5.2 电力电子设备中磁元件的工作情况

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1、5.2电力电子设备中磁元件的工作情况电力电子设备的主电路中都大量使用磁元件，如各种变压器、电抗器和具有各种用途的电感等。因此，研究磁元件的工作过程是在设计、维护和使用电力电子设备中的一个不可回避的问题。由于电力电子设备主电路的不同、磁元件作用的不同、工作频率和波形不同等原因，各磁元件的选材、结构、尺寸的差别是非常大的。磁性材料工作状况也有很大的差异。常见的有以下三种工作情况。1．通过励磁绕组的电流是纯粹的交流电流在整流变压器、推挽式变换器和桥式变换器的输出变压器等元件中，初级（激磁）绕组中的电流中没有直流

2、成分。电流从负的最大值上升到正的最大值，然后又从正的最大值减小到负的最大值，如此做周期性的变化。由于电流做周期性变化，且正负最大值相等，那么磁路中的磁场强度也随之做周期性变化：从-Hm逐渐增大到+Hm，然后又减小到-Hm。由于B与H的非线性关系，在H-B平面上，运动轨迹是一个闭合的回线，闭合线对称于原点，包含4个象限，如图5-4所示。BBri磁感强度变化量tH0图5-4电流为纯直流时磁场的变化情况在图5-4中，虚线为磁性材料的磁滞回线，粗实线为磁路工作时B-H的运动轨迹。这种工作方式由于工作在4个象限，没

3、有直流磁化，而且工作在磁滞回线斜率最大的区域，所以在磁场强度变化量ΔH不大的情况下也可以得到较大的磁感应强度变化量ΔB，这样有利于提高磁芯材料的利用率。PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.fineprint.cn2．激磁电流从0到最大值做单方向的周期变化这种情况多发生在单端变换器电路中。单向电力电子开关与变压器的初级绕组串联，电路工作时电子开关周期性地通断电子开关关断。电子开关接通时，绕组中的电流从0逐渐上升，达到最大值时开关关断，初级绕组中的电流随即消失，但磁场仍然存在，磁场

4、强度H由其它绕组（如单端正激电路中的消磁绕组；单端反激电路中的输出绕组）中的电流维持。然后H逐渐下降，最终到0，完成一个工作周期。晶闸管电路的触发脉冲变压器的工作情况也与上述类似。这种情况磁场的变化如图5-5所示。iB磁滞回线0Ht0图5-5激磁电流单方向变化的工作情况在图5-5中，虚线表示磁性材料的磁滞回线，实线为B-H的运动轨迹。磁性材料只工作在B-H平面的第一象限，运动轨迹形成一个闭合的曲线，该闭合曲线有一点和横轴相交。这种模式与第一种工作情况相比，同样的磁场强度变化量ΔH引起的磁感强度的变化ΔB要

5、小一些。3．激磁电流中包含着较大的直流成分B磁感强度变化量i0Ht磁场强度变化量0图5-6激磁电流中包含着较大的直流成分时的工作情况这种情况最具代表性的磁性元件是直流变换器、整流器等电路中的滤波（储能）电感。电感的电流中一般都有一个较大的直流分量，在其上面叠加着一定的波动成分，波动成分也PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.fineprint.cn是周期性的。电流（磁场强度H与之成正比）从最小值增大到最大值，然后又下降到最小值，完成一个工作周期，磁感应强度B也随H做周期性的变化。

6、由于B和H之间非线性的关系，在B-H平面上，B-H的运动轨迹也是一个闭合曲线。磁场和电流的变化如图5-5所示。由图可以看出，闭合曲线与横轴和纵轴都不相交，处于第一象限的右上部。电流中的直流成分越大，闭合曲线的位置就越靠上，也就是越接近磁化曲线的饱和区，如果电流过大，磁场强度超过了饱和值，电感就失去作用了。为了防止磁饱和，经常在磁芯的磁路中加入气隙。加入气隙后，由于空气或气隙中的其他材料的导磁率要比铁芯材料小得多，所以整个磁路的等效（平均）导磁率比未加气隙时小。反映在B-H平面上，磁滞回线的斜率变得比原来小

7、了，如图5-7所示。B1BS20HS1HS2H图5-7加入气隙后磁滞回线的变化加入气隙前后材料的饱和磁感应强度BS是不变的，由于有气隙的磁路磁滞回线的斜率变小，对应BS的饱和磁场强度HS变大了。图5-7中回线1为未加气隙时的磁滞回线，饱和磁场强度是HS1，回线2是加入气隙后的磁滞回线，相应的饱和磁场强度是HS2。从图中还可以看出，加入气隙后，剩余磁感应强度Br会变小，但磁滞回线与横轴的交点即矫顽磁力没有变化。由于饱和磁场强度变大，而磁场强度与绕组中的电流成正比，所以对同一磁性材料在磁芯中加入气隙后允许通过

8、更大的电流而不至于使磁芯饱和。在电力电子设备的滤波电感的磁路中经常采取这一措施来防止磁芯饱和。PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.fineprint.cn