电力电子装置件中的电磁器件与电磁兼容性

高等电力电子技术AdvancedPowerElectronics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8.28.38.48.5电力电子装置中的电磁兼容问题高等电力电子技术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（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BH8.2.1磁性材料的特性高等电力电子技术maxμmax8.0μ1γcTmax2.0μμ4、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Tc8.2.1磁性材料的特性高等电力电子技术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0~Hm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，铁心的励磁磁场强度在Hdc±△H/2之间变化。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6.空心电抗器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3~4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8.3.1变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10101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，8000～63000kVA称为大型变压器，90000kVA及以上的称为特大型变压器。10108.3.1变压器设计高等电力电子技术其中：β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，昀后再进行线圈计算。(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：3ZZd(π)DSkk8.3.1变压器设计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0.30～0.35mm的硅钢片叠成，片上涂上绝缘漆，以避免片间短路；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昀简单的一种，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、低电压的线圈；4）110～550kV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(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(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1）给定条件包括：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δ、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αT；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）昀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“昀低价格设计”；在地面上的移动设备应该按“昀小重量设计”；在便携式设备中，应该按“昀小体积”设计；2）偏离极值的影响。体积、重量和价格的变化都是极为缓慢的，因此在偏离极小值时，体积、重量和价格上升的数量都很小，因此设计时需要考虑允许有所偏离的范围；3)硅钢片厚度与柱片宽度之比的大小，决定着铁芯的截面情况。当k1=1时，铁芯截面是正方形的；当k1=2时，铁芯截面是矩形的。所以当对变压器的形状有所要求时就要考虑这方面的问题了。4）窗口高度与宽度之比的大小，决定着窗口的形状，其值越大，窗口就越高，这也关系到变压器的形状问题，在设计中者也是要考虑的问题之一。5）硅钢片材质的影响。冷轧硅钢片的磁感应强度可以比热轧硅钢片的磁感应强度去的大些，但是，冷轧硅钢片的价格要贵些，因此，在考虑变压器的成本时，要考虑材料的选取。8.3.1变压器设计高等电力电子技术8.3.2电抗器设计本部分主要针对饱和电抗器、平波电抗器、均流电抗器和空心电抗器的一般设计原则，该设计原则也适用于其他类型的电抗器的设计。1.饱和电抗器设计在设计饱和电抗器时，首先要确定调节深度的昀大值△Udmax这和整流设备所要求的外特性有关，如下图：高等电力电子技术OmindUd_|LUUd|LUUdUNdUdmind|UINdIdIdmaxU|LdUUdmind|UINNddIU、Xe：电源电压昀大时整流设