第2章-共性问题-磁设计

1、电力电子装置及系统设计电力电子装置及系统设计 Dr. HUANG Meng （黄萌） School of Electrical Engineering, Wuhan University Design of Power Electronic Devices and Systems2 电力电子装置及系统的共性问题 1.主要电力电子器件及其驱动技术 2.电力电子器件的串并联使用 3.电力电子器件的保护和缓冲电路 4.电力电子器件散热技术及其设计方法 5.电力电子装置中磁性元件及其设计方法 6.电力电子装置的性能指标 基本磁理论 1. 理论知识点回顾 2. 变压器建模 3. 损耗机理 4. 线圈的涡

2、流效应 5. 几种基本元件 Design of Power Electronic Devices and Systems3 基本物理量之间的关系 Design of Power Electronic Devices and Systems4 基本物理量 Design of Power Electronic Devices and Systems5 磁物理量电物理量 磁场强度H和磁动势F 磁场中x1点和x2点之间的磁动势Magnetomotive force (MMF) F 是 与电场E中的电动势即电压V类比 Design of Power Electronic Devices and Syst

3、ems6 磁通密度B和总磁通 通过某个区域Ac的总磁通与磁通密度的关系是 Design of Power Electronic Devices and Systems7 法拉第电磁感应定律 任任何封闭电路中感应电动势的大小，等于穿过这一电路磁何封闭电路中感应电动势的大小，等于穿过这一电路磁 通量的变化率通量的变化率。 对于磁通分布一致的区域 Design of Power Electronic Devices and Systems8 楞次定律 由由于磁通量的改变而产生的感应电流，其方向为抵抗磁通于磁通量的改变而产生的感应电流，其方向为抵抗磁通 量改变的方向量改变的方向。 Design of

4、Power Electronic Devices and Systems9 安培定律 在稳恒磁场中，磁场强度在稳恒磁场中，磁场强度H沿任何闭合路径的线积分，等于沿任何闭合路径的线积分，等于 这闭合路径所包围的各个电流之代数和。这闭合路径所包围的各个电流之代数和。 Design of Power Electronic Devices and Systems10 安培定律 为磁场强度H和线圈电流i建立联系 可以从电流i来看磁动势MMF 磁芯的总磁动势MMF等于线圈的MMF Design of Power Electronic Devices and Systems11 磁芯材料特性：B与H之间的关

5、系 Design of Power Electronic Devices and Systems12 磁化曲线：真空中 v.s. 磁性材料中 非线性，迟滞和饱和现象 Typical Bsat = 0.3 to 0.5T, 铁氧体 0.5 to 1T, 铁粉芯 1 to 2T, 硅钢片 电特性 利用之前的公式： Design of Power Electronic Devices and Systems13 饱和意味着短路！饱和意味着短路！ 磁路(Magnetic circuits) 磁通平均分布在正方形截面磁芯内 两端之间的MMF 考虑 类比电阻得到磁阻 Design of Power Ele

6、ctronic Devices and Systems14 气隙的影响 Design of Power Electronic Devices and Systems15 消去Phi 气隙的影响 Design of Power Electronic Devices and Systems16 减低电感量 增加饱和电流 减弱电感量与磁芯磁导率的 依赖关系（斜率变小） 变压器模型 Design of Power Electronic Devices and Systems17 理想变压器磁阻趋近于0： 激磁电感 非理想变压器，磁阻不为0 写成电感的形式： Design of Power Electr

7、onic Devices and Systems18 漏感 Design of Power Electronic Devices and Systems19 变压器整体模型 Design of Power Electronic Devices and Systems20 端口方程： 互感： 互感系数： 损耗机制 低频损耗： DC 铜损 铁损：迟滞损耗 高频损耗： 涡流损耗 高频铜损： 趋肤效应 Design of Power Electronic Devices and Systems21 铁损的计算 能量用电压电流表示： 改用B、H表示 Design of Power Electronic

8、Devices and Systems22 铁损的计算 积分即为BH曲线包围的面积： Design of Power Electronic Devices and Systems23 (周期内能量损耗) = (磁芯体积) (B-H曲线面积) 正比于频率 涡流损耗 变化的磁通产生涡流 Design of Power Electronic Devices and Systems24 涡流损耗 涡流损耗 Design of Power Electronic Devices and Systems25 硅钢片 铁粉芯 铁氧体 绕组中的涡流效应 Design of Power Electronic De

9、vices and Systems26 当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，且 电流集中在导体的“皮肤”部分的一种现象。导线内部实际上电流变小， 电流集中在导线外表的薄层。 穿透深度 电流密度越靠近导线中心越小 Design of Power Electronic Devices and Systems27 邻近效应 邻近效应当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一 个往复导体中流动时，电流会集中于导体邻近侧流动的一 种特殊的物理现象。 Design of Power Electronic Devices and Systems28 例子：两绕组变压器 趋肤效应让电流集中

10、于导线表面 趋肤电流引起“隔壁”导线的邻近 效应 邻近效应的电流在导线另一侧引起 额外的主电流 随着层数增加而增大 Design of Power Electronic Devices and Systems29 绕组中的漏感 一个简单两绕组变压器： 电流按照如图方向 Design of Power Electronic Devices and Systems30 通过磁芯耦合的磁通占主 要部分 邻近效应引起空间中的磁 场，没有耦合到次级 最里层的漏感回路围绕第一层的 导线 包含4根导线，电流为4i(t) 下一条漏感回路，围绕一、二层 导线，8i(t) 第三条漏感回路，围绕原边导线 及副边第二

11、层导线。 总的漏感4i(t) Design of Power Electronic Devices and Systems31 磁动势示意图 Design of Power Electronic Devices and Systems32 磁动势：中间最强 三层导线分布 Design of Power Electronic Devices and Systems33 有邻近效应的情况 邻近效应引起额外的电流，将导线所处的空间中的磁场抵 消掉 MMF分布于导线之间的空隙 Design of Power Electronic Devices and Systems34 交错绕线：减小MMF的最大值

12、，减小漏感，减小邻近效应 引起的损耗 采用铜皮 采用利兹线（多股细漆包线，绞线） Design of Power Electronic Devices and Systems35 滤波电感 Design of Power Electronic Devices and Systems36 加入气隙Rg以抗饱和 AC滤波电感 Design of Power Electronic Devices and Systems37 损耗较大 其他类型 变压器 耦合线圈 Design of Power Electronic Devices and Systems38 常用磁芯结构 EE：窗口大，散热好，结构规

13、则 / 电磁屏蔽性能较差 ETD：窗口大，散热好，磁芯截面积大，绕线少铜损小 EI：与EE类似 适用：较大功率开关电源，驱动变压器等 Design of Power Electronic Devices and Systems39 常用磁芯结构 U：窗口大，适用于大功率 罐型：结合面积大，漏感小/窗口小，适用于小功率高屏蔽 环型：闭合磁路，漏磁小，绕线困难 Design of Power Electronic Devices and Systems40 电感设计Kg法 目标： 电感值 最大电流下不饱和 阻抗R引起铜损不能太大 CCM Buck Design of Power Electroni

14、c Devices and Systems41 限制条件1：最大磁通密度 若绕组电流最大值为Imax, 列磁路方程 Design of Power Electronic Devices and Systems42 限制条件2：电感量 设计的主要考虑是电感量，对于电路来说是敏感参数 Design of Power Electronic Devices and Systems43 限制条件3：窗口大小 N圈绕组总面积： 窗口系数Ku Design of Power Electronic Devices and Systems44 窗口系数Ku 窗口系数应该比1小，决定它取值大小的基本考虑如下： 绕

15、线时，圆柱的导线难以完美的贴合在一起，Ku需要乘以系数0.7- 0.55 导线间往往加一些隔离措施，Ku进一步乘以系数0.95-0.65 骨架占用体积 Ku典型值： 0.5 for simple low-voltage inductor 0.25 to 0.3 for off-line transformer 0.05 to 0.2 for high-voltage transformer (multiple kV) 0.65 for low-voltage foil-winding inductor Design of Power Electronic Devices and Systems

16、45 限制条件4：阻抗 线圈阻抗： 式中lb为导线长度，可以计算为每圈平均长度（MLT）的倍 数 Design of Power Electronic Devices and Systems46 设计公式 Design of Power Electronic Devices and Systems47 消去待定的n, lg, Aw，得到： 定义Kg为磁芯几何系数： 设计参数对结果的影响 如用小的磁芯： Bmax，选用高导磁材料 R，容许稍大的损耗 如想得到宽的设计选择裕度（大Kg） 大直径的磁芯Ac 大窗口（WA） Design of Power Electronic Devices and

17、Systems48 Boost电感设计 Design of Power Electronic Devices and Systems49 1）电感的选择 电感器感值的选取满足公式： () outin Ls VVD L rI f 开关频率10 kHz，电感电流平均值约13.33 A，纹波系数r此处取经验值30%，即0.3 。并网后，输出电压为500 V，入网电流为8 A。 3 (V)D(500288) 0.424 2.25 0.3 13.33 10 10 outin Ls V LmH rI f 电感设计 根据L=3 mH，最大峰值电流20 A 来设计电感器，假定绕组 电阻为R，线路损耗则为 De

18、sign of Power Electronic Devices and Systems50 2 curms PIR 电感设计 Design of Power Electronic Devices and Systems51 电感设计 Kg的选择 Design of Power Electronic Devices and Systems52 电感设计 可以发现由于电感量较大，此Kg值远超常规磁芯元件的参考参数范围，需要特 殊设计。设计时可以采用更大体积的磁芯元件，或者采用饱和磁感强度更大的 材料。 Design of Power Electronic Devices and Systems5

19、3 电感设计(AP法) 54 ,11 (1) 2 p is o critical sp N VT IDD NL 若输出最小电流大于临界电流，则CCM，此时电感需满足： ,omino critical II 2222 11 22 isis p oominomin V D TV D T L V IP 全功率范围都保持CCM输出是不可能的，可以设置一个CCM模 式功率输出的最小值，考虑额定功率的10%-30%。 电感设计(AP法) 55 ,11 (1) 2 p is o critical sp N VT IDD NL 若输出最大电流小于临界电流，则DCM，此时电感需满足： 全功率范围都保持DCM是可

20、行的。 由于最大功率比最小功率大很多，因此DCM的电感值要小很多。 由于DCM更容易稳定，对于微型逆变器来说，选择CCM也是可 行的，在小输出功率时进入DCM也不至于引起稳定性问题 22 1 max 2 is p o V D T L P 电感设计(AP法) 56 22 1 max 25 2 is p o V D T P HL Vi36 V Pomax125 W Fs50 kHz Dmax0.5 AP法：由功率算磁芯参数的方法 电感设计(AP法) 57 电感设计(AP法) 58 电感设计(AP法) 59 2.6 磁性元件设计磁性元件设计 电力电子装置中大量的使用磁性元件，大到高压直流输电中 的直

21、流平波电抗器、交流滤波电感，小到开关电源中的高 频变压器、共模电感等。这些元件虽然体积、电压等级等 不同，但是设计过程基本相似： 电感或变压器参数设计 磁性材料选择 结构设计 1 前言 60 2.6 磁性元件设计磁性元件设计 平波电抗器的参数设计是个比较复杂的过程，不同的应用计 算方法不同，需要考虑的因素也很多。 高压直流输电是整流电路应用的一个典型例子，下面以此为 例介绍直流侧平波电抗器参数设计。设计中主要考虑以下 限制因素： 限制故障电流上升率， 防止直流低负荷时的电流断续， 平抑直流电流的纹波， 防止直流输电系统发生低频谐振(50Hz, 100Hz, )。 2 整流电路平波电抗器设计 6

22、1 2.6 磁性元件设计磁性元件设计 dto U 防止直流低负荷时的电流断续 针对不同的结构，计算公式略有不同，例如十二脉动换流器 的保证电流连续的最小电感量可用下面公式估算： 其中： 临界电流； 最小直流电压。 注：整流和逆变端计算得到的参数不一致，按照最大配置。 2 整流电路平波电抗器设计 20.023sin dio d dp U I L dp I 62 限制故障电流上升 根据此条件决定的平抗电感值简化计算公式如下： 其中： 直流电压下降，一般取六脉动整流输出电压； 不发生换向失败所容许的直流电流增量，其计算 公式为： 2.6 磁性元件设计磁性元件设计 d I 2 整流电路平波电抗器设计

23、d U (1) 360 ddmin d dd UU Lt IIf 2 2coscos(1 )2 dsmind o n III 63 2.6 磁性元件设计磁性元件设计 其中： 为换流变阀侧两相短路电流的幅值 为逆变器的超前触发角 根据以上计算选择的参数基本上可以满足限制纹波电流的要 求，但是最终选择电感参数还要和直流滤波器进行幅频特 性校核，防止低频分量的谐振。 2 整流电路平波电抗器设计 2s I 64 2.6 磁性元件设计磁性元件设计 斩波器在开关电源、直流调速等设备中应用较多。设计中主 要考虑以下相关因素： 功率、电压、额定电流 开关频率 斩波电路类型(升压、降压、升降压) 以降压斩波为例

24、介绍： 3 斩波电路电感设计 65 电路外特性 基本假设： 器件理想特性，不考虑分布参数 直流电容足够大，直压没有波动 输出滤波电感足够大，电流近似线性变化 66 电流连续状态(CCM) r0=0(稳态) )( )( 1 1 截止 开通 VTU VTUU U d L 1011 )1 ()(TUDTUDDTUUd 0 1 0 T LL dtu T U do DUUU 1 D U U A d V 1 67 R00 (稳态) LLo uiruu 01 )( 1Looodooo IIIrDUIrUU d oo d U Ir D U U 1 68 临界连续电流：电感 电流最小值为零时对应的负 荷电路平均

25、值。 oc I 2 I II oLM o d o o o L TDDU TD L U TD L U I 0 00 1 o d oLM L TDDU II 2 0 o d oc L TDDU I 2 0 o d ocm L TU I 8 DD I I ocm oc 0 4 69 电动机负载(CCM) nCIrDUIrUE eoodoooM e d d oo C U n U Ir D n n 0 0 ; 电机自然空转转速： 直流电机负载电路外特性和 图22相似 0 n 70 电流断续状态(DCM) 电流断续期间靠电容 储能维持负荷电流， 假定直压稳定 电容一个周期中储能 平衡 电感一个周期中储能 平衡 )( 2 1 TDDITI pLmo 11) (TUDDTUU