jié)構(gòu)U：窗口大，適用于大功率罐型：結(jié)合面積大，漏感小/窗口小，適用于小功率高屏蔽環(huán)型：閉合磁路，漏磁小，繞線(xiàn)困難DesignofPowerElectronicDevicesandSystems40電感設(shè)計(jì)Kg法目標(biāo)：電感值最大電流下不飽和阻抗R引起銅損不能太大CCMBuckDesignofPowerElectronicDevicesandSystems41限制條件1：最大磁通密度若繞組電流最大值為Imax,列磁路方程DesignofPowerElectronicDevicesandSystems42限制條件2：電感量設(shè)計(jì)的主要考慮是電感量，對(duì)于電路來(lái)說(shuō)是敏感參數(shù)DesignofPowerElectronicDevicesandSystems43限制條件3：窗口大小N圈繞組總面積：

窗口系數(shù)KuDesignofPowerElectronicDevicesandSystems44窗口系數(shù)Ku窗口系數(shù)應(yīng)該比1小，決定它取值大小的基本考慮如下：繞線(xiàn)時(shí)，圓柱的導(dǎo)線(xiàn)難以完美的貼合在一起，Ku需要乘以系數(shù)0.7-0.55導(dǎo)線(xiàn)間往往加一些隔離措施，Ku進(jìn)一步乘以系數(shù)0.95-0.65骨架占用體積Ku典型值：0.5forsimplelow-voltageinductor0.25to0.3foroff-linetransformer0.05to0.2forhigh-voltagetransformer(multiplekV)0.65forlow-voltagefoil-windinginductorDesignofPowerElectronicDevicesandSystems45限制條件4：阻抗線(xiàn)圈阻抗：式中l(wèi)b為導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度，可以計(jì)算為每圈平均長(zhǎng)度（MLT）的倍數(shù)DesignofPowerElectronicDevicesandSystems46設(shè)計(jì)公式DesignofPowerElectronicDevicesandSystems47消去待定的n,lg,Aw，得到：定義Kg為磁芯幾何系數(shù)：設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響如用小的磁芯：Bmax，選用高導(dǎo)磁材料R，容許稍大的損耗如想得到寬的設(shè)計(jì)選擇裕度（大Kg）大直徑的磁芯Ac大窗口（WA）DesignofPowerElectronicDevicesandSystems48Boost電感設(shè)計(jì)DesignofPowerElectronicDevicesandSystems491）電感的選擇電感器感值的選取滿(mǎn)足公式：開(kāi)關(guān)頻率10kHz，電感電流平均值約13.33A，紋波系數(shù)r此處取經(jīng)驗(yàn)值30%，即0.3。并網(wǎng)后，輸出電壓為500V，入網(wǎng)電流為8A。電感設(shè)計(jì)根據(jù)L=3mH，最大峰值電流20A來(lái)設(shè)計(jì)電感器，假定繞組電阻為R，線(xiàn)路損耗則為DesignofPowerElectronicDevicesandSystems50電感設(shè)計(jì)DesignofPowerElectronicDevicesandSystems51電感設(shè)計(jì)Kg的選擇DesignofPowerElectronicDevicesandSystems52電感設(shè)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)由于電感量較大，此Kg值遠(yuǎn)超常規(guī)磁芯元件的參考參數(shù)范圍，需要特殊設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)可以采用更大體積的磁芯元件，或者采用飽和磁感強(qiáng)度更大的材料。DesignofPowerElectronicDevicesandSystems53電感設(shè)計(jì)(AP法)54若輸出最小電流大于臨界電流，則CCM，此時(shí)電感需滿(mǎn)足：全功率范圍都保持CCM輸出是不可能的，可以設(shè)置一個(gè)CCM模式功率輸出的最小值，考慮額定功率的10%-30%。電感設(shè)計(jì)(AP法)55若輸出最大電流小于臨界電流，則DCM，此時(shí)電感需滿(mǎn)足：全功率范圍都保持DCM是可行的。由于最大功率比最小功率大很多，因此DCM的電感值要小很多。由于DCM更容易穩(wěn)定，對(duì)于微型逆變器來(lái)說(shuō)，選擇CCM也是可行的，在小輸出功率時(shí)進(jìn)入DCM也不至于引起穩(wěn)定性問(wèn)題電感設(shè)計(jì)(AP法)56Vi36VPomax125WFs50kHzDmax0.5AP法：由功率算磁芯參數(shù)的方法電感設(shè)計(jì)(AP法)57

電感設(shè)計(jì)(AP法)58

電感設(shè)計(jì)(AP法)59

2.6磁性元件設(shè)計(jì)電力電子裝置中大量的使用磁性元件，大到高壓直流輸電中的直流平波電抗器、交流濾波電感，小到開(kāi)關(guān)電源中的高頻變壓器、共模電感等。這些元件雖然體積、電壓等級(jí)等不同，但是設(shè)計(jì)過(guò)程基本相似：電感或變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)磁性材料選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1前言602.6磁性元件設(shè)計(jì)平波電抗器的參數(shù)設(shè)計(jì)是個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，不同的應(yīng)用計(jì)算方法不同，需要考慮的因素也很多。高壓直流輸電是整流電路應(yīng)用的一個(gè)典型例子，下面以此為例介紹直流側(cè)平波電抗器參數(shù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中主要考慮以下限制因素：限制故障電流上升率，防止直流低負(fù)荷時(shí)的電流斷續(xù)，平抑直流電流的紋波，防止直流輸電系統(tǒng)發(fā)生低頻諧振(50Hz,100Hz,…)。2整流電路平波電抗器設(shè)計(jì)612.6磁性元件設(shè)計(jì)防止直流低負(fù)荷時(shí)的電流斷續(xù)針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)，計(jì)算公式略有不同，例如十二脈動(dòng)換流器的保證電流連續(xù)的最小電感量可用下面公式估算：其中：臨界電流；最小直流電壓。注：整流和逆變端計(jì)算得到的參數(shù)不一致，按照最大配置。2整流電路平波電抗器設(shè)計(jì)62限制故障電流上升根據(jù)此條件決定的平抗電感值簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下：其中：直流電壓下降，一般取六脈動(dòng)整流輸出電壓；

不發(fā)生換向失敗所容許的直流電流增量，其計(jì)算公式為：

2.6磁性元件設(shè)計(jì)2整流電路平波電抗器設(shè)計(jì)632.6磁性元件設(shè)計(jì)其中：為換流變閥側(cè)兩相短路電流的幅值

β為逆變器的超前觸發(fā)角

根據(jù)以上計(jì)算選擇的參數(shù)基本上可以滿(mǎn)足限制紋波電流的要求，但是最終選擇電感參數(shù)還要和直流濾波器進(jìn)行幅頻特性校核，防止低頻分量的諧振。2整流電路平波電抗器設(shè)計(jì)642.6磁性元件設(shè)計(jì)斬波器在開(kāi)關(guān)電源、直流調(diào)速等設(shè)備中應(yīng)用較多。設(shè)計(jì)中主要考慮以下相關(guān)因素：功率、電壓、額定電流開(kāi)關(guān)頻率斬波電路類(lèi)型(升壓、降壓、升降壓)以降壓斬波為例介紹：3斬波電路電感設(shè)計(jì)65

電路外特性基本假設(shè)：器件理想特性，不考慮分布參數(shù)直流電容足夠大，直壓沒(méi)有波動(dòng)輸出濾波電感足夠大，電流近似線(xiàn)性變化66電流連續(xù)狀態(tài)(CCM)