68411-电力电子技术第11章_电力电子变换器中的磁性元件.pptx

《68411-电力电子技术第11章_电力电子变换器中的磁性元件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《68411-电力电子技术第11章_电力电子变换器中的磁性元件.pptx（33页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、0电力电子技术 Power Electronics电气精品教材丛书“十三五”江苏省高等学校重点教材工业和信息化部“十四五”规划教材第11章 电力电子变换器中的磁性元件2023/12/162023/12/16南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/161目录目录 11.1 磁芯的磁特性和基本的磁物理量 11.2 常用磁性元件 11.3 磁芯的工作状态 11.4 常用磁性材料的性能及选用 11.5 高频变换器与电感的设计南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/162 11.1 磁芯的磁特性和基本的磁物理量 11.1.1 磁滞回线 11.1.2 磁导率 11.1.3 加气隙后磁化

2、曲线的变化 11.1.4 损耗南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/163磁滞回线磁滞回线典型形状磁滞回线矩形回线扁平回线磁滞回线矫顽磁场强度剩余磁感应强度最大磁感应强度南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/164绝对磁导率等效磁导率e 各段磁路和气隙中的 值不同。可用一个等效均匀的环形磁芯的磁导率 e来表示。磁导率磁导率增量磁导率南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/165安培环路定律加气隙后磁场曲线的变化加气隙后磁场曲线的变化加入气隙的环形磁芯加入气隙前后的磁化曲线磁芯、气隙磁场强度加入气隙后等效磁路长度加入气隙后等效磁导率南京航空航天大学电力电子技术课

3、程组2023/12/166损耗损耗磁芯损耗（铁损）磁芯损耗（铁损）磁滞损耗磁滞损耗涡流损耗涡流损耗磁滞回线包围的面积工作频率材料的电阻率工作频率南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/167 11.2 常用磁性元件 11.2.1 自感 11.2.2 互感 11.2.3 变压器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/168自感自感电流减小电流增大电磁感应定律电感总是试图维持电流不变自感系数电感模型南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/169互感互感互感线圈互感模型k=1时，称为全耦合互感耦合系数南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1610变压器空载状

4、态变压器空载状态两线圈变压器结构图简化等效电路图原边绕组Np两端电压副边绕组Ns两端电压原副边电压比变压器匝比原边绕组在up作用下产生感应电势，进而引起电流ip，并产生磁通11。此时的电流 ip称为励磁电流，用im表示，对应的 11称为主磁通。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1611变压器带负载状态变压器带负载状态变压器副边绕组接负载时电路结构图为了维持与空载一样的感应电势所需的磁通变化量 11（11=1-2），必须加大输入电流 ip 以保持励磁磁势 Npim基本不变。将副边绕组与负载连接，副边感应电压将在副边绕组中产生电流 is。is 在副边绕组产生磁通 2，与 ip产生的

5、磁通 1方向相反。当励磁电感很大时，理想情况下无穷大，则励磁电流 im为零。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1612变压器等效电路变压器等效电路考虑漏感考虑励磁电感南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1613 11.3 磁芯的工作状态 11.3.1 第类工作状态（双向磁化）11.3.2 第类工作状态（正激变换器）11.3.3 第类工作状态（直流滤波电感）南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1614磁芯的工作状态磁芯的工作状态第I类工作状态（双向磁化）第类工作状态（正激变换器）第类工作状态（直流滤波电感）正激变换器的变压器脉冲驱动变压器直流脉冲电流互

6、感器推挽变换器、半桥变换器和全桥变换器中的变压器逆变器的交流输出滤波电感桥式变换器中的谐振电感直流滤波电感储能电感或平波电抗器等电感反激变换器中的变压器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1615第第类工作状态（双向磁化）类工作状态（双向磁化）（a）正弦波正弦波纯方波（b）准方波（c）纯方波（d）不对称方波南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1616第第类工作状态（双向磁化）类工作状态（双向磁化）为减少磁芯体积重量，应选取高 Bs的磁性材料。为降低磁芯损耗，应选择磁滞回线窄且电阻率高的材料，或选择较低的 Bm值。为减小励磁电流，应选择磁导率 高的材料。总之，该类工作

7、状态的磁性元件应选择高 Bs、高磁导率 及低损耗的磁性材料。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1617第第类工作状态（正激变换器）类工作状态（正激变换器）磁芯为单向磁化，介于 Bs和 Br之间，B=Bm-Br。为使磁芯不饱和，应取 BmBs。为增大 B，减小磁芯体积，应选择高 Bs、低 Br 的材料；或将磁芯开一小气隙以降低 Br。磁滞回线包围的面积小，因此在相同 Bm情况下，损耗比第 I 类工作状态要小。总之，该类工作状态的磁性元件应选择高 Bs、低 Br、高磁导率 及低损耗的磁性材料。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1618第第类工作状态（直流滤波电感）类

8、工作状态（直流滤波电感）局部磁滞回线包围面积小，因此磁滞损耗小。由于含有较大的直流分量，磁芯容易饱和。为了不使磁芯饱和，磁芯的磁导率不应当太高。如果使用高磁导率磁芯，必须加入气隙以减小磁导率。总之，该类工作状态的磁性元件应选择高 Bs、低磁导率 及低损耗的磁性材料南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1619 11.4 常用磁性材料的性能及选用 11.4.1 铁氧体 11.4.2 磁粉芯 11.4.3 宽恒导磁合金 11.4.4 非晶合金 11.4.5 硅钢片 11.4.6 软磁材料的选用原则南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1620铁氧体铁氧体环型磁芯E型磁芯PQ

9、型磁芯缺点：饱和磁感应强度 Bs 较低，温度稳定性差，Bs随温度升高而下降。居里温度点低，机械强度较差，受压后易裂。优点：电阻率高，高频损耗小，材质和磁芯规格齐全。铁氧体是目前在电力电子变换器中应用最为广泛的材料。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1621磁粉芯磁粉芯磁粉芯中存在大量非磁物质，相当于在磁芯中存在许多分布气隙，因此可用这种磁芯作为电感或反激变压器磁芯。铁粉芯：成分由极细的铁粉和有机材料粘合，成本较低，材质较软，磁芯损耗高。铁硅铝：合金组成成分为铝、硅和铁，损耗较小，材质偏硬。铁镍磁粉芯：由镍和铁组成，成本比铁硅铝高，在所有磁粉芯中饱和磁感应强度最大，磁芯损耗高于铁

10、硅铝，低于铁粉芯。坡莫合金磁粉芯：合金粉末成分为钼、镍和铁，在所有磁粉芯中损耗最低，但饱和磁感应强度也最低，价格昂贵，温度稳定性最好。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1622宽恒导磁合金宽恒导磁合金宽恒导磁合金磁化曲线有高饱和磁感应强度和线性扁平的磁滞回线，可以不用开气隙就能在较宽的磁场强度范围内获得恒定的磁导率。电阻率高，磁芯损耗小。磁导率稳定，设计简便。是作为电感和反激变压器磁芯的理想材料南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1623非晶合金非晶合金具有优良的磁性能，Bs高，矫顽力小，电阻率高，损耗小。铁基：Bs高，但磁芯损耗大，适用于制造中频和工频变压器。铁

11、镍基：中等的 Bs、较低的磁芯损耗和较高的磁导率。钴基：磁导率很高，而矫顽力却很低，Bs较低。超微晶态合金：几乎综合了所有非晶合金的优异性能，高磁导率、高 Bs、低损耗以及良好的温度稳定性。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1624硅钢片硅钢片 Bs高，价格低廉。电阻率较低，涡流损耗大。磁芯损耗取决于钢带的厚度和硅的含量。硅含量越高，钢带越薄，电阻率越大，则损耗越小。工作频率高，应选择硅含量高，厚度薄的硅钢片。50Hz选用0.35mm厚度，400Hz 选用 0.2mm 厚度，1kHz 选用 0.1mm 厚度。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1625软磁材料的选

12、用原则软磁材料的选用原则磁芯材料优点缺点适用场合硅钢片Bs高且价格低涡流损耗大大功率且工作频率不高（50Hz 或 400Hz）钴基非晶和铁基微晶高Bs，高居里温度和温度稳定性价格较贵，损耗较高，同时磁芯规格不完善大功率或耐受高温和冲击的场合磁粉芯高Bs，磁芯体积小损耗大低频、电感铁氧体价格低廉，材质和磁芯规格齐全，高频性能好材质脆，不耐冲击，温度性能较差10kW 以下、工作频率从几十 kHz 至数 MHz 的任何电力电子变换器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1626 11.5 高频变压器与电感的设计 11.5.1 高频变压器 11.5.2 电感南京航空航天大学电力电子技术课程

13、组2023/12/1627高频变压器高频变压器步骤1：确定高频变压器磁芯材料步骤2：确定变压器磁芯型号和尺寸步骤3：确定变压器原副边绕组匝数步骤4：确定变压器绕组类型（漆包线或铜带）、参数（漆包线线径、股数或铜带厚度、层数）步骤5：校核磁芯窗口填充系数磁芯损耗与磁感应强度、温度的关系曲线高频变压器磁芯材料多选用铁氧体材料南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1628高频变压器高频变压器步骤1：确定高频变压器磁芯材料步骤2：确定变压器磁芯型号和尺寸步骤3：确定变压器原副边绕组匝数步骤4：确定变压器绕组类型（漆包线或铜带）、参数（漆包线线径、股数或铜带厚度、层数）步骤5：校核磁芯窗口填

14、充系数先确定磁芯的形状，再选择磁芯尺寸。常用的高频变压器尺寸选择方法有面积乘积（Area Production,AP）法：先求出磁芯窗口面积 Aw和磁芯有效截面积 Ae 的乘积 AP。根据 AP 值，查阅磁芯手册选择 AwAe 略大于该乘积的磁芯型号，即可满足设计要求。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1629高频变压器高频变压器步骤1：确定高频变压器磁芯材料步骤2：确定变压器磁芯型号和尺寸步骤3：确定变压器原副边绕组匝数步骤4：确定变压器绕组类型（漆包线或铜带）、参数（漆包线线径、股数或铜带厚度、层数）步骤5：校核磁芯窗口填充系数原边绕组匝数：副边绕组匝数：南京航空航天大学电

15、力电子技术课程组2023/12/1630高频变压器高频变压器步骤1：确定高频变压器磁芯材料步骤2：确定变压器磁芯型号和尺寸步骤3：确定变压器原副边绕组匝数步骤4：确定变压器绕组类型（漆包线或铜带）、参数（漆包线线径、股数或铜带厚度、层数）步骤5：校核磁芯窗口填充系数变压器绕组中流过电流较小时，采用漆包线；电流较大时，使用铜带。在确定绕组的线径或厚度时，要考虑导线的集肤效应。所谓集肤效应，是指当导线中流过高频电流时，导线横截面上的电流分布不均匀，中间电流密度小，甚至无电流，边缘部分电流密度大，使导线的有效截面积变小，电阻增大。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1631采用漆包线作

16、为绕组：采用铜带作为绕组：高频变压器高频变压器步骤1：确定高频变压器磁芯材料步骤2：确定变压器磁芯型号和尺寸步骤3：确定变压器原副边绕组匝数步骤4：确定变压器绕组类型（漆包线或铜带）、参数（漆包线线径、股数或铜带厚度、层数）步骤5：校核磁芯窗口填充系数南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1632电感电感步骤1：确定电感磁芯材料步骤2：确定电感磁芯型号和尺寸步骤3：确定电感匝数和气隙步骤4：确定电感绕组类型（漆包线或铜带）、参数（漆包线线径、股数或铜带厚度、层数）步骤5：校核磁芯窗口填充系数电感磁芯材料可选用铁氧体、磁粉芯或宽恒导磁材料。电感磁芯的选择也可以采用 AP 法。当电感电流较大时，可采用铜带作为绕组。