電力電子裝置件中的電磁器件與電磁兼容性

1、第8章 電力電子裝置件中的電磁器件與電磁兼容性8.1 概述電力電子裝置所帶來的電磁干擾與電磁兼容問題：磁性器件的電磁干擾問題；開關(guān)器件的開關(guān)動(dòng)作。磁性器件是現(xiàn)代電力電子裝置的核心部件，主要可以分為變壓器和電抗器兩類，本章將對分析和設(shè)計(jì)這些磁性器件的有關(guān)理論與技術(shù)（現(xiàn)代電力電子的磁技術(shù)）進(jìn)行較系統(tǒng)和全面的論述。8.2 電磁器件的特點(diǎn)和基本概念8.2.1 磁性材料的特性8.2.2 磁性材料的工作狀態(tài)8.2.3 幾種常用磁性材料8.2.4 電力電子裝置中的常用電磁器件8.2.1 磁性材料的特性 磁性材料的特性參數(shù)主要包括：飽和磁通密度、剩磁感應(yīng)、矯頑磁力、磁導(dǎo)率、居里溫度、在一定工作頻率和磁通密度下

2、的鐵心損耗等。1、飽和磁通密度和剩磁感應(yīng)隨著磁場強(qiáng)度H的增加，磁通密度B出現(xiàn)飽和，此時(shí)的B值稱為飽和磁通密度（Bs）,也叫飽和磁密或飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。將鐵心從磁化狀態(tài)去除磁場后，即H=0時(shí)鐵心中仍有剩余的磁通密度，稱為剩磁感應(yīng)（Br），其值隨激磁大小的不同而不同。材料手冊上的值是指鐵心磁化到飽和再去除磁場后所得到的值。2、矯頑力當(dāng)鐵心從磁化狀態(tài)去除外加磁場后，加一反向的外加磁場，將鐵心向反方向磁化，直到鐵心內(nèi)的磁通密度減小為零，此時(shí)的磁場強(qiáng)度值稱為矯頑力，其大小取決于勵(lì)磁程度，通常是指磁化到飽和以后所得到的值。3、磁導(dǎo)率在鐵心的基本磁化曲線上，磁通密度B與磁場強(qiáng)度H之比稱為鐵心的磁導(dǎo)率BH8.2

3、.1 磁性材料的特性4、居里溫度磁性材料的磁導(dǎo)率不僅是磁感應(yīng)強(qiáng)度B的函數(shù)，也是其溫度的函數(shù)，隨著溫度的升高而增加，但當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，其相對磁導(dǎo)率突然變?yōu)?，此時(shí)的溫度稱為居里溫度Tc8.2.1 磁性材料的特性8.2.2 磁性材料的工作狀態(tài)磁性材料工作狀態(tài)一般分為三種：1）雙向磁化：與一般工頻變壓器或者交流電機(jī)的磁化模式一樣；2）單向磁化：此時(shí)鐵心的勵(lì)磁磁場強(qiáng)度的變化值覆蓋了的整個(gè)0Hm 范圍，這種工作狀態(tài)常見于傳遞單向脈沖的變壓器的鐵心中；3）單向磁化：與第二種狀態(tài)相比，此時(shí)鐵心一般是在一個(gè)較大的直流勵(lì)磁分量上再疊加一個(gè)較小的交流勵(lì)磁分量，鐵心的勵(lì)磁磁場強(qiáng)度在HdcH/2 之間變化。 8

4、.2.3 幾種常用磁性材料（1）軟磁鐵氧體：一定溫度（居里溫度 ）下，表現(xiàn)出優(yōu)良的磁性能，而且很容易被磁化，其本身的電阻率很高，可以工作在很高的頻率下，主要在開關(guān)電源等電力電子裝置中作為電感和變壓器的鐵芯。（2）晶態(tài)合金材料：硅鋼片和坡莫合金是晶態(tài)合金材料，其原子在空間呈規(guī)則排列，形成周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，存在著晶粒、晶界、位錯(cuò)、間隙原子和磁晶各向異性等缺陷。（3）非晶態(tài)合金材料:又稱為金屬玻璃，軟磁性能好，強(qiáng)度和硬度高，韌性、耐腐蝕性和耐磨性好，飽和磁密高，矯頑力小，電阻率高，損耗?。蝗秉c(diǎn)是在高頻應(yīng)用時(shí)有時(shí)存在噪聲，價(jià)格相對較高。主要用于開關(guān)電源變壓器、逆變電源變壓器、可控飽和電感（磁放大器）、

5、高頻電感器、電抗器及互感器等磁性器件的鐵心。8.2.4 電力點(diǎn)在裝置中的常用電磁器件在電力電子設(shè)備中所用的電磁器件名目繁多，這里只對一些常用的電磁器件進(jìn)行簡單的介紹，包括整流變壓器、相間變壓器、飽和電抗器、平波電抗器、均流電抗器、空心電抗器。1.整流變壓器整流變壓器的一次側(cè)接交流電網(wǎng)，稱為網(wǎng)側(cè)，二次側(cè)接整流裝置，稱為閥側(cè)，相對于普通的電力變壓器，整流變壓器獨(dú)特之處在于：1）電流波形非正弦波。由于整流器各臂在同一周期內(nèi)輪流導(dǎo)通，流經(jīng)整流臂的電流波形為斷續(xù)的近似矩形波，所以整流變壓器各相繞組中的電流波形也不是正弦波；2）根據(jù)整流設(shè)備的要求，整流變壓器閥側(cè)有多種特殊的聯(lián)結(jié)，配合整流形式，例如將三相電

6、網(wǎng)電壓變換成為六相、九相、十二相交流電壓等，從而滿足不同的整流器要求。8.2.4 電力點(diǎn)在裝置中的常用電磁器件2.相間變壓器在整流系統(tǒng)中，相控整流設(shè)備的輸出電壓是脈動(dòng)的。對于同一臺交流設(shè)備的若干個(gè)換相組，即使具有相同的平均值、相同的波形和相同的極性，但由于相位不同，其瞬時(shí)值仍然不同，不能直接并聯(lián)。因此，只有通過相間變壓器才可以把不同換相組并聯(lián)起來。相間變壓器的作用就在于吸收兩個(gè)或若干相同（除相位不同外）的換相組之間的瞬時(shí)電壓差，阻止電流在兩組之間的自由流動(dòng)。 8.2.4 電力點(diǎn)在裝置中的常用電磁器件3.飽和電抗器飽和電抗器是利用鐵磁材料的磁飽和特性，以較小的直流功率來控制較大的交流負(fù)載的一種電

7、器，工作原理就是通過在電抗器中引入直流電流，以改變鐵芯的磁飽和度，將電抗器的控制繞組和工作繞組繞制在同一磁回路中，從而產(chǎn)生一個(gè)可變的阻抗。8.2.4 電力點(diǎn)在裝置中的常用電磁器件飽和電抗器的工作繞組和控制繞組都有不同的聯(lián)結(jié)方式，如下圖：a）工作繞組聯(lián)結(jié)形式 b）控制繞組聯(lián)結(jié)形式常用的是工作繞組的接法1和控制繞組的接法1組合成調(diào)流型飽和電抗器工作繞組的接法4和控制繞組的接法3組合成調(diào)壓型飽和電抗器。8.2.4 電力點(diǎn)在裝置中的常用電磁器件4.平波電抗器平波電抗器用于整流以后的直流回路中，整流電路的脈波數(shù)總是有限的，在輸出的整流電壓中總是含有紋波的，這種紋波需要由平波電抗器加以抑制。5.均流電抗器

8、在電力電子器件并聯(lián)使用時(shí)，各并聯(lián)支路間會出現(xiàn)電流分配不均的現(xiàn)象，要解決這個(gè)問題，必須采用必要的均流措施，而均流電抗器則是常用的措施。8.2.4 電力點(diǎn)在裝置中的常用電磁器件6.空心電抗器空心電抗器常用于要求線性度較好的場合。一般與電力電子器件串聯(lián)，以限制器件的電流變化率，從而避免器件損壞；在沒有隔離變壓器的變流設(shè)備中，為了限制短路電流，也常在交流輸入回路中串接空心電抗器。但是空心電抗器的磁路比較分散，容易受到周圍導(dǎo)磁物質(zhì)的影響，因此安裝空心電抗器時(shí)，一定要注意周圍導(dǎo)磁物質(zhì)的影響。一般要求距導(dǎo)磁物質(zhì)的中心距離大于空心電抗器的直徑的34倍。8.2.4 電力點(diǎn)在裝置中的常用電磁器件8.3 電磁器件的

9、設(shè)計(jì)8.3.1 變壓器設(shè)計(jì)8.3.2 電抗器設(shè)計(jì)8.3.3 高頻電磁器件的設(shè)計(jì)舉例8.3.1 變壓器設(shè)計(jì) 變壓器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，尤其是系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，要根據(jù)國家的經(jīng)濟(jì)技術(shù)政策、資源情況以及制造和運(yùn)行部門的要求，合理的設(shè)計(jì)變壓器的性能參數(shù)和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。 本節(jié)從工頻和高頻兩個(gè)角度講述變壓器的設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的注意事項(xiàng)。10101 工頻變壓器的一般設(shè)計(jì)方法：(1)確定產(chǎn)品型號和額定容量首先要根據(jù)變壓器設(shè)計(jì)任務(wù)書確定所設(shè)計(jì)的變壓器型號和容量。我國生產(chǎn)的變壓器，額定容量等級基本上是按 的倍數(shù)遞增的。通常把容量在630kVA及以下的稱為小型變壓器，800 6300kVA稱為中型變壓器，800063000kVA稱

10、為大型變壓器，90000kVA及以上的稱為特大型變壓器。10108.3.1 變壓器設(shè)計(jì)其中：是表征變壓器的寬度和高度尺寸之比的一個(gè)數(shù)值，初步設(shè)計(jì)時(shí)可按推薦選用；Sz是變壓器的額定容量； kz是變壓器的利用系數(shù)；系數(shù)kd對于一系列變壓器變化較小。在鐵心直徑基本確定以后就要進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，包括線圈高度H和匝數(shù)N，最后再進(jìn)行線圈計(jì)算。(2)變壓器的電磁設(shè)計(jì)要進(jìn)行變壓器的電磁設(shè)計(jì)就要確定變壓器的鐵心直徑： 3ZZd()DSkk8.3.1 變壓器設(shè)計(jì)材料選擇上，為了減小鐵芯損耗，鐵芯一般用厚0.300.35mm的硅鋼片疊成，片上涂上絕緣漆，以避免片間短路；鐵芯結(jié)構(gòu)分為心式和殼式兩種，心式結(jié)構(gòu)的繞組和

11、絕緣裝配比較容易，所以電力變壓器常常采用這種結(jié)構(gòu)；殼式變壓器的機(jī)械強(qiáng)度好，常用于低壓、大電流的變壓器或小容量電訊變壓器。(3)材料、鐵心結(jié)構(gòu)形式、導(dǎo)線和線圈的選擇8.3.1 變壓器設(shè)計(jì)導(dǎo)線材料一般選用電工銅等；繞組又分為圓筒式、連續(xù)式、螺旋式、糾結(jié)式幾種：1）圓筒式是這幾種繞組中最簡單的一種，常用于小容量的變壓器中；2）連續(xù)式能夠適應(yīng)很大范圍容量和電壓的需要，而且機(jī)械強(qiáng)度好，散熱條件也好，但制造較費(fèi)工時(shí)；3）螺旋式一般用在三相容量為800kVA及以上、電壓為35kV及以下的大電流、低電壓的線圈；4）110550kV或更高電壓等級的變壓器高壓或中壓線圈可采用糾結(jié)式線圈；8.3.1 變壓器設(shè)計(jì)(4

12、)絕緣和過電壓保護(hù)變壓器的絕緣分為內(nèi)絕緣和外絕緣：外絕緣：油箱外邊的套管導(dǎo)電部分之間的空氣絕緣、套管導(dǎo)電部分對儲油柜、安全氣道及其他接地部分的空氣絕緣；內(nèi)絕緣：油箱內(nèi)的線圈、引線和分接開關(guān)的主絕緣和縱絕緣。過電壓保護(hù)可設(shè)置專門的電容補(bǔ)償裝置或者采用具有高沖擊強(qiáng)度的線圈結(jié)構(gòu)。8.3.1 變壓器設(shè)計(jì)(5)性能計(jì)算和校核性能計(jì)算包括：變壓器的阻抗電壓計(jì)算；負(fù)載損耗計(jì)算；空載損耗和空載電流；電磁力的計(jì)算等。在這一部分要使設(shè)計(jì)的變壓器既滿足設(shè)計(jì)任務(wù)的要求又要達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，如果不能達(dá)到，則要重新進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和更改，直到達(dá)到要求為止。8.3.1 變壓器設(shè)計(jì)2.高頻變壓器的設(shè)計(jì) 高頻變壓器是相對于音頻

13、和工頻變壓器而言的，我們將工作頻率在音頻以上的變壓器統(tǒng)稱為高頻變壓器，這一定義不是嚴(yán)格的。 一般情況下，我們將高頻變壓器分為兩種類型，一種稱為單頻或窄頻的高頻變壓器；另一種稱為寬帶變壓器，它是指工作在一個(gè)很寬頻率范圍內(nèi)的變壓器，如阻抗變換器變壓器、通訊變壓器等。8.3.1 變壓器設(shè)計(jì)1）給定條件包括：電路形式、輸入電壓和電流、工作頻率f 、輸出電壓和電流、占空比、工作環(huán)境和允許溫升；2）計(jì)算變壓器的總功率Pt：變壓器的總功率的大小，取決于輸出功率和電路形式；3）確定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm(T)以選定某種型號的鐵氧體磁芯；4）確定電流密度系數(shù)Kj和窗口填充系數(shù)T；高頻變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：8.3.1

14、 變壓器設(shè)計(jì)5）計(jì)算乘積AP、匝數(shù)、一次電流的有效值I1和二次電流有效值I2還有一次及二次導(dǎo)線截面積并確定導(dǎo)線直徑；6）計(jì)算導(dǎo)線根數(shù)（注意：應(yīng)湊成整數(shù)），確定繞組的繞制方式；7）計(jì)算平均匝長、導(dǎo)線長度、電阻、銅耗、鐵耗和總損耗，然后再計(jì)算散熱面積、散熱系數(shù)和溫升。8）最后進(jìn)行驗(yàn)算性能和校核。8.3.1 變壓器設(shè)計(jì) 不論是設(shè)計(jì)工頻還是高頻變壓器都應(yīng)注意的是：1）優(yōu)化條件的選取方向。一般來說，在地面上的固定設(shè)備，應(yīng)該按“最低價(jià)格設(shè)計(jì)”；在地面上的移動(dòng)設(shè)備應(yīng)該按“最小重量設(shè)計(jì)”；在便攜式設(shè)備中，應(yīng)該按“最小體積”設(shè)計(jì)；2）偏離極值的影響。體積、重量和價(jià)格的變化都是極為緩慢的，因此在偏離極小值時(shí)，體積

15、、重量和價(jià)格上升的數(shù)量都很小，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮允許有所偏離的范圍；3) 硅鋼片厚度與柱片寬度之比的大小，決定著鐵芯的截面情況。當(dāng)k1=1時(shí)，鐵芯截面是正方形的；當(dāng)k1=2時(shí)，鐵芯截面是矩形的。所以當(dāng)對變壓器的形狀有所要求時(shí)就要考慮這方面的問題了。4）窗口高度與寬度之比的大小，決定著窗口的形狀，其值越大，窗口就越高，這也關(guān)系到變壓器的形狀問題，在設(shè)計(jì)中者也是要考慮的問題之一。5）硅鋼片材質(zhì)的影響。冷軋硅鋼片的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以比熱軋硅鋼片的磁感應(yīng)強(qiáng)度去的大些，但是，冷軋硅鋼片的價(jià)格要貴些，因此，在考慮變壓器的成本時(shí)，要考慮材料的選取。8.3.1 變壓器設(shè)計(jì)8.3.2 電抗器設(shè)計(jì)本部分主要針對飽和電

16、抗器、平波電抗器、均流電抗器和空心電抗器的一般設(shè)計(jì)原則，該設(shè)計(jì)原則也適用于其他類型的電抗器的設(shè)計(jì)。1.飽和電抗器設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)飽和電抗器時(shí)，首先要確定調(diào)節(jié)深度的最大值Udmax這和整流設(shè)備所要求的外特性有關(guān)，如下圖：|LdUUdmind|UINNddIU、Xe：電源電壓最大時(shí)整流設(shè)備的理想空載電壓；：整流電壓最小時(shí)應(yīng)保證的負(fù)載電流，：整流電流和電壓的額定值，：整流電壓的總電壓降8.3.2 電抗器設(shè)計(jì)決定飽和電抗器交流繞組的匝數(shù)Nj的因素有兩個(gè)：a) 最大控制電流與控制繞組匝數(shù)之間的關(guān)系：b) 飽和電抗器交磁時(shí)，在控制繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓： 該電壓的最大值發(fā)生在最大調(diào)節(jié)深度時(shí)，則Nz越大，則Iz越小

17、，而UZmax越大；Nz越小，則Iz越大，而UZmax越小；maxZmax Z(2)/IHlNZZj2 3sinUNNE另外，工作繞組安匝數(shù)為控制繞組的安匝數(shù)的一半。如果 ，則 這樣選擇的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)繞組可以用相同的導(dǎo)線。yZIIyZ1 2NN8.3.2 電抗器設(shè)計(jì)2.平波電抗器設(shè)計(jì)平波電抗器的設(shè)計(jì)步驟如下：1）根據(jù)給定的原始數(shù)據(jù)L和Id ,計(jì)算Id2 L；2）根據(jù)所用硅鋼片的磁化曲線確定B0,疊片系數(shù)一般為0.95，由此可計(jì)算:3）根據(jù)所用導(dǎo)線的絕緣材料和冷卻方式,選取電流密度,由此計(jì)算結(jié)構(gòu)基數(shù)C(m)：d0NAI LB24d0.0311CI L8.3.2 電抗器設(shè)計(jì)4）按優(yōu)化設(shè)計(jì)原則計(jì)算，計(jì)

18、算出鐵芯直徑、軛鐵高度、磁路長度、鐵芯截面積、相對氣隙等，最后驗(yàn)算電感量L。電感量L（H）的計(jì)算公式： 式中，A(m2)為鐵心的截面積；N為線圈匝數(shù);lFe (m)為鐵心磁路的長度； 為鐵心的相對磁導(dǎo)率； 為真空磁導(dǎo)率（H/m）,20FeFeN ALl Fe07=410 H/ m08.3.2 電抗器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟：首先，計(jì)算出同一臂內(nèi)任意兩個(gè)整流器件的電流的最大允許差額，決定一個(gè)均流電抗器上允許的不平衡電流；然后根據(jù)均流電抗器的連接方式，確定其校正系數(shù)k0和陽極電流流通的時(shí)間t ；最后由結(jié)構(gòu)選定平均磁路長度l和匝數(shù)N。均流電抗器的數(shù)據(jù)包括：整流器件的特征數(shù)據(jù)、均流電抗器鐵芯所用的磁性材料的特性、

19、每臂并聯(lián)整流器件的數(shù)目、整流設(shè)備的電連接方式、電源頻率f0等。3.均流電抗器設(shè)計(jì)8.3.2 電抗器設(shè)計(jì)最后，在計(jì)算出均流電抗器的尺寸之后，必須檢驗(yàn)其峰值電流Ipp式中，HG為工作段最高磁感應(yīng)密度對應(yīng)的磁場強(qiáng)度；H0為工作段最低磁感應(yīng)密度對應(yīng)的磁場強(qiáng)度, N為匝數(shù)，lFe為鐵心平均長度，m為根據(jù)整流設(shè)備連接方式，決定于陽極電流流通時(shí)間和周期的比值FeG0pp2lHHINm其次，根據(jù)硅鋼片的特性，決定可能的工作區(qū)，也可以選用位移勵(lì)磁鐵芯，由工作區(qū)求出鐵芯的截面積。8.3.2 電抗器設(shè)計(jì)4.空心電抗器設(shè)計(jì)由于空心電抗器的電感方式有多種，計(jì)算的方法也各不相同，常見的有：圓環(huán)導(dǎo)線的電感、方框?qū)Ь€的電感、

20、螺線管線圈的電感、多層線圈的電感；單層線圈的電感等，其具體的計(jì)算方法要根據(jù)具體形式而定。最后要注意的是根據(jù)計(jì)算值設(shè)計(jì)的空心電抗器，制成成品后，要實(shí)測其電感值，再與計(jì)算值作對比，若有偏差，可調(diào)整匝數(shù)N，即可得到所需電感的精確值。8.3.2 電抗器設(shè)計(jì)解：1）預(yù)選一種磁粉心，根據(jù)磁粉心的r值查表8-4得出相對應(yīng)的 NI值，然后計(jì)算 選擇MPP123068，則：8.3.3 高頻電磁器件設(shè)計(jì)舉例AL22022r132 36.30.143H15600.5LIALNI在以下給定條件下用AL法計(jì)算高頻電感參數(shù):頻率f=100kHz，電流I0 =36.3A，電壓Uac=90V，電感量L=132 H，工作溫x=

21、35，通態(tài)時(shí)間ton=6.825 s。由 數(shù)值查表8-5得該磁粉的 ，并用磁粉心數(shù)目： 取整數(shù)，令n=2。則兩個(gè)磁粉心并用時(shí)，其參數(shù)為：AL0.068HAL 0.143 0.0682.1nAL AL2Z2s32 0.0680.136H22 1.77=3.54cm2225450cm2 34.77=69.54cmeALAAAV132 0.5264HL 2）計(jì)算初始電感：8.3.3 高頻電磁器件設(shè)計(jì)舉例3) 計(jì)算匝數(shù)4)計(jì)算NI及H 5)計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度6)計(jì)算磁耗 222264 0.1361941,1941440.13644263.3HNL ALNLALN 0Fe44 36.31597.21597.

22、281.4A cm19.61NIHNIl6ac on4z2290 6.825 100.0278T22 44 3.54 10acUtBNA1.4831.8891.4831.889Fe0.70661069.54 0.7066 1000.2784.048WPVfB 8.3.3 高頻電磁器件設(shè)計(jì)舉例7) 計(jì)算銅耗，根據(jù)每平方毫米流過電流3-4A電流，可以選擇銅線 ：上式中，l1是與電感鐵心結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，可以根據(jù)鐵心高除10再加上IN獲得。3.75mm22220122Cu(/ 4)(/ 4) 3.7511.04mm36.33.29A mm11.04( /10)44 0.08790.02=0.00711

23、.0436.30.007=9.22WAIjANlN hnINRAAPI R4.0489.22 =13.27WFeCuPPP 8)計(jì)算總損耗8.3.3 高頻電磁器件設(shè)計(jì)舉例9)計(jì)算散熱系數(shù) 10）計(jì)算溫升由于計(jì)算溫升小于工作溫升（35度），設(shè)計(jì)滿足要求。2S13.27 0.0450=294.7W mXPqA0.80.8XX0.26294.7C=24.5 Cq8.3.3 高頻電磁器件設(shè)計(jì)舉例 8.4.1 變壓比測量 8.4.2 極性測試 8.4.3 輸入阻抗測試 8.4.4 電感與漏感測試 8.4.5 變壓器絕緣電阻和抗電強(qiáng)度測試 8.4.6 溫升測試方法 8.4 磁性器件的測試8.4.1 變壓比

24、測量2211RNnRN當(dāng)電橋平衡時(shí)，1電阻變比電橋法如圖8-5給出了用電阻變比電橋測量變壓比的電路圖：GDGD1R2R2R1R1N2N1N2N電壓變壓器電路電流變壓器電路3電壓表法通過測量電壓來確定變壓比。當(dāng)測試電壓和頻率的選擇滿足理想變壓器條件時(shí)，則 同樣，變壓器兩個(gè)繞組應(yīng)順向串聯(lián)。1122UNnUN用電阻變比電橋測量變壓比時(shí)，被測變壓器兩個(gè)繞組的連接應(yīng)如圖8-5 所示的極性那樣正向串聯(lián)，否則電橋不能平衡。因此，這種方法也能檢驗(yàn)變壓器繞組的極性2用感應(yīng)分壓器測量變壓比用變比變壓器來代替圖8-5中的電阻同樣能測變壓比。8.4.1 變壓比測量8.4.2 極性測試變壓器的極性表示鐵心中磁通變化時(shí)，

25、某一瞬間線圈兩端感應(yīng)電壓方向，兩線圈感應(yīng)電壓符號相同的端子稱作同極性端，而符號相反的端子叫反極性端。變壓器的極性與線圈繞向有關(guān)。繞在同一鐵心柱上的兩個(gè)線圈，當(dāng)繞向相同時(shí)，其對應(yīng)端（指同為始端或末端）的極性相同；反之，極性相反。采用測量變壓比的電橋法利用示波器比較輸入、輸出波形法采用中間指零的檢流計(jì)法如圖，R用來調(diào)節(jié)檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)靈敏度，當(dāng)變壓器極性如圖中所示時(shí)，開關(guān)K閉合瞬間，檢流計(jì)指針偏向+，反之則檢偏向-。8.4.2 極性測試8.4.3 輸入阻抗測試變壓器的輸入阻抗是指次級在額定負(fù)載阻抗R2下，變壓器輸入端所呈現(xiàn)的阻抗。只有在中間頻率段，變壓器的輸入阻抗才等于 ，而在低頻端和高頻端，由于初級電

26、感、漏感、分布電容的影響，輸入阻抗有較大的變化，因此需要專門的測試。針對變壓器三種不同的工作狀態(tài)，需要按其實(shí)際情況進(jìn)行測試2122(/)NNR無直流磁化按下圖電路進(jìn)行測試：GAV1C0R2C2/aR2R2/aRKT1有直流磁化按下圖電路進(jìn)行測試：8.4.3 輸入阻抗測試將開關(guān)K指1所標(biāo)注的一端，施加規(guī)定頻率的交流電壓和直流電流，再將開關(guān)接向另一端，記錄電壓 。然后保持 不變，改變頻率，記錄不同頻率時(shí)的 ，按下式計(jì)算輸入阻抗:aUaUbUinabaUZRU8.4.3 輸入阻抗測試8.4.4 電感與漏感測試1電感測試變壓器初級電感指次級開路時(shí)初級繞組的有效電感。根據(jù)鐵心損耗的等效電阻和繞組的電阻與

27、有效電抗的關(guān)系，可有兩種形式的等效電路來表示有效電感。 串聯(lián)等效電路：適用于鐵損的等效電阻比繞組電阻小得多的情況；并聯(lián)等效電路：適用于鐵損的等效電阻比繞組電阻大得多的情況。 （1）伏安法1) 有直流磁化電流時(shí)這種方法適用于電源濾波阻流圈或有直流磁化的音頻變壓器、開關(guān)電源儲能電感器或?yàn)V波電感。其測試電路如圖：8.4.4 電感與漏感測試圖中Lx為被測變壓器或阻流圈的電感；R為串聯(lián)無感電阻，其值應(yīng)滿足R0.1歐姆；V為電子管電壓表；為有效值電壓表；A為直流電流表；E為直流電源，其紋波電壓不大于交流測試電壓的3%；L為扼流圈，可用一個(gè)被測變壓器或阻流圈代替；C1,C2為電容器，應(yīng)使遠(yuǎn)小于 ,一般可取=

28、50100，T1為調(diào)壓器，T2為隔離變壓器，T1，T2也可用音頻信號發(fā)生器代替。xLx8.4.4 電感與漏感測試測試時(shí)，使被測變壓器流過規(guī)定的直流磁化電流，在規(guī)定頻率下施加規(guī)定的交流測試電壓，讀取電壓表VR的讀數(shù)，則電感LX為:X2RRULfU式中，為測試頻率（Hz）；為被測電感（H）；R為串聯(lián)電阻（ ）； 為測試電壓即電壓表V指示值（V）； 為在電阻R兩端測得的交流電壓有效值（V）。RUU8.4.4 電感與漏感測試在電源濾波限流圈電感測試時(shí)，允許用與波紋頻率不同的電源作為交流測試源，但其頻率與額定波紋頻率之差不得超過交流測試源頻率的一倍，并且交流測試電壓應(yīng)按下式計(jì)算：fUUf式中， 為實(shí)際頻

29、率（Hz）； 為額定頻率（Hz）；U 為額定交流測試電壓（V）； 為改變后的交流測試電壓（V）。ffU8.4.4 電感與漏感測試(2) 無直流磁化時(shí)G為音頻信號發(fā)生器；x(0.05 0.1) (2)RfL在規(guī)定頻率下施加規(guī)定的交流測試電壓：22x12RRUrLfUR式中r為變壓器或電感器的直流電阻,當(dāng) 時(shí)，電感 可由帶直流公式計(jì)算。x210fLRrxL8.4.4 電感與漏感測試2. 電橋法精度高，適用于高、低品質(zhì)因數(shù)測量(1) 采用標(biāo)準(zhǔn)電阻的麥克斯韋電橋電橋平衡時(shí): x231LR R C23x1R RRR8.4.4 電感與漏感測試圖中 為標(biāo)準(zhǔn)電阻。由于C1和C2能對R1起隔直流作用，因此，這種

30、電橋?qū)ΟB加直流磁化的測量效果較好。電橋平衡時(shí): (2) 歐文電橋x132LR R C23x1C RRC1R8.4.4 電感與漏感測試電感是以并聯(lián)等效電路的形式出現(xiàn)的,這種電橋可用于鐵心損耗測量，對高Q值的測量特別準(zhǔn)確。電橋平衡時(shí): (3)海氏電橋x213LR RC21x3R RRR8.4.4 電感與漏感測試變壓器電橋種類很多，由于變壓器比率準(zhǔn)確，通用性強(qiáng)，因此，變壓器電橋用于測量電感、電容、交流有效電阻或鐵損電阻等，測試精度高，操作方便。 (4) 變壓器電橋S212xSxNR RRRNS212SxxNR R CLN8.4.4 電感與漏感測試2 漏感測試漏感是指由線圈間相互不交鏈的漏磁通所產(chǎn)生的

31、電感，它與線圈尺寸、繞組排列及匝數(shù)等有關(guān)。漏感通常分為四種： (1) 初級漏感 ，初級漏感是指變壓器次級所有繞組短路時(shí)，在初級測得的電感。 (2) 次級漏感 ，次級漏感是指變壓器初級短路時(shí)，在次級測得的電感。(3) 初級兩半間漏感 ，對初級具有中心抽頭的變壓器，將次級任一組短路時(shí)，在初級一半短路時(shí)，在初級另一半測得的電感。(4) 初級對次級一繞組的漏感 ，對于有幾個(gè)次級繞組的變壓器，將次級任一組短路時(shí)，在初級測得的電感。12SL21SL11SL12S nL8.4.4 電感與漏感測試測量漏感一般采用電橋法，如電感測試方法。用電橋法測量漏感應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：(1) 測試頻率應(yīng)選擇在中頻，并遠(yuǎn)低于漏感

32、 與反射到初級的分布電容 的諧振頻率，一般測試頻率可采用1kHz。 (2) 由于漏感的Q值較低，在選擇電橋上應(yīng)注意電橋靈敏度和Q值平衡調(diào)節(jié)，以減小測試誤差。SL0C8.4.4 電感與漏感測試8.4.5 變壓器絕緣電阻和抗電強(qiáng)度測試絕緣電阻主要檢查變壓器絕緣系統(tǒng)的局部缺陷和普遍缺陷，是決定進(jìn)行抗電強(qiáng)度試驗(yàn)和使用的主要參考數(shù)據(jù)。變壓器峰值工作電位差在500V以下的變壓器，絕緣電阻的測試電壓為直流（10015）V；峰值工作電位差在500V及以上的變壓器，測試電壓為直流（50050）V。變壓器絕緣電阻的測試可采用數(shù)字型絕緣電阻進(jìn)行測試，同時(shí)應(yīng)在工作時(shí)可能遇到的各種環(huán)境條件下進(jìn)行測試，如高溫、低溫、濕熱

33、等條件。高壓試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)變壓器容量應(yīng)根據(jù)變壓器的容量來決定23210PfCU式中P為試驗(yàn)變壓器容量（kVA）；f 為試驗(yàn)頻率（Hz）;C為被試變壓器的絕緣幾何電容（ ）；U為試驗(yàn)電壓（kV）。F(1) 將試驗(yàn)電壓加于被試線圈與鐵心之間，其余線圈短接后均與鐵心相連，屏蔽層則根據(jù)實(shí)際情況接鐵心或與被試線圈相連。對于試驗(yàn)電壓在2KV以上的變壓器，應(yīng)從零開始以每秒不超過2KV的速率升高，直至下限值；保持規(guī)定時(shí)間后以同樣的速率將電壓下降到零。試驗(yàn)電壓在2KV及以下時(shí)，直接將試驗(yàn)電壓加至被試線圈上。 (2) 試驗(yàn)時(shí)變壓器不應(yīng)有擊穿、灼熱、飛弧等現(xiàn)象，漏電流不應(yīng)超過規(guī)定值，但游離不作擊穿判據(jù)。 (3) 試

34、驗(yàn)頻率為50Hz。8.4.5 變壓器絕緣電阻和抗電強(qiáng)度測試8.4.6 溫升測試方法點(diǎn)溫度計(jì)法：只能測量變壓器鐵心和線圈的表面溫度，不能測線圈內(nèi)部溫度。熱電偶法：測量變壓器線圈內(nèi)部某一點(diǎn)的溫度或溫度分布 電阻法測溫升：利用了導(dǎo)線電阻與溫度成正比增加的性質(zhì) 為線圈平均溫升（K）;t1 ()為測冷態(tài)電阻r1時(shí)的環(huán)境溫度; t2 ()為測冷態(tài)電阻r2時(shí)的環(huán)境溫度; r1()為在溫度t1時(shí)測得的線圈冷態(tài)電阻；r2 ()為在溫度t2時(shí)測得的線圈冷態(tài)電阻;K為與導(dǎo)線電阻率溫度系數(shù)有關(guān)的常數(shù)，銅取234.5，鋁取228.1。m 21m1211rrKtttr8.4.6 溫升測試方法電阻法測量線圈平均溫升的步驟如

35、下：1）測量在環(huán)境溫度為t1時(shí)的冷態(tài)電阻r1。測量時(shí)，應(yīng)在溫度比較穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行。此時(shí)，每隔一定時(shí)間測一次冷態(tài)電阻，至電阻充分穩(wěn)定后讀數(shù)。2）線圈帶負(fù)荷工作，負(fù)荷可分為直接負(fù)荷和間接負(fù)荷。3）當(dāng)變壓器負(fù)荷到規(guī)定時(shí)間后，先測量變壓器各繞組的負(fù)載電 壓，然后斷電測量直流電阻。測量應(yīng)在環(huán)境溫度比較穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行，斷電后立即用電橋測量線圈的熱態(tài)電阻r2，或盡快測得4-5個(gè)點(diǎn)的熱態(tài)電阻，并記錄從斷電到測得數(shù)據(jù)時(shí)間，然后用外推法求出斷電瞬間的熱態(tài)電阻r2。8.4.6 溫升測試方法在實(shí)驗(yàn)中需要注意:(1) 在試驗(yàn)中變壓應(yīng)用螺栓架空50mm，測量環(huán)境溫度的溫度計(jì)應(yīng)放在距線圈表面200300mm處，試樣應(yīng)避免直接

36、受到風(fēng)吹以及其他發(fā)熱體。(2) 所使用的電阻電橋應(yīng)有足夠的靈敏靈，當(dāng)變壓器線圈電阻小于1 時(shí)，應(yīng)采用凱爾文電橋。同時(shí)，測量電阻時(shí)的引線與試樣冷態(tài)電阻相比應(yīng)不大于2% 。(3) 當(dāng)被試變壓器有幾個(gè)繞組時(shí)，應(yīng)測量線圈內(nèi)部繞組的溫升，也就是說，應(yīng)在接近線圈1/3厚度處的繞組上測量，因?yàn)檫@一繞組的平均溫升最高。8.4.6 溫升測試方法(4) 當(dāng)不用外推法時(shí)，熱態(tài)電阻測量應(yīng)在20s左右完成。此外，t1和t2之間溫差最大不要超過5。(5) 變壓器溫升達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間與變壓器的質(zhì)量有關(guān)。一般認(rèn)為在經(jīng)過45T的時(shí)間后變壓器溫升即達(dá)穩(wěn)定。其中T為變壓器發(fā)熱及冷卻時(shí)間常數(shù):TCGS式中C為變壓器的比熱（W/kg

37、）;G為變壓器的質(zhì)量（kg）; 為散熱系數(shù)( )；S (cm2)為變壓器散熱面積。2W/cmK8.4.6 溫升測試方法8.5電力電子裝置中的電磁兼容問題8.5.1 電力電子技術(shù)中電磁干擾問題8.5.2 電力電子技術(shù)中電磁干擾與電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)8.5.3 電力電子裝置中的電磁干擾源8.5.4 電力電子技術(shù)中的電磁兼容設(shè)計(jì)電力電子系統(tǒng)中產(chǎn)生的干擾一般分為三類：1、電網(wǎng)頻率諧波：電力電子系統(tǒng)中帶有相控整流環(huán)節(jié)形成的；2、開關(guān)頻率諧波：系統(tǒng)中高頻開關(guān)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的；3、開關(guān)暫態(tài)干擾8.5.1 電力電子技術(shù)中電磁干擾問題電力電子設(shè)備從電網(wǎng)獲取能量完成各種能量變換的同時(shí)會發(fā)射一些高頻噪聲。這些高頻噪聲或沿導(dǎo)線傳播

38、或從空間輻射，與對之相連的各種設(shè)備產(chǎn)生不良影響。 電磁兼容設(shè)計(jì)的基本方法是指標(biāo)分配和功能分塊設(shè)計(jì)，也就是首先要根據(jù)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)把整體電磁兼容指標(biāo)逐漸分配到各功能模塊上，細(xì)化成系統(tǒng)級、設(shè)備級、電路級和元件級的指標(biāo)。然后，按照要實(shí)現(xiàn)的功能和電磁兼容指標(biāo)進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。8.5.1 電力電子技術(shù)中電磁干擾問題8.5.2電力電子技術(shù)中電磁干擾與電磁兼容標(biāo)準(zhǔn) 許多國家都遵循有關(guān)國際組織制定的EMC國際標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本國情況，制定和頒布了一系列的EMC國家標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)的規(guī)定了測試條件、內(nèi)容、方法、步驟和技術(shù)指標(biāo)等。1、歐洲電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)2、美國電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)3、我國電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)8.5.3 電力電子裝置中的電磁

39、干擾源1、器件級電磁噪聲所有半導(dǎo)體變流裝置主電路的核心部件是各類現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件，在這類電力電子裝置中，無論是主回路還是控制回路，在器件開關(guān)過程中，都存在著高的di/dt，它們通過線路或元器件的引線電感引起瞬態(tài)電磁噪聲。幾種典型的電力電子器件的開關(guān)波形：功率二極管開關(guān)時(shí)的電流電壓波形8.5.3 電力電子裝置中的電磁干擾源a) SCR開通時(shí)電流電壓示意圖b) SCR產(chǎn)生的EMI與其電流容量的關(guān)系ruAUA9 . 0 UA1 . 0 Udtktsttnut100A1A理想開關(guān)EMI設(shè)備nu8.5.3 電力電子裝置中的電磁干擾源GTO開、關(guān)時(shí)電壓電流波形：8.5.3 電力電子裝置中的電磁干擾源2.

40、高速數(shù)字脈沖電路中的門電路造成的開關(guān)噪聲一個(gè)典型的邏輯門，在“開通”狀態(tài)，從直流電源抽取5mA的電流，而在“關(guān)斷”狀態(tài)抽取1mA的電流，則開關(guān)時(shí)刻的電流變化為4mA；設(shè)其開關(guān)時(shí)間為2ns，電源的引線電感為500nH，當(dāng)這個(gè)門開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，在電源線上就會產(chǎn)生1V的瞬態(tài)脈沖電壓。一個(gè)典型的系統(tǒng)實(shí)際上有許多這樣的門。如果綜合考慮的話，這些門電路在工作時(shí)，電源線上產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓有時(shí)可高達(dá)數(shù)十伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其電源電壓(5伏）。所以對門電路在開關(guān)過程中造成的瞬態(tài)噪聲是必須認(rèn)真考慮的8.5.3 電力電子裝置中的電磁干擾源3. 電力電子裝置的電磁噪聲（1）整流電路造成的諧波干擾和電磁噪聲整流電路與交流供電電網(wǎng)直接

41、相連，所以它本身產(chǎn)生的諧波干擾和電磁噪聲以及由它供電的后級電路產(chǎn)生的電磁噪聲，均可通過整流電路，以傳導(dǎo)耦合的形式引入電網(wǎng)，造成對接在同一電網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備的干擾。 8.5.3 電力電子裝置中的電磁干擾源 考慮一個(gè)典型的三相全橋可控整流電路，在可控硅整流器換流時(shí)，由于網(wǎng)側(cè)接的大電抗器的影響，使網(wǎng)側(cè)相電壓波形出現(xiàn)換流缺口，通過公共電網(wǎng)會造成電磁噪聲。8.5.3 電力電子裝置中的電磁干擾源（2）電力電子電力脈沖寬度調(diào)制（PWM）所造成的電磁噪聲在主功率電路中，通常會流過一系列的PWM功率脈沖，其重復(fù)頻率視應(yīng)用場合可從幾千赫茲到幾百千赫茲不等，因而這些脈沖電流中所包含的諧波可以達(dá)到幾兆赫茲乃至幾十兆赫茲

42、的范圍，而且它們產(chǎn)生的電磁噪聲強(qiáng)度很大 。為了描述這類脈沖列的電磁噪聲，在EMI分析中，常采用幅度密度函數(shù)(Amplitude Density Function)即頻譜分析的方法，其基本思想：分析電力電子電路的電磁噪聲時(shí)，不去研究噪聲信號頻譜中各個(gè)頻率分量的具體準(zhǔn)確數(shù)值，而是對噪聲信號頻譜的總寬度以及各頻率分量的限度加以分析。8.5.3 電力電子裝置中的電磁干擾源 如上圖所示，高頻開關(guān)電源可在交流電網(wǎng)和負(fù)載上產(chǎn)生直接傳導(dǎo)的電磁噪聲（差模與共模兩種噪聲傳導(dǎo)形式），同時(shí)還由于內(nèi)部高頻開關(guān)所產(chǎn)生的高次諧波的作用，產(chǎn)生輻射噪聲。（3）高頻開關(guān)電源造成的電磁噪聲8.5.3 電力電子裝置中的電磁干擾源8.

43、5.4電力電子技術(shù)中的電磁兼容設(shè)計(jì)1.屏蔽技術(shù)通過優(yōu)化電路和結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)，將干擾源本身產(chǎn)生的電磁噪聲強(qiáng)度降低到能接受的水平通過各種干擾抑制技術(shù)，將干擾源與被干擾電路之間的藕合減弱到能接受的程度電磁兼容設(shè)計(jì)目的:屏蔽技術(shù)是達(dá)到上述兩個(gè)目的、實(shí)現(xiàn)電磁干擾防護(hù)的最基本也是最重要的手段之一。屏蔽技術(shù) 按欲屏蔽的電磁場性質(zhì)分類按屏蔽體的結(jié)構(gòu)分類電場屏蔽磁場屏蔽電磁場屏蔽完整屏蔽體屏蔽非完整屏蔽體屏蔽編織帶屏蔽8.5.4電力電子技術(shù)中的電磁兼容設(shè)計(jì)采用金屬屏蔽體屏蔽電場必須滿足兩個(gè)條件：完善的屏蔽及屏蔽體良好接地。對于磁屏蔽通?？梢圆扇煞N辦法：1)采用高磁導(dǎo)率材料的屏蔽體進(jìn)行磁屏蔽2)采用反向磁場抵消

44、的辦法，實(shí)現(xiàn)磁屏蔽8.5.4電力電子技術(shù)中的電磁兼容設(shè)計(jì)廣義地說，“地”可以定義為一個(gè)等位點(diǎn)或一個(gè)等位面。 一個(gè)良好的接地系統(tǒng)必須達(dá)到下列幾個(gè)目的： 1)保證接地系統(tǒng)具有很低的公共阻抗。2)在有高頻電流的場合，保證“信號地”對“大地”有較低的共模電壓。3)保證地線與信號線構(gòu)成的電流回路具有最小的面積，避免由地線構(gòu)成“地回路”。4)保證人身和設(shè)備的安全。2.接地8.5.4電力電子技術(shù)中的電磁兼容設(shè)計(jì) 按照主要功能劃分，接地系統(tǒng)主要由四種子接地系統(tǒng)組成：安全地，信號地，機(jī)殼（架）地和屏蔽地。 不同類型控制裝置和成套設(shè)備組合的系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)其所處的電磁和工作環(huán)境，和它們本身及負(fù)載的運(yùn)行特點(diǎn)，遵照前面討

45、論的接地原則，設(shè)計(jì)相應(yīng)的接地系統(tǒng)。 8.5.4電力電子技術(shù)中的電磁兼容設(shè)計(jì) 通過正確的屏蔽和接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一個(gè)電力電子系統(tǒng)的電磁干擾可以得到十分有效的抑制，但是有時(shí)電磁干擾的電平可能仍舊高于標(biāo)準(zhǔn)允許的電平。此時(shí)對于輻射干擾，除了進(jìn)一步加強(qiáng)屏蔽以外，別無它法；而對于傳導(dǎo)干擾，濾波是十分有效的方法。 3.濾波8.5.4電力電子技術(shù)中的電磁兼容設(shè)計(jì)1)濾波器中用的LC元件 ，具有足夠大的無功容量2)信號處理中用的濾波器，通常總是按阻抗完全匹配狀態(tài)設(shè)計(jì)的 3)在EMC設(shè)計(jì)中，對濾波器所用的LC元件寄生參數(shù)的控制，要求比較苛刻。 4)EMI濾波器雖然是抗電磁干擾的重要元件，但是，使用時(shí)必須仔細(xì)了解其特性并正確使用，否則不但收不到應(yīng)有的效果，而且有時(shí)還會導(dǎo)致新的噪聲。 在EMC兼容設(shè)計(jì)中所討