开关磁阻电机不对称桥功率变换器热分析

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1、博士学位论文开关磁阻电机不对称桥功率变换器热分析ThermalAnalysisoftheAsymmetricalBridgePowerConverterinSwitchedReluctanceMotorSystem作者：徐阳导师：陈昊教授中国矿业大学二〇一五年四月中图分类号TM352学校代码10290UDC密级公开中国矿业大学博士学位论文开关磁阻电机不对称桥功率变换器热分析ThermalAnalysisoftheAsymmetricalBridgePowerConverterinSwitchedReluctanceMotorSystem作者徐阳导师陈昊申请学位工学博士培养单

2、位信电学院学科专业电力电子与电力传动研究方向电机及其控制答辩委员会主席赵德安评阅人二○一五年四月论文审阅认定书研究生徐阳在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢值此论文完成之际，谨向我的导师—尊敬的陈昊教授致以最崇高和最衷心的感谢！感谢陈老师在我攻读博士学位期间，对我学业和生活上的关心和帮助。从论文的选题、思路的提炼、实验的细节等都倾注了陈老师大量的精力和心血。陈老师

3、渊博的学识、严谨的治学态度、敏锐的学术洞察力、卓越的敬业精神和平易近人的作风使我受益匪浅，是我永远学习的楷模，并将激励我今后的人生道路。感谢中国矿业大学信电学院的各位师长，你们对我学业、生活上的指导和关怀，我将永志于心。感谢实验室徐瑞东副教授、昝小舒老师、于东升副教授、王千龙博士、程鹤博士、王青博士、梁艳博士、徐彤博士、韩国强博士、闫文举博士、徐帅博士等以及已经离校的司纪凯博士、卢胜利博士、胡义华博士、曾辉博士、甘醇博士、马诗洋、王建、唐华、刘俊纯、孙晨晨等所有实验室的兄弟姐妹。特别感谢加拿大Dalhousie大学电气与计算机学院J.J.Gu教授在我赴加拿大学习期间给予的极

4、大指导和帮助，感谢陈正博士、秦政博士、吉元章、Sharon女士、David教授、吴飞青副教授、夏琳琳副教授等给予我学习和生活上的帮助。特别感谢曾辉、黄菲菲、丁小刚、吕森、胡振涛、李东和陈玉香,谢谢你们对本课题的帮助。衷心感谢我的父母，你们对我的关心和默默奉献让我能够安心完成学业。衷心感谢我的夫人，谢谢你对我的关爱和鼓励。最后，向百忙之中审阅本文的专家老师致以深深的谢意!摘要功率变换器是电能转换的重要装置，被广泛应用于可再生能源领域和电力传动领域，但随着电力电子器件容量和开关频率的不断增加，功率变换器的热可靠性问题日益突出。开关磁阻电机有着结构简单坚固、价格低廉、调速性能优良

5、、容错性强等优点，受到高度关注，但其系统中的功率变换器发热严重，是系统故障率最高的环节之一。因此，本文以开关磁阻电机不对称桥功率变换器为例，对其热分析方面的关键问题进行了深入研究。论文主要内容归纳如下：功率变换器的损耗计算是其热分析研究的基础。本文分别建立了功率变换器的稳态和瞬态损耗模型。稳态损耗建模中，提出了一种基于相电流分段线性化的稳态损耗计算方法，估算出了功率变换器的稳态损耗。瞬态建模中，基于电力电子器件开关损耗查找表模型，在matlab/simulink中建立了功率变换器瞬态损耗仿真模型，计算得到了各器件的瞬态损耗波形。基于损耗模型，研究了系统中各参数对器件损耗的影

6、响，结果表明：导通损耗与PWM（PulseWidthModulation）占空比的平方成正比，而与PWM频率无关，与电源电压平方成正比，而与电机转速平方成反比；开关损耗与PWM频率成正比，而与PWM占空比的平方成正比；导通损耗和开关损耗都与开通角和关断角成线性关系。功率变换器热模型的建立是其热分析研究的重点。本文首先建立了功率变换器的通用传热数学模型，引入了温升变量，证明了器件和散热器的温升与环境温度无关。接着，在有限元软件FLUX中建立了功率变换器温升场仿真模型，提出了器件简化建模方法，计算出了功率变换器的稳态温升分布。之后，证明了多热源作用下温升叠加原理，改进了集总热阻

7、抗模型，提出了功率变换器的分布耦合热阻抗模型，计算出了功率器件的瞬时结温。最后，搭建了开关磁阻电机功率变换器温升实验平台，实验结果验证了稳态和瞬态热仿真模型的正确性和损耗计算结果的正确性。结果表明：固定单斩控制下，功率变换器中斩波管温升明显高于导通管，温升曲线在电机起动阶段上升迅速，曲线到达稳态的时间由系统的热阻和热容乘积决定，而与器件的位置和发热功率无关。基于第三章中建立的功率变换器热模型，主要从四个方面对功率变换器散热系统进行了热优化研究，这四个方面包括：散热器的几何尺寸与对流换热系数；功率变换器的控制方式；功