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1、2020/1/29,1,第5章 电力电子技术中的磁问题,2020/1/29,5.1 电磁学基本知识,电荷量为q，其运动速度为v，电荷受到的场作用力F。B的单位为特斯拉（T）,在物理学和工程技术上，为了形象地说明问题，经常用一些虚拟的曲线磁力线，磁力线的疏密表示磁场的强弱，在某一截面上，这些磁力线的数量叫做磁通其单位为韦伯（Wb）。,如果所观察的截面中磁感应强度是均匀的，即B为常数，则有,磁感应强度B,磁通,2020/1/29,5.1 电磁学基本知识,衡量电流在某点引起的磁场强度的物理量叫做磁场强度H。如果在磁场中沿一个闭合回路l积分，闭合回路中包裹的导线数为N，每根导线中的电流强度为I，根据麦
2、克斯韦方程，它们的关系为，H的单位为A/m。,最常见的研究对象是在一个截面处处均匀的磁路中绕有一定匝数的线圈，如右图，此时有,磁场强度H,2020/1/29,5.1 电磁学基本知识,磁感应强度和磁场强度的比值为磁导率,对于铁磁性材料，磁导率一般不是一个常数，随磁场强度的变化而变化，因此磁感应强度B也随磁场强度变化。,磁导率,2020/1/29,5.1 电磁学基本知识,2020/1/29,5.1 电磁学基本知识,磁滞回线,2020/1/29,5.1 电磁学基本知识,居里温度TC,2020/1/29,5.2 电力电子设备中磁元件的工作情况,2020/1/29,5.2 电力电子设备中磁元件的工作情况
3、,2020/1/29,5.2 电力电子设备中磁元件的工作情况,2020/1/29,5.2 电力电子设备中磁元件的工作情况,2020/1/29,12,5.3 高频变压器的分析与计算,2020/1/29,5.3.1 单端正激输出变压器的分析计算,电力电子开关S是单向的，与初级绕组Np串联；次级绕组Ns与整流二极管VD1相串联，将变换后的电能整流后输出给负载；Ni是消磁绕组，将S关断后磁路中储存的剩余电能回馈给电源。单端正激式电路的输出变压器的工作模式属于电流单方向变化的情况，B-H的运动轨迹在第一象限。,2020/1/29,5.3.1 单端正激输出变压器的分析计算,2020/1/29,5.3.1
4、单端正激输出变压器的分析计算,2020/1/29,5.3.1 单端正激输出变压器的分析计算,由于次级绕组NS与初级绕组NP为同一磁路，所以在电子开关闭合时，NS与NP的端电压符合变比关系，即,次级绕组两端的电压为脉冲形式，占空比为D，经二极管整流后，电压平均值也就是输出电压UO应再乘以D。多数单端式直流变换器为降压型，输出电压比较低，这样就不能忽略整流二极管的直流压降UD。根据上述原则，次级绕组由下式计算,消磁绕组电压与初级绕组一样，其匝数与初级绕组也应相同,2020/1/29,5.3.1 单端正激输出变压器的分析计算,首先计算初级绕组的电流。初级绕组的电流平均值与电源电压Ui的乘积就是输入功
5、率Pi，但初级电流是不断变化的，即使在S导通期间，电流也是从小到大线性增长的，所以初级最大电流IP要比初级平均电流大。而确定导线的直径或截面积要根据最大电流，由于材料、功率、频率等因素的差异，精确地计算初级电流最大值有一定的难度。通常计算的方法是在平均电流的基础上再除以一个小于1的系数KT，根据经验，可取KT=0.707。,对于铜质导线，可选最大电流密度Jm=4A/mm2。这样初级绕组导线的截面积SP由下式确定,2020/1/29,5.3.1 单端正激输出变压器的分析计算,为了克服集肤效应的不良影响，通常对工作频率较高的变压器绕组采用多股并绕的方法，设初级绕组的股数为GP，则每股导线的直径dP
6、为,类似地，次级绕组的导线截面积SS、直径dS分别为,消磁绕组的匝数与初级绕组相同，不必多股并绕，只确定其导线直径和截面积。当电子开关关断后，消磁绕组中流过的电流为激磁电流，这个电流通常在初级总电流的5%到10%范围，导线截面积Si和导线直径di分别为,2020/1/29,5.3.2 单端反激输出变压器的分析计算,2020/1/29,5.3.2 单端反激输出变压器的分析计算,2020/1/29,5.3.2 单端反激输出变压器的分析计算,2020/1/29,5.3.2 单端反激输出变压器的分析计算,（cm）,2020/1/29,5.3.2 单端反激输出变压器的分析计算,初级绕组的匝数为NP，电流
7、为IP，设磁路长度为l，磁场强度为H。如果磁路各点的导磁率相等，有NP IP=l H= lB/。但是加入气隙后，气隙中的导磁率要比其它部位大得多，方程变为,将最大磁场强度变化量Bm（T）、最大初级电流IPm（A），代入上式，并取lg单位为cm，可得出,2020/1/29,5.3.2 单端反激输出变压器的分析计算,电子开关接通时电路的电压方程为Ui=NPd/dt，认为磁场的变化是线性增长的，在t=DT时，磁通量达到最大值m，则此时方程为,电子开关断开时，整流二极管导通，次级电路的电压方程为US=NSd/dt。由于磁通不能突变，磁通m从开始下降，到t=（1-D）T时下降到0，此瞬间的电压方程为,式
8、中US应包括负载电压UO和二极管导通压降UD。次级匝数的计算公式为,2020/1/29,5.3.2 单端反激输出变压器的分析计算,2020/1/29,5.3.3 纯交流变压器的分析计算,2020/1/29,5.4 滤波电感的分析计算,2020/1/29,5.4 滤波电感的分析计算,2020/1/29,5.4 滤波电感的分析计算,2020/1/29,5.4 滤波电感的分析计算,2020/1/29,5.4 滤波电感的分析计算,2020/1/29,5.4 滤波电感的分析计算,由于滤波电感在工作中电流有一个较大的直流成分，很容易引起磁路的饱和，所以电感的磁路一般都加入气隙，气隙的长度lg由下式计算,解
9、释如下，由于气隙的磁阻比磁路的其它部位要大得多，可认为整个磁场能量都集中在气隙部分。磁路的截面积为SC，气隙长度为lg，其体积V=SClg，总的磁场能量为,另一方面，磁场能量也可以表示为,2020/1/29,5.5 整流变压器分析计算,2020/1/29,5.5 整流变压器分析计算,2020/1/29,5.5.1 整流变压器分析计算,2020/1/29,5.5 整流变压器分析计算,2020/1/29,5.5 整流变压器分析计算,2020/1/29,5.5 整流变压器分析计算,桥式接线时变压器次级绕组电流中没有直流分量，初、次级电流的波形相同，其有效值之比就是变压器的变比Kn。,在半波电路中，变
10、压器的次级电流是单方向的，包含着直流分量Id2和交流分量Ia2，i2= id2+ ia2，而直流成分是不能影响初级电流i1的。i1仅与ia2有关，i1= ia2/Kn。,次级电流中的交流成分有效值为,初级电流与次级交流电流之间成正比关系，为,2020/1/29,5.5 整流变压器分析计算,2020/1/29,5.6 晶闸管变流设备中电抗器参数的计算,1. 以限制输出电流的脉动为目的电感量Lm的计算,2020/1/29,5.6 晶闸管变流设备中电抗器参数的计算,（mH）,2020/1/29,5.6 晶闸管变流设备中电抗器参数的计算,2. 以负载电流连续为目的电感LL的计算,2020/1/29,5.6 晶闸管变流设备中电抗器参数的计算,3. 电动机的电枢电感LD和整流变压器的漏感LB的计算,（mH）,2020/1/29,5.6 晶闸管变流设备中电抗器参数的计算,（mH）,最终,