第8章-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》.ppt

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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,8.2,8.3,8.4,8.5,电力电子装置中的电磁兼容问题,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。,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,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（,B,s,）,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（,B,r,），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,8.2.1,磁性材料的特性,4,、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,T,c,8.2.1,磁性材料的特性,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,H,m,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。,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。,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,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,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,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,34,倍。,8.2.4,电力点在装置中的常用电磁器件,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。,1,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。,8.3.1,变压器设计,其中：,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；,S,z,是变压器的额定容量；,k,z,是变压器的利用系数；系数,k,d,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,，最后再进行,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,：,8.3.1,变压器设计,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,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最简单的一种，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,(,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,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,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,、,工作环境和允许温升,；,2,）,计算变压器的总功率,P,t,：,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,B,m,(T),以,选定某种型号的铁氧体磁芯,；,4,）,确定电流密度系数,K,j,和窗口填充系数,T,；,高频变压器的设计计算步骤：,8.3.1,变压器设计,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“最低价格设计”；在地面上的移动设备应该按“最小重量设计”；在便携式设备中，应该按“最小体积”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,k,1,=1,时，铁芯截面是正方形的；当,k,1,=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,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最大值,U,dmax,这和整流设备所要求的外特性有关，如下图：,决定饱和电抗器交流绕组的匝数,Nj,的因素有两个：,a),最大控制电流与控制绕组匝数之间的关系：,b),饱和电抗器交磁时，在控制绕组中产生的感应电压：,该电压的最大值发生在最大调节深度时，则,N,z,越大，则,I,z,越小，而,U,Zmax,越大；,N,z,越小，则,I,z,越大，而,U,Zmax,越小；,另外，工作绕组安匝数为控制绕组的安匝数的一半。如果 ，则,这样选择的优点是两个绕组可以用相同的导线。,8.3.2,电抗器设计,2.,平波电抗器,设计,平波电抗器的设计步骤如下：,1,）根据给定的原始数据,L,和,I,d,计算,I,d,2,L,；,2,）根据所用硅钢片的磁化曲线确定,B,0,叠片系数一般为,0.95,，由此可计算,:,3,）根据所用导线的绝缘材料和冷却方式,选取电流密度,由此计算结构基数,C(m),：,8.3.2,电抗器设计,4,）按优化设计原则计算，计算出铁芯直径、轭铁高度、磁路长度、铁芯截面积、相对气隙等，最后验算电感量,L,。电感量,L,（,H,）的计算公式：,式中，,A(m,2,),为铁心的截面积；,N,为线圈匝数,;,l,Fe,(m),为铁心磁路的长度；为铁心的相对磁导率；为真空磁导率（,H/m,）,8.3.2,电抗器设计,设计步骤：,首先，计算出同一臂内任意两个整流器件的电流的最大允许差额，决定一个均流电抗器上允许的不平衡电流；然后根据均流电抗器的连接方式，确定其校正系数,k,0,和阳极电流流通的时间,t,；,最后,由结构选定平均磁路长度,l,和匝数,N,。,均流电抗器的数据包括：整流器件的特征数据,、,均流电抗器铁芯所用的磁性材料的特性,、,每臂并联整流器件的数目,、,整流设备的电连接方式,、,电源频率,f,0,等,。,3.,均流,电抗器,设计,8.3.2,电抗器设计,最后，在计算出均流电抗器的尺寸之后，必须检验,其峰值电流,I,pp,式中，,H,G,为工作段最高磁感应密度对应的磁场强度；,H,0,为工作段最低磁感应密度对应的磁场强度,N,为,匝数,，,l,Fe,为铁心平均长度，,m,为根据整流设备连接方式，决定于阳极电流流通时间和周期的比值,其次，根据硅钢片的特性，决定可能的工作区，也可以选用位移励磁铁芯，由工作区求出铁芯的截面积。,8.3.2,电抗器设计,4.,空心电抗器,设计,由于空心电抗器的电感方式有多种，计算的方法也各不相同，常见的有：圆环导线的电感、方框导线的电感、螺线管线圈的电感、多层线圈的电感；单层线圈的电感等，其具体的计算方法要根据具体形式而定。,最后要注意的是根据计算值设计的空心电抗器，制成成品后，要实测其电感值，再与计算值作对比，若有偏差，可调整匝数,N,，即可得到所需电感的精确值。,8.3.2,电抗器设计,解：,1,）预选一种磁粉心，根据磁粉心的,r,值查表,8-4,得出相对应的,NI,值，然后计算,选择,MPP123068,，则：,8.3.3,高频电磁器件设计,举例,在以下给定条件下用,AL,法计算高频电感参数,:,频率,f=100kHz,，电流,I,0,=36.3A,，电压,U,ac,=90V,，电感量,L=132,H,，,工作温,x,=35,，通态时间,t,on,=6.825,s,。,由 数值查表,8-5,得该磁粉的 ，并用磁粉心数目：,取整数，令,n=2,。则两个磁粉心并用时，其参数为：,2,）计算初始电感：,8.3.3,高频电磁器件设计,举例,3),计算匝数,4),计算,NI,及,H,5),计算磁感应强度,6),计算磁耗,8.3.3,高频电磁器件设计,举例,7),计算铜耗，根据每平方毫米流过电流,3-4A,电流，可以选择铜线 ：,上式中，,l,1,是与电感铁心结构有关的参数，可以根据铁心高除,10,再加上,IN,获得。,8),计算总损耗,8.3.3,高频电磁器件设计,举例,9),计算散热系数,10,）计算温升,由于计算温升小于工作温升（,35,度），设计满足要求。,8.3.3,高频电磁器件设计,举例,8.4.1,变压比测量,8.4.2,极性测试,8.4.3,输入阻抗测试,8.4.4,电感与漏感测试,8.4.5,变压器绝缘电阻和抗电强度测试,8.4.6,温升测试方法,8.4,磁性器件的测试,8.4.1,变压比测量,R,1,是电桥臂固定电阻，要求精度为,0.5%,以上，一,般,R,1=1000,；,R,2,是可变交流精密电阻箱，精度不低于,0.5%,；,G,是音频信号发生器；,D,是平衡指示器，通常可用电子管电压表或选频放大器。,当电桥平衡时，,1,电阻变比电桥法,如图,8-5,给出了用电阻变比电桥测量变压比的电路图：,3,电压表法,通过测量电压来确定变压比。当测试电压和频率的选择满足理想变压器条件时，则,同样，变压器两个绕组应顺向串联。,用电阻变比电桥测量变压比时，被测变压器两个绕组的连接应如图,8-5,所示的极性那样正向串联，否则电桥不能平衡。因此，这种方法也能检验变压器绕组的极性,2,用感应分压器测量变压比,用变比变压器来代替图,8-5,中的电阻同样能测变压比。,8.4.1,变压比测量,8.4.2,极性测试,变压器的极性表示铁心中磁通变化时，某一瞬间线圈两端感应电压方向，两线圈感应电压符号相同的端子称作,同极性端,，而符号相反的端子叫,反极性端,。,变压器的极性与线圈绕向有关。,绕在同一铁心柱上的两个线圈，当绕向相同时，其对应端（指同为始端或末端）的极性相同；反之，极性相反。,采用测量变压比的电桥法,利用示波器比较输入、输出波形法,采用中间指零的检流计法,如图，,R,用来调节检流计偏转灵敏度，当变压器极性如图中所示时，开关,K,闭合瞬间，检流计指针偏向,+,，反之则检偏向,-,。,8.4.2,极性测试,8.4.3,输入阻抗测试,变压器的输入阻抗是指次级在额定负载阻抗,R,2,下，变压器输入端所呈现的阻抗。,只有在中间频率段，变压器的输入阻抗才等于 ，而在低频端和高频端，由于初级电感、漏感、分布电容的影响，输入阻抗有较大的变化，因此需要专门的测试。,针对变压器三种不同的工作状态，需要按其实际情况进行测试,无直流磁化按下图电路进行测试：,有直流磁化按下图电路进行测试：,8.4.3,输入阻抗测试,将开关,K,指,1,所标注的一端，施加规定频率的交流电压和直流电流，再将开关接向另一端，记录电压 。然后保持 不变，改变频率，记录不同频率时的 ，按下式计算输入阻抗,:,8.4.3,输入阻抗测试,8.4.4,电感与漏感测试,1,电感测试,变压器初级电感指次级开路时初级绕组的有效电感。根据铁心损耗的等效电阻和绕组的电阻与有效电抗的关系，可有两种形式的等效电路来表示有效电感。,串联等效电路：适用于铁损的等效电阻比绕组电阻小得多的情况；,并联等效电路：适用于铁损的等效电阻比绕组电阻大得多的情况。,电感的测试条件应与变压器或电感器的工作条件相一致。由于变压器铁心磁化曲线的非线性，当频率、交流电压、直流磁化电流变化时，铁心的有效磁导率也随着变化，从而引起电感的变化。测量电感必须规定以下测试条件：测试频率；变压器或电感器两端交流电压；直流磁化电流。,（,1,）伏安法,1),有直流磁化电流时,这种方法适用于电源滤波阻流圈或有直流磁化的音频变压器、开关电源储能电感器或滤波电感。其测试电路如图：,8.4.4,电感与漏感测试,图中,Lx,为被测变压器或阻流圈的电感；,R,为串联无感电阻，其值应满足,R,0.1,欧姆；,V,为电子管电压表；为有效值电压表；,A,为直流电流表；,E,为直流电源，其纹波电压不大于交流测试电压的,3%,；,L,为扼流圈，可用一个被测变压器或阻流圈代替；,C1,C2,为电容器，应使远小于,一般可取,=50,100,，,T1,为调压器，,T2,为隔离变压器，,T1,，,T2,也可用音频信号发生器代替。,8.4.4,电感与漏感测试,测试时，使被测变压器流过规定的直流磁化电流，在规定频率下施加规定的交流测试电压，读取电压表,VR,的读数，则电感,L,X,为,:,式中，为测试频率（,Hz,）；为被测电感（,H,）；,R,为串联电阻（）；为测试电压即电压表,V,指示值（,V,）；为在电阻,R,两端测得的交流电压有效值（,V,）。,8.4.4,电感与漏感测试,在电源滤波限流圈电感测试时，允许用与波纹频率不同的电源作为交流测试源，但其频率与额定波纹频率之差不得超过交流测试源频率的一倍，并且交流测试电压应按下式计算：,式中，为实际频率（,Hz,）；为额定频率（,Hz,）；,U,为额定交流测试电压（,V,）；为改变后的交流测试电压（,V,）。,8.4.4,电感与漏感测试,(2),无直流磁化时,G,为音频信号发生器；,在规定频率下施加规定的交流测试电压,：,式中,r,为变压器或电感器的直流电阻,当 时，电感 可由带直流公式计算。,8.4.4,电感与漏感测试,2.,电桥法,精度高，适用于高、低品质因数测量,(1),采用标准电阻的麦克斯韦电桥,电桥平衡时,:,这种电桥在较宽频率范围内读数准确，对于低,Q,值和中等,Q,值最准确；在单一频率下，能直接读,Q,值。但是 与,Q,平衡是相关的，当,Q,值小于,3,时，平衡比较困难。,8.4.4,电感与漏感测试,图中 为标准电阻。由于,C1,和,C2,能对,R1,起隔直流作用，因此，这种电桥对叠加直流磁化的测量效果较好。电桥平衡时,:,(2),欧文电桥,8.4.4,电感与漏感测试,电感是以并联等效电路的形式出现的,这种电桥可用于铁心损耗测量，对高,Q,值的测量特别准确。电桥平衡时,:,(3),海氏电桥,8.4.4,电感与漏感测试,变压器电桥种类很多，由于变压器比率准确，通用性强，因此，变压器电桥用于测量电感、电容、交流有效电阻或铁损电阻等，测试精度高，操作方便。,(4),变压器电桥,8.4.4,电感与漏感测试,2,漏感测试,漏感是指由线圈间相互不交链的漏磁通所产生的电感，它与线圈尺寸、绕组排列及匝数等有关。漏感通常分为四种：,(1),初级漏感 ，初级漏感是指变压器次级所有绕组短路时，在初级测得的电感。,(2),次级漏感 ，次级漏感是指变压器初级短路时，在次级测得的电感。,(3),初级两半间漏感 ，对初级具有中心抽头的变压器，将次级任一组短路时，在初级一半短路时，在初级另一半测得的电感。,(4),初级对次级一绕组的漏感 ，对于有几个次级绕组的变压器，将次级任一组短路时，在初级测得的电感。,8.4.4,电感与漏感测试,测量漏感一般采用电桥法，如电感测试方法。用电桥法测量漏感应注意以下两点：,(1),测试频率应选择在中频，并远低于漏感 与反射到初级的分布电容 的谐振频率，一般测试频率可采用,1kHz,。,(2),由于漏感的,Q,值较低，在选择电桥上应注意电桥灵敏度和,Q,值平衡调节，以减小测试误差。,8.4.4,电感与漏感测试,8.4.5,变压器绝缘电阻和抗电强度测试,绝缘电阻主要检查变压器绝缘系统的局部缺陷和普遍缺陷，是决定进行抗电强度试验和使用的主要参考数据。变压器峰值工作电位差在,500V,以下的变压器，绝缘电阻的测试电压为直流（,10015,）,V,；峰值工作电位差在,500V,及以上的变压器，测试电压为直流（,50050,）,V,。,变压器绝缘电阻的测试可采用数字型绝缘电阻进行测试，同时应在工作时可能遇到的各种环境条件下进行测试，如高温、低温、湿热等条件。,高压试验设备的试验变压器容量应根据变压器的容量来决定,式中,P,为试验变压器容量（,kVA,）；,f,为试验频率（,Hz,）,;,C,为被试变压器的绝缘几何电容（）；,U,为试验电压（,kV,）。,(1),将试验电压加于被试线圈与铁心之间，其余线圈短接后均与铁心相连，屏蔽层则根据实际情况接铁心或与被试线圈相连。对于试验电压在,2KV,以上的变压器，应从零开始以每秒不超过,2KV,的速率升高，直至下限值；保持规定时间后以同样的速率将电压下降到零。试验电压在,2KV,及以下时，直接将试验电压加至被试线圈上。,(2),试验时变压器不应有击穿、灼热、飞弧等现象，漏电流不应超过规定值，但游离不作击穿判据。,(3),试验频率为,50Hz,。,8.4.5,变压器绝缘电阻和抗电强度测试,8.4.6,温升测试方法,点温度计法：只能测量变压器铁心和线圈的表面温度，不能测线圈内部温度。,热电偶法：测量变压器线圈内部某一点的温度或温度分布,电阻法测温升：利用了导线电阻与温度成正比增加的性质,为线圈平均温升（,K,）,;t,1,(),为测冷态电阻,r,1,时的环境温度,;t,2,(),为测冷态电阻,r,2,时的环境温度,;r,1,(,),为在温度,t,1,时测得的线圈冷态电阻；,r,2,(,),为在温度,t,2,时测得的线圈冷态电阻,;K,为与导线电阻率温度系数有关的常数，铜取,234.5,，铝取,228.1,。,8.4.6,温升测试方法,电阻法测量线圈平均温升的步骤如下：,1,）测量在环境温度为,t,1,时的冷态电阻,r,1,。测量时，应在温度比较稳定的环境下进行。此时，每隔一定时间测一次冷态电阻，至电阻充分稳定后读数。,2,）线圈带负荷工作，负荷可分为直接负荷和间接负荷。,3,）当变压器负荷到规定时间后，先测量变压器各绕组的负载电 压，然后断电测量直流电阻。测量应在环境温度比较稳定时进行，断电后立即用电桥测量线圈的热态电阻,r,2,，或尽快测得,4-5,个点的热态电阻，并记录从断电到测得数据时间，然后用外推法求出断电瞬间的热态电阻,r,2,。,8.4.6,温升测试方法,在实验中需要注意,:,(1),在试验中变压应用螺栓架空,50mm,，测量环境温度的温度计应放在距线圈表面,200300mm,处，试样应避免直接受到风吹以及其他发热体。,(2),所使用的电阻电桥应有足够的灵敏灵，当变压器线圈电阻小于,1,时，应采用凯尔文电桥。同时，测量电阻时的引线与试样冷态电阻相比应不大于,2%,。,(3),当被试变压器有几个绕组时，应测量线圈内部绕组的温升，也就是说，应在接近线圈,1/3,厚度处的绕组上测量，因为这一绕组的平均温升最高。,8.4.6,温升测试方法,(4),当不用外推法时，热态电阻测量应在,20s,左右完成。此外，,t,1,和,t,2,之间温差最大不要超过,5,。,(5),变压器温升达到稳定所需的时间与变压器的质量有关。一般认为在经过,4,5T,的时间后变压器温升即达稳定。其中,T,为变压器发热及冷却时间常数,:,式中,C,为变压器的比热（,W/kg,）,;,G,为变压器的质量（,kg,）,;,为散热系数,(),；,S,(cm,2,),为变压器散热面积。,8.4.6,温升测试方法,8.5,电力电子装置中的电磁兼容问题,8.5.1,电力电子技术中电磁干扰问题,8.5.2,电力电子技术中电磁干扰与电磁兼容标准,8.5.3,电力电子装置中的电磁干扰源,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,电力电子系统中产生的干扰一般分为三类：,1,、电网频率谐波：电力电子系统中带有相控整流环节形成的；,2,、开关频率谐波：系统中高频开关环节产生的；,3,、开关暂态干扰,8.5.1,电力电子技术中电磁干扰问题,电力电子设备从电网获取能量完成各种能量变换的同时会发射一些高频噪声。这些高频噪声或沿导线传播或从空间辐射，与对之相连的各种设备产生不良影响。,电磁兼容设计的基本方法是指标分配和功能分块设计，也就是首先要根据有关的标准把整体电磁兼容指标逐渐分配到各功能模块上，细化成系统级、设备级、电路级和元件级的指标。然后，按照要实现的功能和电磁兼容指标进行电磁兼容设计。,8.5.1,电力电子技术中电磁干扰问题,8.5.2,电力电子技术中电磁干扰与电磁兼容标准,许多国家都遵循有关国际组织制定的,EMC,国际标准，结合本国情况，制定和颁布了一系列的,EMC,国家标准，这些标准详细的规定了测试条件、内容、方法、步骤和技术指标等。,1,、欧洲电磁兼容标准,2,、美国电磁兼容标准,3,、我国电磁兼容标准,8.5.3,电力电子装置中的电磁干扰源,1,、器件级电磁噪声,所有半导体变流装置主电路的核心部件是各类现代功率半导体器件，在这类电力电子装置中，无论是主回路还是控制回路，在器件开关过程中，都存在着高的,di/dt,，它们通过线路或元器件的引线电感引起瞬态电磁噪声。,几种典型的电力电子器件的开关波形：,功率二极管开关时的电流电压波形,8.5.3,电力电子装置中的电磁干扰源,a)SCR,开通时电流电压示意图,b)SCR,产生的,EMI,与其电流容量的关系,8.5.3,电力电子装置中的电磁干扰源,GTO,开、关时电压电流波形：,8.5.3,电力电子装置中的电磁干扰源,2.,高速数字脉冲电路中的门电路造成的开关噪声,一个典型的逻辑门，在“开通”状态，从直流电源抽取,5mA,的电流，而在“关断”状态抽取,1mA,的电流，则开关时刻的电流变化为,4mA,；设其开关时间为,2ns,，电源的引线电感为,500nH,，当这个门开关转换时，在电源线上就会产生,1V,的瞬态脉冲电压。一个典型的系统实际上有许多这样的门。如果综合考虑的话，这些门电路在工作时，电源线上产生的瞬态电压有时可高达数十伏，远远超过其电源电压,(5,伏）。所以对门电路在开关过程中造成的瞬态噪声是必须认真考虑的,8.5.3,电力电子装置中的电磁干扰源,3.,电力电子装置的电磁噪声,（,1,）整流电路造成的谐波干扰和电磁噪声,整流电路与交流供电电网直接相连，所以它本身产生的谐波干扰和电磁噪声以及由它供电的后级电路产生的电磁噪声，均可通过整流电路，以传导耦合的形式引入电网，造成对接在同一电网内的其他设备的干扰。,8.5.3,电力电子装置中的电磁干扰源,考虑一个典型的三相全桥可控整流电路，在可控硅整流器换流时，由于网侧接的大电抗器的影响，使网侧相电压波形出现换流缺口，通过公共电网会造成电磁噪声。,8.5.3,电力电子装置中的电磁干扰源,（,2,）电力电子电力脉冲宽度调制（,PWM,）所造成的电磁噪声,在主功率电路中，通常会流过一系列的,PWM,功率脉冲，其重复频率视应用场合可从几千赫兹到几百千赫兹不等，因而这些脉冲电流中所包含的谐波可以达到几兆赫兹乃至几十兆赫兹的范围，而且它们产生的电磁噪声强度很大。,为了描述这类脉冲列的电磁噪声，在,EMI,分析中，常采用幅度密度函数,(Amplitude Density Function),即频谱分析的方法，其基本思想：分析电力电子电路的电磁噪声时，不去研究噪声信号频谱中各个频率分量的具体准确数值，而是对噪声信号频谱的总宽度以及各频率分量的限度加以分析。,8.5.3,电力电子装置中的电磁干扰源,如上图所示，高频开关电源可在交流电网和负载上产生直接传导的电磁噪声（差模与共模两种噪声传导形式），同时还由于内部高频开关所产生的高次谐波的作用，产生辐射噪声。,（,3,）高频开关电源造成的电磁噪声,8.5.3,电力电子装置中的电磁干扰源,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,1.,屏蔽技术,通过优化电路和结构方案的设计，将干扰源本身产生的电磁噪声强度降低到能接受的水平,通过各种干扰抑制技术，将干扰源与被干扰电路之间的藕合减弱到能接受的程度,电磁兼容设计目的,:,屏蔽技术,是达到上述两个目的、实现电磁干扰防护的最基本也是最重要的手段之一。,屏,蔽,技,术,按欲屏蔽的电磁场性质分类,按屏蔽体的结构分类,电场屏蔽,磁场屏蔽,电磁场屏蔽,完整屏蔽体屏蔽,非完整屏蔽体屏蔽,编织带屏蔽,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,采用金属屏蔽体屏蔽电场必须满足两个条件：完善的屏蔽及屏蔽体良好接地。,对于磁屏蔽通常可以采取两种办法：,1),采用高磁导率材料的屏蔽体进行磁屏蔽,2),采用反向磁场抵消的办法，实现磁屏蔽,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,广义地说，“地”可以定义为一个等位点或一个等位面。,一个良好的接地系统必须达到下列几个目的：,1),保证接地系统具有很低的公共阻抗。,2),在有高频电流的场合，保证“信号地”对“大地”有较低的共模电压。,3),保证地线与信号线构成的电流回路具有最小的面积，避免由地线构成“地回路”。,4),保证人身和设备的安全。,2.,接地,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,按照主要功能划分，接地系统主要由四种子接地系统组成：安全地，信号地，机壳（架）地和屏蔽地。,不同类型控制装置和成套设备组合的系统，应根据其所处的电磁和工作环境，和它们本身及负载的运行特点，遵照前面讨论的接地原则，设计相应的接地系统。,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,通过正确的屏蔽和接地系统的设计，一个电力电子系统的电磁干扰可以得到十分有效的抑制，但是有时电磁干扰的电平可能仍旧高于标准允许的电平。此时对于辐射干扰，除了进一步加强屏蔽以外，别无它法；而对于传导干扰，,滤波,是十分有效的方法。,3.,滤波,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,1),滤波器中用的,LC,元件，具有足够大的无功容量,2),信号处理中用的滤波器，通常总是按阻抗完全匹配状态设计的,3),在,EMC,设计中，对滤波器所用的,LC,元件寄生参数的控制，要求比较苛刻。,4)EMI,滤波器虽然是抗电磁干扰的重要元件，但是，使用时必须仔细了解其特性并正确使用，否则不但收不到应有的效果，而且有时还会导致新的噪声。,在,EMC,兼容设计中所讨论的滤波器与通信及信号处理中所讨论的信号滤波器相比，虽然它们的基本原理相同，但是它们具有下列完全不同的特点，必须在设计中予以足够的注意：,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,电源,EMI,滤波器的输入端通常与噪声源相连接，而输出端则通常与电网相连接，主要目的是防止由电力电子装置产生的传导型噪声进入电网。,标准的,EMI,滤波器通常是由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波电路，设计,EMI,滤波器的主要问题是确定最经济的电路结构。,EMI,滤波器常常看作六端口网络：,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,常用的,EMI,滤波器的基本电路结构如下图所示：,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,一个载流的触点开关在断开或闭合的瞬间，两个触头之间可能会发生短时间的电击穿现象,辉光放电和弧光放电。这些由电击穿引起的放电过程，一方面会损伤开关的触头，降低它们的使用寿命；另一方面会同时产生短时间的高频辐射和在线路中引起电流、电压的浪涌，这些浪涌电流和电压又可能干扰其他电路，因此，必须采用相应的措施对开关进行防护，既保护开关触头，同时又抑制由于浪涌和触头间放电造成的传导、辐射噪声。,4.,瞬态噪声抑制,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,对于辉光放电和弧光放电两类气体放电过程加以分析，触头间隙气体击穿时触头电压降和触头间隙的关系如下图所示：,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,进而得到触头击穿特性：,为了避免触头在闭合或分离时在气隙间产生气体击穿，须满足以下条件：,1),使触头间电压始终保持低于,300V,，可以防止产生辉光放电；,2),使触头电压的起始上升率低于产生弧光放电的临界值（对大多数触头来说，该值略大于,1V,），则不会产生弧光放电。,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,下面举带电感负载的开关电路为例具体说明如何利用触头击穿特性，分析触头间的击穿放电现象。,打开开关,S,时，开关,S,两端将产生瞬态电压，假设触头间不产生击穿,LC,将产生谐振，这个假想的、因谐振产生的瞬态端电压称为“可能的开路电压”,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,将触头击穿特性和“可能的开路电压”特性，画在一起分析,一旦触头两端产生击穿，,C,则放电，流过开关,S,的电流受到外电路的限制。如果通过设计，使得击穿后的外电路电流低于维持弧光放电（或辉光放电）所需的最低电流，那么，触头间的放电就只能维持到,C,两端电压因放电而低于弧光维持电压,(,或辉光放电维持电压）为止,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,如果人为地加大,C,的电容量，使开关,S,开断时产生的“可能的开路电压”低于触头击穿特性，也不会产生击穿。可是这种方案将导致开关,S,闭合时，产生很大的电容器充电电流，也可能因此造成触头损坏。,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,由上述分析可见，对所有有触点开关控制的电路（特别是电感性负载电路）而言，在开关断开或闭合瞬间，开关触头间都可能因电感贮存磁能的释放，造成瞬态高电压或瞬态冲击电流，而出现触头气隙击穿和放电过程。这不但会导致放电辐射和传导浪涌噪声，而且还会因此降低触头使用寿命。,因此在设计时必须采取相应措施进行防护。,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,为了保护用于电感负载的开关触点，及减小因触点间瞬时击穿而引起的辐射与传导噪声，常常在电感负载两端、开关触点两端或同时在两者两端并接各种触点保护电路，究竟采用哪种保护电路，视具体情况而定。,如下图为六种常用的接在电感两端的瞬时噪声抑制电路：,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,如下图为三种常用的接在开关两端的开关保护电路：,8.5.4,电力电子技术中的电磁兼容设计,