电力电子技术第2章 器件

§2.1电容器§2.2磁学基本概念§2.3磁性材料的基本特性§2.4铁芯材料及形状§2.5线圈骨架及铁芯窗口§2.6电感§2.7变压器第2章器件返回§2.1电容器1、电容的基本概念电容是表征两个导体间的电介质在单位电压作用下，储藏电场电量（电荷）能力的参量，用符号C表示。电容的单位是法拉。电容在电路中除了能储存电场能量外，在直流电路中，起隔离直流的作用。在交流电路中，容抗随电源的频率升高而减小，同时电容上的电压不能突变。单位有法拉(F)、毫法(mF)、微法(uF)、纳法（nF）、皮法（pF）。电容器是电力电子变换器中的重要器件，虽然它的大小形状不一，种类繁多，但是就其构造来说多数都是由两块彼此靠近的金属薄片（或金属膜）构成电极，中间隔一电介质。电容的大小不仅与两导体极板的形状有关，还与极板间的电介质有关。平板电容器如图2-1所示，设极板面积为s，极板之间距离为d，极板之间充满相对介电常数为的电介质，如果极板所带电荷为q，则电场强度大小电容器的电荷与电容器两端的电压之比称之为电容dab++++++------E图2-1平板电容器实际的电容器是有损耗的，下图示出了实际电容器的两种等效电路，为电介质漏电阻(dielectricleakageresistance)，为等效串联电阻（equivalentseriesresistance:ESR）。（a）串联等效电路（b）并联等效电路图2-2电容器的两种等效电路（b）串联等效电路电压、电流矢量图图2-3（a）串联等效电路(b)电压、电流矢量图pRsR等效的串联电阻在电容器中必定要损耗一部分功率，定义在规定频率的正弦电压下，电容器所损耗的有功功率与无功功率的比值称为损耗角正切，对于串联等效电路为损耗角，对于电容来说，要求愈小愈好，也就是损耗正切越小越好。图2-3为电容器串联等效电路和电压、电流矢量图，其中为损耗角。电容器的额定工作电压称为耐压，指在规定的工作温度范围内电容器能够长时间可靠地工作的最大直流电压（或最大交流电压的有效值）。电容损坏主要有：电击穿，加在电介质上的电压使电介质微观结构遭到破坏导致出现很大的传导电流而使两极短路；热击穿，电介质在长期工作时产生的热量大于散出的热量，使介质热崩溃，通常发生在高频、高压下；老化击穿，电介质在电场长期作用以及外界因素的促使下，电介质老化，电性能明显下降的现象。电容器的漏电流，是指对电容器施加直流电压，充电电流随时间增加而降到某恒定的数值，这个电流称为电容器的漏电流，表征电容器的绝缘质量。2、电容器的分类按用途分类可分为：直流电容器。用于直流电压下工作，如有极性的电解电容，大多数固定电容；交流电容器。用于给定频率范围内的电路；脉冲电容器。用于脉冲工作条件下间歇充放电。按电容器的介质不同分类可分为：固体有机介质电容器。用有机薄膜为介质材料制成的电容器，这种电容器多是卷绕式结构，其电极有金属箔电极和金属化电极两种。固体无机介质电容器。用固体无机介质制成的电容器，如云母电容器、陶瓷电容器、玻璃釉电容器等。电解电容。气体介质电容器。电解电容。电解电容的工作介质是在一些金属（铝、钽、铌、钛、钽-铌合金型）表面上形成一层极薄的金属氧化膜，此层氧化膜介质完全与组成电容器的电极（阳极，正极）是不可分离的整体，不能单独存在。电容器的阴极并非金属，而是所谓“电解质”（注意不是电介质），它可以是液体，也可以是糊状、凝胶或者是固体，电解质是电解电容器中最重要的材料之一，它起到电解电容器阴极的功能，它使电容器在工作过程中具有自愈能力，为了使阴极与外界电路连接，又以另一金属与电解质相接触，这就是电容器接入电路时的负极，当电解电容器在工作和储存过程中，由于某些原因阳极氧化膜局部受到损坏，使电容器的漏电流增大，此时在外加电压的作用下，非固体电解质放出氧，在氧化膜破坏处重新形成氧化膜，起到自行修补作用，而使电解电容器恢复其正常工作能力。按正极的金属材料和形状可分铝、钽、铌、钛、钽-铌合金型，以及箔式、烧结式等；电解电容器在电路中主要起滤波、旁路、耦合、隔直流、贮能等作用。需要指出的是，用于整流滤波的电解电容在选用时，不仅仅要考虑电容的容量，还要考虑电容的充放电电流。电解电容的主要特点是单位体积内所具有的电容量特别大，工作电压越低这一特点越突出，特别适宜于小型化应用，用单位体积内所具有的电容量和工作电压乘积来表示。电解电容的另一特点是损耗正切较大，容易老化，性能可靠性逐年下降，特别是长期储存不用，突然加上额定电压，最容易导致电解电容失效甚至爆炸，钽电容不存在这个问题，长时间储存后可以随时使用。用于整流滤波的电解电容在选用时，不仅仅要考虑电容的容量，还要考虑电容的充放电电流。电解电容损耗正切较大，容易老化，性能可靠性逐年下降，特别是长期储存不用，突然加上额定电压，最容易导致电解电容失效甚至爆炸，钽电容不存在这个问题，长时间储存后可以随时使用。按电容器在电路中所起的功能分类可分为：调谐电容器，隔直流电容器，旁路（去耦）电容器，滤波电容器，计时电容器。用于高频旁路的电容有陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、涤纶电容器、玻璃釉电容器；用于低频旁路的电容有纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器；用于滤波的电容有铝电解电容器、纸介电容器、复合纸介电容器、液体钽电容器；用于调谐的电容有陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、聚苯乙烯电容器；返回电解电容图片贴片电容、云母电容、独石电容钽电容§2.2磁学基本概念1、磁感应强度或磁通密度：为了定量地表示磁场中某一点的磁性的大小和方向，用磁感应强度表示，其度量可用载流导体在磁场中所受力的大小来衡量。设在载流导体l1（电流为I）周围某点处，放置另一长度为l2载流导体，在内通一小电流i，p点的磁场方向按右手螺旋法则确定。载流导体受到磁场（由于在内通的电流较小，可以认为磁场只由载流导体产生）的作用力可由左手定则确定：将左手伸直，让磁场的方向穿过手心，四指指向电流方向，则拇指所指方向为载流导体的受力方向。磁场对载流导体的作用力示意图如图2-4所示。图2-4磁场对载流体的作用力示意图我们用单位长度（米）的导体流过单位量电流（安培）在该点所受的力的大小来衡量该点磁场的大小，即磁感应强度若和的方向不是正好垂直，而是有一夹角，则显然当l与B平行时，就不会有作用力。为了形象地表示磁场，可以把磁场用磁力线的分布来描述，那么在每一点上磁力线的密度（单位面积上穿过磁力线数）就等于磁感应强度，而的方向就是磁力线的切线方向，因此也可以称为磁通密度或磁力线密度(Themagneticfluxdensity)。2、磁通设在磁场内某点的磁感应强度为，在与B垂直方向上取一个微小面积，则在此面积内的磁力线总数称为磁通(Themagneticflux)换句话说，磁通就是穿过某截面的磁力线总数，亦称为磁通量，也可以说磁通就是磁感应强度的面积分。以Ф表示，单位为韦伯（Wb）。我们可以用磁通定义磁感应强度（磁通密度）：垂直于磁力线的方向上单位面积的磁通量3、磁场强度由于历史上的习惯，用以表示磁场强弱的物理量并不称为“磁场强度”，却称为“磁感应强度”。磁场是由电流产生的，因此磁场内各点的磁感应强度B与电流有关；我们还发现B不仅和电流有关，还和所处空间的介质有关，即同样的电流如果处在不同的介质中，在同一个位置值B是不相同的。为了计算方便，我们引用了另一个辅助的物理量——磁场强度H，即认为H是一个与介质无关而仅与电流有关的量，这样就可以不受介质的影响，只根据电流的大小、位置和线圈的形状计算出空间某点的值，然后按照不同的介质计算出来。显然H只是一个辅助计算量，把它叫做磁场强度，但它的实际意义却不能代表实际磁场的强度，而真正能够反映磁场强度的量确是磁感应强度B。磁场强度和磁感应强度的关系其中称为介质的导磁系数或磁导率（permeability），它与介质有关。4、磁场连续性定律假设某一封闭曲面包围磁路的某一部分，则穿过曲面而进入被包围的这一部分磁路的磁通的代数和为零，这就是磁路第一定律。磁路第一定律是磁通连续性的反映。对于图2-5所示的磁路，忽略漏磁通的作用，作一个封闭曲面，由磁通的连续性原理，可以得到图2-5磁通连续性5、全电流定律全电流定律也称为安培环路定理，全电流定律是用以确定电流和磁场强度之间关系的重要定律。设空间有N根载流体，环绕载流体的任意磁通闭合回路中，磁场强度的切向分量沿该回路的线积分等于该回路所包围的电流代数和，即图2-6安培环路定理下面以直导线和环形螺旋管为例，说明全电流定理的应用。设直导线无限长，通以电流I，在与直导线垂直的一个平面上，以导线为圆心，以为半径x作一圆，并沿这个圆周作为积分路径，按顺时针方向求线积分，按全电流定律，此圆周上各点的磁场强度的线积分应等于此闭合曲线所包围的电流。假设此无限长载流体是孤立的，所以它周围的磁力线都是同心圆，因此圆周上任一点的磁场强度的方向都是在切线方向上，换句话说，所取的积分路径正好在一条磁力线上，所以沿圆周各点的可以看作常数，即上式表明，直导线周围任意点的磁场强度与距离成反比。设有一个环形的螺旋管，具有方形的截面，均匀缠绕着匝线圈，若线圈通上电流，由于对称的关系，在螺旋管截面上的磁力线都是同心圆，并且在任意根磁力线上各点的磁场强度都相等，且方向都是切线方向，如图2-7所示。IM2M1图2-7螺旋管磁力线我们在在螺旋管截面上，取半径为r一条磁力线作为积分路径，根据全电流定律，有设环的平均半径为R，且环的宽度与相比很小时，可以认为在圆环截面上各点的磁场强度相同，即按平均半径计算值如果积分路径取圆环内腔中某圆，或取圆环外圆作为积分路径，则它们所包围的电流代数和均为零。即，这说明在环的内腔和外面，都没有磁场存在，即是说圆环螺旋线所产生的磁场全部集中在螺旋管内部截面上。称NI为磁路的磁动势，简称磁势。6、电磁感应定理（法拉弟定理：Faraday’slaw）线圈中的磁通量发生变化时，在该线圈中将产生与磁通变化率成正比的电动势，若线圈匝数为，则磁通是时间t和线圈对磁场相对位移x的函数：写成全微分形式若，则为变压器电势。变压器工作原理就是线圈位置不动,而通过线圈的磁通量对时间发生变化。称为磁链，若则v称为速度电势，电机工作原理就是磁场的大小及分布不变，仅靠磁场和线圈有相对位移来产生变化磁通和感应电势进行能量变换。deNdtN(,)ftxddxeNNdttxdt0dxdtbdeNNdtdtN0tvdxeNNvxdtx返回§2.3磁性材料的基本特性1、磁化曲线物质的磁化需要外磁场，相对外磁场而言，被磁化的物质称为磁介质。将铁磁物质放到磁场中，磁感应强度显著增大，磁场使得铁磁物质呈现磁性的现象称为铁磁物质的磁化。铁磁物质之所以能被磁化，是因为这类物质不同于其它物质，在其内部有许多自发磁化的小区域—磁畴。在没有外磁场作用时，这些磁畴排列的方向是杂乱无章的，如图2-8(a)所示，小磁畴间的磁场是相互抵消的，对外不呈现磁性。如给磁性材料加外磁场，材料中的磁畴顺着磁场方向转动，加强了材料内的磁场。随着外磁场加强，转到外磁场方向的磁畴就越来越多，与外磁场同向的磁感应强度就越强，如图2-8(b)所示，这就是说材料被磁化了。(a)(b)图2-8(a)未磁化时的磁畴排列(b)被磁化时的磁畴排列如将完全无磁的铁磁物质进行磁化，把磁场强度从零逐渐增加，测量铁磁物质的磁通密度，得到磁通密度和磁场强度之间关系，并用曲线表示，称该曲线为磁化曲线。从材料的零磁化状态磁化到饱和的磁化曲线通常称为初始磁化曲线。如果将铁磁物质沿磁化曲线OS由完全去磁状态磁化到饱和Bs,此时如将外磁场H减小，B值将不再按照原来的初始磁化曲线(OS)减小，而是更加缓慢地减小，这是因为发生刚性转动的磁畴保留了外磁场方向。即使外