電力電子裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用課件

電力電子裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用一、什么是設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)是將設(shè)計(jì)者的思維變成研制工作必需的圖紙和數(shù)據(jù)的過程，設(shè)計(jì)是電力電子裝置研制過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)過程中，依靠的是理論知識(shí)、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和各種參考數(shù)據(jù)，理論知識(shí)起的是指導(dǎo)作用，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和參考數(shù)據(jù)起的是支持作用。二、設(shè)計(jì)類型1、原理設(shè)計(jì)：是一種不完全的，為可行性論證而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。例如：設(shè)計(jì)某種電路圖，其目的是為了證明可用該電路實(shí)現(xiàn)某些功能，在設(shè)計(jì)中只要求定性的分析其工作原理，工作波形等。2、參數(shù)設(shè)計(jì)：原理設(shè)計(jì)的補(bǔ)充，為了使原理設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，具體計(jì)算電路的各種參數(shù)是必不可少的，通過參數(shù)設(shè)計(jì)可使原理設(shè)計(jì)得到修正和補(bǔ)充，進(jìn)一步提高原理設(shè)計(jì)的可行性。3、程序設(shè)計(jì)：現(xiàn)代電力電子裝置應(yīng)用微處理器組成控制核心電路的越來越多，因此程序設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸成為設(shè)計(jì)過程中不可缺少的組成部分。4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：研究工作向裝置制造轉(zhuǎn)化的重要步驟，包括主電路機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制電路結(jié)構(gòu)、外部接口、機(jī)柜或機(jī)箱結(jié)構(gòu)等，主要目的是：確定裝置硬件之間的位置關(guān)系，為制造實(shí)際裝置提供可行數(shù)據(jù)和圖紙。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容頗為復(fù)雜，需要較多的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和參考依據(jù)。三、設(shè)計(jì)流程

要完成一個(gè)裝置的設(shè)計(jì)，需要經(jīng)過以下一些步驟：1、初步設(shè)計(jì)：內(nèi)容包括原理設(shè)計(jì)、參數(shù)概算、驗(yàn)證初步設(shè)計(jì)可行性的局部實(shí)驗(yàn)等。例如：設(shè)計(jì)一個(gè)裝置的電原理圖。2、技術(shù)設(shè)計(jì)：內(nèi)容包括電路參數(shù)計(jì)算、元件選擇。這里面有些元件的參數(shù)計(jì)算和選擇較為容易，如半導(dǎo)體器件、電阻電容等，經(jīng)過參數(shù)計(jì)算后，可直接由定型產(chǎn)品中得到。另一些沒有定型產(chǎn)品的元件只進(jìn)行電參數(shù)計(jì)算是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還要進(jìn)行結(jié)構(gòu)參

數(shù)計(jì)算和工藝設(shè)計(jì)，再通過生產(chǎn)部門加工才能得到，如變壓器、電抗器等。為了驗(yàn)證可行性，有時(shí)還必須進(jìn)行原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)過程。3、總體（工程）設(shè)計(jì)：為制造裝置而進(jìn)行的全面設(shè)計(jì)，對(duì)電器裝置而言，與前述設(shè)計(jì)最大的不同在于增加了大量的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容（參考結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）。目的是產(chǎn)生制造裝置的詳細(xì)圖紙和各種參數(shù)。四、設(shè)計(jì)依據(jù)1、各種標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)中必須按照各種現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)（GJB）、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。例如：設(shè)計(jì)制造國(guó)內(nèi)使用的某電力電子裝置，按我國(guó)電制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，輸入交流電源必須為380/220V50HZ。電信系統(tǒng)二次電源設(shè)備輸入電源必須為DC48V。因此，在設(shè)計(jì)該類裝置時(shí)都要執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)。又如：國(guó)軍標(biāo)規(guī)定了電子設(shè)備的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)制造軍用電子設(shè)備必須照此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。有時(shí)為了使裝置達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的要求，不得不設(shè)計(jì)與裝置遠(yuǎn)離要求關(guān)系不大的電路。

特殊場(chǎng)合使用的設(shè)備不能按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行時(shí)，稱為非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。2、技術(shù)要求（技術(shù)指標(biāo)）：被設(shè)計(jì)裝置要達(dá)到的具體技術(shù)狀態(tài)的細(xì)則，是研制裝置要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，設(shè)計(jì)過程必不可少的約束條件。五、設(shè)計(jì)課主要內(nèi)容以典型逆變電源裝置和開關(guān)電源裝置為對(duì)象，以電參數(shù)和部分元器件結(jié)構(gòu)參數(shù)為主要內(nèi)容，講解設(shè)計(jì)方法。六、典型逆變電源裝置設(shè)計(jì)1、電路原理框圖輸入整流電路直流濾波電路電源逆變電路隔離變換電路輸出濾波電路

負(fù)載2、設(shè)計(jì)順序-----一般按照從裝置輸出到輸入的次序進(jìn)行根據(jù)負(fù)載要求計(jì)算輸出電路參數(shù)；根據(jù)輸出電路輸入端要求計(jì)算逆變電路參數(shù)；根據(jù)逆變電路輸出端要求計(jì)算逆變電路輸入?yún)?shù)；根據(jù)逆變電路輸入?yún)?shù)計(jì)算輸入整流電路；當(dāng)輸入和輸出之間有電壓匹配和電氣隔離要求時(shí)，還需加入隔離變換電路設(shè)計(jì)。

作為完整的裝置還需設(shè)計(jì)的部分是：控制電路、保護(hù)電路、監(jiān)測(cè)電路等。6.1典型逆變電源輸出電路LCRL’iLVOViiciL’iRLCRL’iLVOViiciL’iRiciRVOViiLVLiciRVOViiLVL純電阻負(fù)載時(shí)矢量圖iL’iL’ic感性負(fù)載時(shí)矢量圖實(shí)例一、技術(shù)要求：1、輸出電壓115V/200V2、輸出頻率400HZ3、輸出功率30KVA（單相10KVA）4、負(fù)載功率因數(shù)滯后5、短時(shí)過載150%6、輸入電壓380V±10%7、輸入頻率50HZ±10%二、負(fù)載參數(shù)1、負(fù)載電阻最小值時(shí)時(shí)LCRL’iLVOViiciL’iR2、負(fù)載電感最小值3、濾波電容取濾波電容容抗等于負(fù)載電感感抗的2倍考慮實(shí)際情況取電容為90微法9個(gè)的AC電容用于400HZ時(shí)耐壓降為60%4、無輸出隔離變壓器時(shí)，逆變器輸出電流（有效值，設(shè)計(jì)電感、變壓器等元件時(shí)參考）長(zhǎng)期連續(xù)最大電流（一相）

橋臂連續(xù)最大電流短期最大電流（一相）

橋臂短期最大電流5、無輸出隔離變壓器時(shí)逆變器輸出電流峰值（選擇開關(guān)器件時(shí)參考）

長(zhǎng)期連續(xù)電流峰值（一相）

橋臂連續(xù)最大電流峰值

短期最大電流峰值（一相）短期橋臂最大電流峰值6、濾波電抗L的計(jì)算輸出濾波電路的主要作用是：減小輸出電壓中諧波（特別是逆變電路中開關(guān)器件開關(guān)頻率）電壓的幅值保證基波電壓傳輸設(shè)計(jì)濾波器應(yīng)注意以下問題：濾波電路特征阻抗不應(yīng)太大濾波電路固有諧振頻率應(yīng)遠(yuǎn)離輸出電壓中可能出現(xiàn)的諧波頻率。如：400HZ的倍頻，800HZ、1200HZ、1600HZ、2000HZ等

不應(yīng)太大而接近1

應(yīng)該較小（R按負(fù)載最重時(shí)考慮）

功率越大，負(fù)載功率因數(shù)越低的逆變電源裝置越應(yīng)按③④條考慮。

因?yàn)V波電容和負(fù)載并聯(lián)，對(duì)逆變電路輸出電流影響較大，所以在設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)，應(yīng)按先選擇濾波電容，再根據(jù)上述原則和對(duì)基波傳輸、諧波衰減的特性選擇電感參數(shù)。

濾波電路參數(shù)和主開關(guān)器件工作頻率有關(guān)，主開關(guān)器件工作頻率三相單相N為正整數(shù)時(shí)按同步工作方式，不為整數(shù)時(shí)按異步方式工作。主開關(guān)器件工作頻率高對(duì)濾波器有好處，可減小濾波電抗參數(shù)，但對(duì)逆變器效率不利，對(duì)電壓利用率不利。本例選N=8則

由于各橋臂移相原因，輸出線電壓的斬波頻率為：根據(jù)圖選可得實(shí)選濾波電路固有諧振頻率從圖中可看出，電壓波動(dòng)小。7、逆變電路輸出電壓（濾波電路輸入端電壓，無變壓器）

逆變電路UiLCL’R空載時(shí)UoIL這說明空載時(shí)輸出電路是升壓的額定負(fù)載時(shí)

這說明時(shí)，即使?jié)M載，輸出電路也是升壓的。其實(shí)即使在過載150%的情況下，輸出電路降壓也是有限的。計(jì)算可得：時(shí)可見此時(shí)輸出電路降壓

為求輸出電壓為額定值時(shí)，逆變電路所需輸出的電壓，應(yīng)在負(fù)載最重、功率因數(shù)最低的情況下計(jì)算。

本例中負(fù)載最重為過載150%時(shí)，功率因數(shù)最低為0.8，此時(shí)：可見輸出電路此時(shí)降壓嚴(yán)重

連續(xù)工作狀態(tài)的參數(shù)和短期過載狀態(tài)時(shí)的參數(shù)有較大區(qū)別，互相之間有較大的矛盾，必要時(shí)應(yīng)采用其它措施。如：采用基波零阻抗濾波電路。

逆變電路UiLCL’RUoILC’8、逆變電路輸出正弦電壓理論上半橋電路輸出電壓為：全橋電路輸出電壓為：三相橋式電路輸出線電壓為：

實(shí)際上由于橋臂上下管互補(bǔ)通斷時(shí)要保留“死區(qū)”間隔，開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)有壓降，因此，輸出電壓達(dá)不到0.612E,而只能達(dá)到：K為“死區(qū)”間隔引起的壓降系數(shù)為開關(guān)頻率本例中：m為同一電流通路中的開關(guān)器件數(shù)，本例中為2。若取“死區(qū)”間隔為則：

開關(guān)器件飽和壓降根據(jù)器件參數(shù)，通過查手冊(cè)得到，一般為2~5V。本例取為3V。因此，E要按有可能出現(xiàn)的最低電壓取值若取考慮整流濾波電路的壓降后，實(shí)際取為：450（V）則三相逆變電路輸出線電壓為：實(shí)際取為：AC250（V）9、逆變電路和輸出電路之間的電壓匹配UmL1CL’RUoIO根據(jù)7、中算出的輸出電路輸入端最高電壓和8、中算出的逆變電路輸出線電壓可知：為使逆變電路和輸出電路之間的電壓匹配，需在兩者之間加入電源變壓器，用PWM方式降低逆變電路輸出電壓的方式是不妥的，這會(huì)嚴(yán)重降低開關(guān)器件及輸入電壓利用率。N:1IL1UiLCL’RUoIO設(shè)變壓器變比為N:1，畫出原副方各參數(shù)的矢量圖。

以付方輸出電壓UO為基準(zhǔn)矢量，變壓器原方電壓Um=NUO,付方電流IO如圖示（滯后），原方電流IL1=IO/N。根據(jù)：根據(jù)矢量圖可得：

以上為理想變壓器，由于實(shí)際變壓器有內(nèi)阻，需要激磁等原因，變比N和原方電流應(yīng)略作調(diào)整。如：折算后的L1CL’RUoIL1L1CL’RUoIL1L1根據(jù)電路接法不同，參數(shù)有所不同。一般常用右圖接法，流過L1的電流為左圖的倍。依據(jù)儲(chǔ)能不變?cè)瓌t右圖接法時(shí)L1為：10、根據(jù)開關(guān)器件中流過的電流選開關(guān)器件開關(guān)器件中流過的電流為：開關(guān)器件中電流有效值：開關(guān)器件中電流峰值：開關(guān)器件電流可選為使用電流峰值的1.5~2倍在連續(xù)情況下選2倍，則：在過載情況下選1.5倍，則：

根據(jù)實(shí)際情況，器件可選300安或400安的管子。選300安的管子經(jīng)濟(jì)性較好。選400安的管子可靠性較高。

特別注意有些情況下當(dāng)和相差較大時(shí)，例如技術(shù)要求中過載倍數(shù)較大，此時(shí)無論如何器件電流也要大于。11、主開關(guān)器件耐壓

主開關(guān)器件的耐壓，要根據(jù)所有工況下的最高電壓考慮。主開關(guān)器件承受最高電壓時(shí)刻一般出現(xiàn)在輸入電壓最高，輸出負(fù)載最輕的情況下。本例設(shè)輸入電壓為AC380V±10%，則最高輸入電壓可達(dá)AC418V，經(jīng)整流濾波后，可能出現(xiàn)的最高直流電壓為：

在沒有其他因素的情況下，開關(guān)器件耐壓要選為實(shí)際工作電壓的2倍。實(shí)際可選：1200V耐壓的開關(guān)器件。12、變壓器計(jì)算

變壓器除電氣參數(shù)計(jì)算外，在實(shí)際加工制造前還需進(jìn)行各種機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算，為制造提供依據(jù)。變壓器的計(jì)算，主要是算出變壓器的額定功率、初級(jí)線圈電流、鐵心的截面積、各線圈的匝數(shù)、線圈所用導(dǎo)線的直徑和核算鐵心窗口面積等幾方面。

變壓器原理如右圖，計(jì)算步驟如下：計(jì)算變壓器的額定功率：由圖可知，變壓器輸出功率為輸入功率為初級(jí)線圈電流（A）次級(jí)各線圈電流（A）初級(jí)線圈電壓（V）次級(jí)各線圈電壓（V）因?yàn)槲粗?，那末可按下式求得近似值?/p>

式中變壓器的效率

變壓器的效率與變壓器功率有關(guān)，可參考下表：功率（伏安）效率（%）30~50100~20050~10070~8080~8585~9090~95變壓器效率與功率關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)變壓器的額定功率為：計(jì)算初級(jí)電流（）：

式中K是變壓器空載電流大小決定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，容量越小的變壓器，K越大。一般選1.1~1.2計(jì)算變壓器鐵心凈截面積（SC)急促截面積SC’

計(jì)算變壓器鐵心截面積的目的是要確定采用什么規(guī)格的硅鋼片，疊厚多少。鐵心截面積SC和變壓器功率有關(guān)，一般可按下列公式求得：

式中系數(shù)K，根據(jù)硅鋼片質(zhì)量而定，質(zhì)量越好，K值越小。一般選在1.0~1.5之間。

由于硅鋼片之間的絕緣和空隙，實(shí)際鐵心截面積略大于計(jì)算值，應(yīng)為：

式中KC是硅鋼片的疊片系數(shù)，它與硅鋼片厚度有關(guān)。一般0.35mm厚熱軋硅鋼片的KC=0.89；冷軋硅鋼帶的KC=0.92。根據(jù)算出的SC’求硅鋼片中間舌寬a。變壓器舌寬是有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的，可查手冊(cè)得到。鐵心疊厚b的計(jì)算

鐵心厚度b與舌寬a之比，應(yīng)在1~2之間，否則應(yīng)重新選取鐵心截面積SC’。計(jì)算各線圈的匝數(shù)確定每伏匝數(shù)（No）f~電源頻率

Bm~鐵心磁通密度，單位高斯。一般冷軋晶粒取向硅鋼帶，取12000~14000；熱軋硅鋼片取10000~12000；

算出NO后，根據(jù)每組線圈的工作電壓就可用下式求出每組線圈的匝數(shù)：初級(jí)次級(jí)

式中，1.05~1.1是因?yàn)榫€圈導(dǎo)線的銅阻產(chǎn)生電壓降而增加匝數(shù)的系數(shù)。計(jì)算各線圈導(dǎo)線直徑導(dǎo)線直徑可用下列公式計(jì)算：導(dǎo)線電流式中S導(dǎo)線截面積（平方毫米）

d導(dǎo)線直徑（毫米）

j電流密度（安/平方毫米）j可取2~3（安/平方毫米）為了安全（減少發(fā)熱）可取小一些，為了經(jīng)濟(jì)可取大一些。如取時(shí)如取時(shí)

根據(jù)計(jì)算出的直徑d，查表選出標(biāo)稱直徑接近而稍大的標(biāo)準(zhǔn)漆包線。初級(jí)次級(jí)校核鐵心窗口面積

變壓器線圈繞在框架上，每層線圈之間一般均有絕緣層。線圈厚度、絕緣層厚度和框架厚度的總和應(yīng)小于選用鐵心窗口寬度，否則，應(yīng)重新計(jì)算或重選鐵心才行。

鐵心選定后，窗口高度h可查表得到，其框架長(zhǎng)度亦等于h。線圈在框架兩端共留10%不繞線。因此，框架的有效長(zhǎng)度為：

計(jì)算各線圈每層可繞匝數(shù)Nn

式中KP~排繞稀疏。按線徑粗細(xì)，一般選在1.05~1.15之間，圈數(shù)多取大一些。d’n~導(dǎo)線連同絕緣層的有效直徑。

每組線圈需繞的層數(shù)，可用下式求出：

式中N~各線圈匝數(shù)

Nn~各線圈每層可繞匝數(shù)初級(jí)線圈的總厚度應(yīng)為：

式中a~層間絕緣厚度。導(dǎo)線直徑0.2mm以下的，采用一層厚度為0.02~0.04mm的絕緣紙;在0.2mm以上的，采用0.05~0.08mm厚的絕緣紙；再粗的導(dǎo)線，可采用相應(yīng)更厚的絕緣紙。r1~線圈間絕緣厚度。是初、次級(jí)線圈之間的絕緣層。當(dāng)電壓在500伏以下時(shí)，可用2~3層電纜紙。若再加上二層聚酯薄莫，防潮效果更好一些。

同樣算出次級(jí)線圈的厚度：H2、H3、???????????線圈層數(shù)導(dǎo)線外徑絕緣層厚度

次級(jí)繞組間絕緣層厚度???????????????????????????所有線圈的總厚度為：式中H0~線圈框架的厚度（mm）1.1~1.2疊繞系數(shù)。

如果H<C（窗寬）時(shí)，即可進(jìn)行線圈的繞制。否則要再選鐵心，重新計(jì)算。abchbahc殼式鐵心心式鐵心例：試計(jì)算一臺(tái)低壓照明用變壓器，其輸入電壓U1=220V,輸出電壓U2=36V,功率為250VA。求其各項(xiàng)數(shù)據(jù)。解：已知U1=220V，U2=36V，P2=250VA計(jì)算變壓器額定功率P查表，該變壓器效率輸入功率P1為次級(jí)電流額定功率P為計(jì)算初級(jí)電流I1，取K=1.1，則計(jì)算鐵心凈截面積SC及粗截面積S’C選用熱軋硅鋼片，KC=0.89，K取1.25，由表查出鐵心舌寬，a=40mm,此值在1~2之間，可用。計(jì)算各線圈匝數(shù)

f=50HZ，取Bm=11000高斯，每伏匝數(shù)初級(jí)匝數(shù)實(shí)取451匝次級(jí)匝數(shù)實(shí)取78匝計(jì)算導(dǎo)線直徑取電流密度查表，以上兩種漆包線最大外徑為校核鐵心窗口面積鐵心窗口的有效高度h由表查得為72mm，因此，初級(jí)線圈每層匝數(shù)為初級(jí)線圈需繞層數(shù)次級(jí)線圈每層匝數(shù)為次級(jí)線圈需繞層數(shù)

骨架用1毫米厚的絕緣板制作，外包兩層0.05毫米厚的絕緣紙及兩層0.05毫米厚的聚酯薄膜，即H0為1.2毫米。

線圈之間絕緣取0.12毫米厚的絕緣紙和0.05毫米厚的聚酯薄膜各兩層，即初級(jí)線圈總厚度次級(jí)線圈總厚度線圈總厚度

由表查得GE40鐵心窗口寬度C=26mm，H<C，故計(jì)算結(jié)果可用。13、單相C型變壓器計(jì)算C型變壓器是采用晶粒取向冷軋硅鋼帶卷繞而成的一種變壓器。具有材料利用率高、電磁性能好、工裝簡(jiǎn)單、體積小、重量輕和效率高等優(yōu)點(diǎn)。C型變壓器的結(jié)構(gòu)有心式（CD型）和殼式（ED型）C型鐵心變壓器設(shè)計(jì)方法如下：計(jì)算變壓器功率根據(jù)P2值選擇鐵心（初選）從表中可查出各有關(guān)參數(shù)計(jì)算初級(jí)功率計(jì)算初、次級(jí)匝數(shù)從表中查出初、次級(jí)每伏匝數(shù)

N1=U1×初級(jí)每伏匝數(shù)

N2=U2×初級(jí)每伏匝數(shù)計(jì)算空載和初級(jí)電流從表中可查出220V時(shí)的：

IC

銅鐵損，有功

Iφ

激磁電流

IO

空載電流初級(jí)電流計(jì)算次級(jí)有功電流折算到初級(jí)次級(jí)無功電流折算到初級(jí)負(fù)載時(shí)初級(jí)有功電流負(fù)載時(shí)初級(jí)無功電流額定負(fù)載時(shí)初級(jí)電流計(jì)算初、次級(jí)線圈導(dǎo)線截面積，選擇線徑

從表中可查出初、次級(jí)的電流密度，功率較小的變壓器的j和j2會(huì)不一樣，功率較大的變壓器j=j2。導(dǎo)線截面積根據(jù)S可算出導(dǎo)線直徑d或邊長(zhǎng)a×b（矩形線）15、本設(shè)計(jì)輸出濾波電抗器

根據(jù)第9、10節(jié)設(shè)計(jì)如圖所示三相逆變器輸出電路中，L的電感量約為185.333微亨L1CL’RUoIL1一、根據(jù)式其中：注意：400HZ時(shí)，KS、j、B比50HZ時(shí)下降。

查表可選：400HZCD32×64×130的鐵心。它的SQ為：導(dǎo)線截面積計(jì)算：查表選矩形截面玻璃絲包絕緣導(dǎo)線。匝數(shù)計(jì)算：查表可得這種鐵心的每伏匝數(shù)為，0.43

根據(jù)實(shí)際情況，可選N=（22~24）匝，在兩個(gè)心柱上各繞11~12匝，裝配時(shí)，通過調(diào)整鐵心氣隙，得到所需的電感量。16、空心電抗器的計(jì)算

有些場(chǎng)合要求的電感量很小，或是要求較好的線性，這時(shí)可用空心電抗器。空心電抗器的電感量與線圈的幾何形狀及線圈匝數(shù)有關(guān)，可以根據(jù)通過電流的大小選擇一定的導(dǎo)線截面積，然后假設(shè)幾個(gè)尺寸大?。ㄈ鐖D）及線圈匝數(shù)進(jìn)行試算，重復(fù)修改幾次，就可得到所需要的電感。多層線圈的計(jì)算公式如下：Dd式中D~線圈的平均直徑（cm）~線圈的平均高度（cm）d~線圈的厚度（cm）N~線圈匝數(shù)例：已知線圈N=500匝，D=16(cm)，d=3(cm)，=10(cm)則電感為

這個(gè)公式是近似的，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際會(huì)有誤差，但對(duì)初步估算有用，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可通過實(shí)測(cè)校驗(yàn)。17、主開關(guān)器件的保護(hù)

電力電子裝置主開關(guān)器件的保護(hù)主要在兩個(gè)方面：①器件控制極保護(hù)；②器件主開關(guān)極的保護(hù)；①器件控制極保護(hù)當(dāng)今電力電子裝置中用的主開關(guān)器件以電壓型開關(guān)器件占主導(dǎo)地位（控制特性好，驅(qū)動(dòng)功率小），但存在的問題是：控制極比電流型開關(guān)器件容易損壞，在設(shè)計(jì)安裝不合理時(shí)更是如此。IGBT、MOSFET都是最常用的電壓控制型開關(guān)器件。它們共同的特點(diǎn)是：控制極（柵極回路）都可以等效為一個(gè)電容器。柵極回路的擊穿電壓BVGS均為±20V，一般使用中不超過±15V，實(shí)用的典型柵極電路如圖所示：RgRgsW1W2VgsRg是柵極驅(qū)動(dòng)限流電阻，Rg越小柵極獲得的驅(qū)動(dòng)電流越大，開關(guān)器件的開關(guān)速度越快。

太小的Rg會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電路負(fù)荷過重，例如，驅(qū)動(dòng)電路輸出電流峰值Ip=2(A)，輸出電壓VO=15(V)時(shí)，Rg小于7.5歐姆就可能造成驅(qū)動(dòng)電路過載。

過快的開關(guān)速度對(duì)開關(guān)器件也不絕對(duì)有利，特別是關(guān)斷時(shí)，過快的速度會(huì)造成過大的dv/dt，對(duì)器件的可靠關(guān)斷不利。Rg太大會(huì)造成開關(guān)器件的開關(guān)過渡過程變長(zhǎng)（功耗增加）同樣不利。Rg具體大小可參考器件資料，一般電流容量越大的器件（Cgs大）Rg越小，電流容量越小的器件（Cgs?。㏑g越大。在實(shí)際電路中，可通過實(shí)驗(yàn)在典型值附近調(diào)整。Rg1RgsW1W2VgsRg2

在要求開通和關(guān)斷時(shí)間常數(shù)不一樣的應(yīng)用場(chǎng)合，可用右圖所示電路，由Rg1決定開通時(shí)間，Rg2決定關(guān)斷時(shí)間。Rgs的大小與開關(guān)器件的反壓耐受力有關(guān)。Rgs越小，開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)能承受的反壓越高，但對(duì)驅(qū)動(dòng)電路不利。因?yàn)殡妷盒烷_關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路一般都按脈沖工況設(shè)計(jì)，Rgs過小時(shí)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上變成了連續(xù)工況。Rgs一般可選在10K左右。W1和W2為驅(qū)動(dòng)電壓限幅二極管，一般選16~18V的穩(wěn)壓二極管，反串后具有±17~19V的雙向限幅特性，可防止驅(qū)動(dòng)電壓超過±20V。

以上元件在實(shí)際電路中應(yīng)盡量靠近開關(guān)器件柵極布置，以便減少引線電感帶來的不利。器件主開關(guān)極的保護(hù)

主開關(guān)極的保護(hù)電路至關(guān)重要。最典型的電路原理如右圖所示。LRDCL和C是防止器件過高的di/dt和dv/dt的兩個(gè)關(guān)鍵元件（原理略）。

該電路缺點(diǎn)是，功耗大，R在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)要消耗C中所有的能量。

原理上，當(dāng)開關(guān)器件開通時(shí)，C上的電壓必須通過R放光，才能保證器件關(guān)斷時(shí)C對(duì)dv/dt的限制，這樣RC時(shí)間常數(shù)便導(dǎo)致器件最小開通時(shí)間設(shè)計(jì)困難。例如：當(dāng)C=0.1微法，UC=500伏，f=10KHZ時(shí)，R功耗便達(dá)到125瓦，三相電路有六個(gè)開關(guān)器件，僅這一項(xiàng)便要耗費(fèi)750瓦。

開關(guān)管開通時(shí)，流過的電流是負(fù)載電流及R中電流的和，當(dāng)R較小時(shí)，開關(guān)器件有可能承受過大的電流。一種較為理想的緩沖電路如圖所示：LRC1C2+ED1D2

其中L、R、C1、C2、D1、D2（僅標(biāo)注一相）等元件為緩沖電路元件。T1T2AIZ-EZ

設(shè)某段時(shí)間內(nèi)，負(fù)載電流如圖中IZ所示，大小不變。當(dāng)T1開通時(shí)，IZ（紅色）經(jīng)電源正，L，T1流向負(fù)載Z；

當(dāng)T1關(guān)斷后，IZ（黃色）經(jīng)電源正，L，D1，C1流向負(fù)載。UC1逐漸升高，T1的dv/dt受到限制。A點(diǎn)電位逐漸下降，直至UA等于電源負(fù)，T2續(xù)流二級(jí)管導(dǎo)通。此時(shí)UC1=E，IC1變?yōu)榱?，IZ（紫色）全部流過T2續(xù)流二級(jí)管。在此期間，T2可能處在開通狀態(tài)，但電流仍流過T2的續(xù)流二極管。LRC1C2+ED1D2T1T2AIZ-EZIZLRC1C2+ED1D2T1T2AIZ-EZ

當(dāng)T1再次導(dǎo)通時(shí)，T2續(xù)流二極管沒有關(guān)斷前，T1和T2的續(xù)流二極管處在直通狀態(tài)，此時(shí)，T1中的di/dt受到L的限制，以di/dt=E/L的恒定變化率增長(zhǎng)。

當(dāng)T2的續(xù)流二極管逐漸關(guān)斷后，IZ已逐漸轉(zhuǎn)移到了T1，此時(shí)UA電壓逐漸升高，其上升速率受到C1向C2放電過程的限制，直到C1向C2放電完畢，UA才又等于E。

在此期間，放電電流IC（藍(lán)色），由L、C1諧振參數(shù)決定。ICC1向C2放電，必然使UC2上升，而當(dāng)UC2>E時(shí)，C2則經(jīng)過R向電源E饋送能量，因此該電路具有較高的效率。

該電路的特點(diǎn)：一個(gè)電容C1在充電和放電過程中限制了兩個(gè)開關(guān)管T1、T2的dv/dt，沒有最小開通時(shí)間限制，可回饋緩沖能量。元件計(jì)算：主開關(guān)器件每微秒電流上升率ΔI:如果E=500V，L=10μ

H，Δt=1μS則主開關(guān)器件每微秒電壓上升率：如果I=100A，C1=0.1μ

f，Δt=1μS則C2一般取：C2=（15~20）C1R在幾十歐姆以下，時(shí)間常數(shù)RC2應(yīng)與UC2脈動(dòng)周期時(shí)間相當(dāng)。本例中，UC2脈動(dòng)周期為：實(shí)選：5~10歐姆即可。

逆變電路輸入端需要直流電源，一般情況下，該直流電源都由工頻電源經(jīng)整流濾波后得到。18、輸入濾波電路

整流電路輸出的是脈動(dòng)直流電壓，即便是三項(xiàng)整流電路，輸出電壓波形如圖所示，其電壓波動(dòng)仍然很大，對(duì)逆變電路不利，影響輸出電壓波形和穩(wěn)定性。

另外，整流電路只允許單向?qū)щ?，無法提供反向電流通路，作為電壓型逆變電路來說是不允許的，基于以上原因，DC濾波電路成為必不可少的環(huán)節(jié)。1.35UL1.414UL1.225ULDC濾波電路由L、C元件組成，如圖所示：CLUiUO

他是一個(gè)具有低通特性的二階電路。19、直流電抗的設(shè)計(jì)DC濾波電路中的L和交流電抗有所不同，在該L中要通過很大的直流電流和一定的交變電流。處在直流工作狀態(tài)下的有芯電感受直流磁化的影響，極易發(fā)生偏磁飽和，為保持電感的線性度，這類電感在制作時(shí)磁路上要保留較大的氣隙。設(shè)計(jì)步驟：計(jì)算，Id

為L(zhǎng)中的直流電流。經(jīng)查表求出所需鐵心的重量。根據(jù)重量查表找到合適的鐵心。再根據(jù)求出匝數(shù)

可以看出，鐵心線圈的電感量L與匝數(shù)N的平方成正比，與鐵心凈截面積SC成正比，與等效磁路長(zhǎng)度成反比。等效磁路長(zhǎng)度不僅與有關(guān)，還與鐵心相對(duì)導(dǎo)磁率有關(guān)。例如：常用的電工硅鋼片的相對(duì)導(dǎo)磁率此時(shí)：玻莫合金的相對(duì)導(dǎo)磁率

當(dāng)鐵心B值接近飽和值時(shí)，急劇減小，電感量L也隨之減小。

應(yīng)用中如要求L為恒定值時(shí)，B值不要太大，當(dāng)鐵心中實(shí)際B值比其飽和B值小10%~20%時(shí)，可近似認(rèn)為：此時(shí)：校核窗口面積。

在實(shí)際繞制中，也可以比計(jì)算出的N多繞10%~20%，以便通過改變氣隙的大小調(diào)整電感量。求導(dǎo)線截面積，選線。注意：按此設(shè)計(jì)繞制的電感值比實(shí)際值要小一些，在上述計(jì)算中只考慮了主磁通的作用。本設(shè)計(jì)DC電抗器電感值為：0.8435mH查表鐵心重量約為14公斤查表選CD40×80×200鐵心(14.7Kg)SC=29.5平方厘米實(shí)選36匝導(dǎo)線選擇和窗口校核：略直流電抗的測(cè)試：測(cè)試電路圖DCIACIACVVS~ERL’LC調(diào)整R使直流電流達(dá)要求值；調(diào)整交流信號(hào)源的頻率和電壓，使交流電流和直流電流比例合適；測(cè)出L上的交流電壓；用伏安法算出阻抗和電感。一、基本要求：1、輸出電壓：AC三相四線正弦波2、輸入電壓：AC三相380V±10%3、輸入電壓頻率：50±5HZ4、負(fù)載功率因數(shù)：COSφ=0.7~1.0滯后（60HZ）

COSφ=0.8~1.0滯后（500HZ）5、負(fù)載短時(shí)過載倍數(shù)：150%二、設(shè)計(jì)者選題電力電子裝置設(shè)計(jì)題輸出功率KVA輸出頻率60HZ輸出頻率500HZ輸出電壓115/200V輸出電壓230/400V輸出電壓115/200V輸出電壓230/400V1358101520305020、控制電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)主電路保護(hù)的設(shè)置這里所講的保護(hù)，主要是針對(duì)電源變換裝置里的器件，需要保護(hù)的狀態(tài)包括：過電壓、過電流、過熱等。

電力電子裝置里的許多元件，特別是半導(dǎo)體器件，對(duì)電壓電流非常敏感，正確地設(shè)置保護(hù)電路，對(duì)電源變換裝置的安全運(yùn)行至關(guān)重要。過電流：過電流是最容易出現(xiàn)的故障，可分為兩類，一類是由電源變換裝置的供電對(duì)象-----負(fù)載引起的，負(fù)載過重甚至發(fā)生短路，必然導(dǎo)致裝置內(nèi)的器件發(fā)生過流。第二類過流故障發(fā)生在裝置電路內(nèi)部，當(dāng)器件參數(shù)變化，損壞，溫度變化，電路整定參數(shù)發(fā)生變化時(shí)均可能發(fā)生。

從電路結(jié)構(gòu)看，負(fù)載接于輸出濾波電路之后，當(dāng)負(fù)載過重或短路發(fā)生時(shí)，首先是濾波電容的電流快速上升，濾波電感的電流上升的較慢（決定于濾波電路的輸入電壓、濾波電感的電感量和負(fù)載）。

逆變電路UiLCL’RUoILIOIC

如果過流狀態(tài)維持時(shí)間過長(zhǎng)，增長(zhǎng)到了較大數(shù)值，則會(huì)使主電路開關(guān)器件受到損壞。IL

為了防止這種過流導(dǎo)致故障發(fā)生，必須盡快檢測(cè)出電流的變化，并通過保護(hù)電路制止過流繼續(xù)發(fā)展，因此過流檢測(cè)裝置應(yīng)該設(shè)置在濾波電容之后的電流通路上（AB之間）。AB負(fù)載電流檢測(cè)裝置

對(duì)于交流電流，過流檢測(cè)裝置可使用電流互感器或霍爾電流檢測(cè)器件，它們的檢測(cè)速度較快，線性好，霍爾電流檢測(cè)器件較貴，電流互感器較經(jīng)濟(jì)。

電流互感器如圖所示：在環(huán)形導(dǎo)磁鐵心上穿繞N匝（黃色），被檢電流導(dǎo)線穿過鐵心（紅色），則：URIOUR可作為輸出電流信號(hào)，向保護(hù)電路提供。

對(duì)于直流電流，過流檢測(cè)裝置可使用電流分流器或霍爾電流檢測(cè)器件。分流器原理和電阻相同，當(dāng)直流電流通過分流器時(shí)，在其兩端產(chǎn)生壓降，可用該電壓向保護(hù)電路提供電流信號(hào)。用分流器檢測(cè)電流時(shí)，如不采取特殊措施，主電路和保護(hù)電路將共地?；魻柶骷t不會(huì)。

保護(hù)電路的控制結(jié)果，根據(jù)需要可設(shè)計(jì)為限流型或截止型。不允許電源變換裝置斷電時(shí)，須按限流型設(shè)計(jì)，電路原理較為復(fù)雜。截止型保護(hù)電路原理較為簡(jiǎn)單。

第二類過電流保護(hù)的設(shè)置較為復(fù)雜，不同的電路有各種保護(hù)方案。就本例而言，電路內(nèi)部的過電流，均可反映到逆變電路輸入端的直流母線上，為了簡(jiǎn)化電路，可在輸入端設(shè)置過流檢測(cè)裝置。電路如圖所示：輸入整流濾波電路逆變電路輸出電路直流電流檢測(cè)裝置CD

過流檢測(cè)裝置應(yīng)該設(shè)置在濾波電路之后的電流通路上（CD之間）。

逆變電路直流端輸入的是脈動(dòng)直流，考慮到隔離要求，電流檢測(cè)裝置一般都使用霍爾器件