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“电力电子装置”方向电力电子装置”方向本科生毕业设计与学士论文撰写本科生毕业设计与学士论文撰写指导书讲义
(二)指导书讲义
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(二)指导书讲义
(二)*(第(第(第(第2222稿)稿)稿)稿)福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院林周布编写2007.4*:
产权所有,如有引用本讲义内容,请给予文字注明。
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内容内容(分四大部分分四大部分)电力电子装置方向的意义电力电子装置方向的意义(一一)电子产品的设计概念与要求电子产品的设计概念与要求(一一)电子整机产品的设计技术与内容电子整机产品的设计技术与内容(一一)电力电子产品中的元器件知识电力电子产品中的元器件知识(二二)电力电子的基本电路与控制要求电力电子的基本电路与控制要求(三三)试验与检测技术知识试验与检测技术知识(四四)学位论文的撰写规范与要求学位论文的撰写规范与要求(四四)4.4.电力电子产品中的元器件知识电力电子产品中的元器件知识电力电子产品中元器件可以分为四大类:
I.无源电子元件与部件,如电阻器、电容器、电感器、变压器、二极管等;II.有源电子器件,如晶体管、晶闸管、集成电路等;III.电工元件与部件,如开关、断路器、熔断器、继电器、接触器、信号灯、插头座等;IV.其它非电工电子类零部件,如螺丝、螺母、散热器、线扎扣、工程塑料件等。
无源电子元件与部件无源电子元件与部件知识:
知识:
电阻电阻器器电路功能是对电流起阻碍作用。
固定电阻器用符号R表示,可调电阻器用符号W表示。
电阻单位为欧姆、千欧、兆欧,分别用、k、M表示。
主要特性参数是:
主要特性参数是:
1.标称阻值:
电阻器上面所标示的阻值。
2.允许误差:
电阻器的精度,即相对误差。
3.额定功率:
在正常工作条件下,电阻器长期工作所允许耗散的最大功率。
4.额定电压:
由阻值和额定功率换算出的电压。
5.温度系数:
温度每变化1所引起的电阻值的相对变化;阻值随温度升高而增大的为正温度系数,反之为负温度系数。
6.噪声:
产生于电阻器中的一种不规则的电压起伏,包括热噪声和电流噪声两部分。
电阻器电阻器电阻器主要可分为固定阻值类的薄膜电阻、线绕电阻、水泥电阻;非线性敏感类电阻,如PTC热敏电阻、NTC热敏电阻等;可调(阻值)类电阻(亦称为电位器)等。
工作频率较高的电阻器是薄膜电阻与无感的线绕电阻与水泥电阻。
无引线的表面贴装电阻工作频率最高;普通的功率线绕电阻、水泥电阻、线绕电位器工作频率很低,一般用在1000Hz以下,作为负载电阻使用。
电阻器主要属性是功率、阻值。
小型(功率)电阻器用带不同颜色的色环来表示阻值与误差。
一般,作为偏置用的电阻,误差为10%;作为采样元件用的电阻,误差为不超过2%。
电阻器电阻器电子电路用的小功率固定电阻器一般用多色环电子电路用的小功率固定电阻器一般用多色环的色码来表示阻值;普通电阻用四环色码,精密电的色码来表示阻值;普通电阻用四环色码,精密电阻用五环色码,有效数字比普通电阻多阻用五环色码,有效数字比普通电阻多11位。
为简位。
为简单起见,小数点用单起见,小数点用或或或或kkkk(MMMM)代替;如)代替;如)代替;如)代替;如44447777。
下图简要说明了这种色码标示法。
下图简要说明了这种色码标示法。
非线性敏感电阻器非线性敏感电阻器无源电子元件与部件无源电子元件与部件知识:
知识:
电容器电容器电容器按材料不同主要可分为有极性的电解电容器;无极性的薄膜电容器、瓷片电容器、独石电容器、穿心电容器等类。
电容单位是法(F);常用单位有:
微法(F)、千皮法(nF)和皮法(pF),这三者之间量值相差103。
为简单起见,小数点用p或n()代替;如4n7。
此外,还常用默认单位(在不标单位时用)来标记电容器的量值。
如电解电容器的默认单位为F、瓷片电容器的默认单位为Pf、薄膜电容器的默认单位为nF。
对小体积的电容器采用三位数字来标注电容量;标注方式类同色环电阻,前两位为有效数值,后一位代表数值后零的个数;如独石电容器上标注224,就是220000=220nF=0.22F电容器的主要属性是:
额定工作电压、电容量。
电容器类型电容器类型瓷介电容器铝电解电容器独石电容器电容器类型电容器类型电容器电容器电容器故障发生率要比电阻器高,而且检测要比电阻器麻烦。
电容器的故障类型主要有四种:
即开路、击穿短路、漏电、软击穿。
而电阻器故障主要是开路。
普通铝电解电容器具有电容量最大、容量成本较低,但误差最大、工作频率最低、损耗最大、温度特性最差等特性;但钽电解电容器则有性能稳定、寿命长、绝缘电阻大、温度性能好、损耗较小特性。
电解电容器是有电极性的,禁止将其反极性接入电路。
高压、高温对电容器都是严酷的,易发生故障,而且可能发生爆炸、着火等事故;应特别小心使用。
工作频率最高的是穿心电容器,其余按电容介质材料,工作频率从高到低依次为瓷介、无感薄膜、独石、薄膜、电解。
电解电容器电解电容器高容量电解电容器用在整流滤波电路中,要求其等效串联电阻ESR(漏电)要小,能耐较大谐波电流值。
它是电力电子电路中最薄弱的环节之一,其寿命与温度成“七度法则”。
即温度每升高七度,其寿命降低一半。
因此,一般要求高的电路要求使用1050C级的耐谐波电流较大的电解电容器。
高频电路要求使用高频无感薄膜电容与磁介电容,它们要有良好的高频效应,能耐高脉冲电流;这就要求它们的等效串联电感ESL、等效串联电阻ESR越小越好。
无源电子元件与部件无源电子元件与部件知识:
磁件知识:
磁件用大小不同的激磁电压、电流给电感线圈供电,可得一簇BH磁滞回线(右图)。
其中H值变化很大而B开始变化很小,而使回线要进入水平线的点,表示磁材料进入磁饱和状态,此为BS。
将磁感应减少为零所需的磁场强度(反向),为磁滞回线中的矫顽磁场强度Hc。
H=0时的磁感应强度,为剩磁感应强度Br。
最大磁感应强度Bm,指B值将要饱和的数值,一般取Bm=0.7Bs;对应Bm,在H线上有Hm。
Bm例:
例:
例:
例:
MnZnMnZnMnZnMnZn功率磁性材料的主要特性功率磁性材料的主要特性功率磁性材料的主要特性功率磁性材料的主要特性B-HB-H曲线曲线曲线曲线例:
例:
例:
例:
MnZnMnZnMnZnMnZn功率磁性材料的主要特性功率磁性材料的主要特性功率磁性材料的主要特性功率磁性材料的主要特性Pc-FPc-F曲线曲线曲线曲线例:
例:
例:
例:
MnZnMnZnMnZnMnZn功率磁性材料的主要特性功率磁性材料的主要特性功率磁性材料的主要特性功率磁性材料的主要特性Pc-TPc-T曲线曲线曲线曲线铁磁材料的磁滞回线铁磁材料的磁滞回线根据材料的磁滞回线特性,当作控制电器使用时:
根据材料的磁滞回线特性,当作控制电器使用时:
回线内的面积与磁芯磁滞损耗成正比,面积越小越好;材料的电阻率越高,涡流损耗越小。
这两者是材料的铁损主要分量。
B-H斜度越陡则导磁率越高,做电抗器电感量大,做磁开关则关断特性好。
矩形比Br/Bs越大,做磁开关则控制角越小,导通时压降越小(死角小)。
Bs越大,做磁开关则越能控制大电压,承受电压高。
Hc越小,做磁开关则所需控制的功率越小(激磁)。
铁磁材料的磁滞回线铁磁材料的磁滞回线对铁磁材料的磁滞回线形状,有:
S形回线:
普通高导磁率软磁材料,如铁氧体材料,宜作为单端变换器磁芯;矩形回线:
坎莫合金,非晶合金软磁材料,宜作为双端变换器磁芯;扁平回线:
宽恒导磁,合金材料磁粉芯,宜作为电感器磁芯。
常用磁性材料常用磁性材料铁氧体特点是;电阻率高、导磁率高、涡流损耗铁氧体特点是;电阻率高、导磁率高、涡流损耗小、磁滞损耗大、饱和磁通密度低(小、磁滞损耗大、饱和磁通密度低(BBss)、价廉)、价廉;宜用于功率高频变压器(如;宜用于功率高频变压器(如MnZnMnZn材料),其中材料),其中高磁导率材料宜用于共模干扰滤波电感器。
高磁导率材料宜用于共模干扰滤波电感器。
非晶态合金特点是;磁各向同性、电阻率较低、非晶态合金特点是;磁各向同性、电阻率较低、仅为硅钢片的(仅为硅钢片的(33倍以上)、涡流损耗大、饱和磁倍以上)、涡流损耗大、饱和磁通密度通密度BsBs高、矩形化优、价贵;常轧成很薄,以高、矩形化优、价贵;常轧成很薄,以降低涡流损耗以利于高频使用;宜用于中频变压降低涡流损耗以利于高频使用;宜用于中频变压器。
器。
磁粉芯特点是;固有气隙、电阻率高、恒导磁特磁粉芯特点是;固有气隙、电阻率高、恒导磁特性、价中等;一般用于串模干扰滤波电感器。
性、价中等;一般用于串模干扰滤波电感器。
磁件磁件MagneticComponents根据不同的用途,磁芯的结构与线圈的绕法也不同。
常用磁芯的结构与类型常用磁芯的结构与类型磁件磁件类型类型功率电感器要求在最大额定电流下磁芯不饱和且保持电感量基本为线性,为此必须在磁芯回路中加入小气隙。
变压器要求在最大额定电压下磁芯不饱和,励磁电流要小,故要用高磁导率、高饱和磁感应强度的材料。
由输入功率、磁通密度Bm、磁芯截面积、工作频率、磁化条件等计算每伏匝数与导线载流量,从而决定磁芯尺寸。
注意Bm(1000C)要比Bm(250C)时小0.1T。
其中减少漏感与分布电容是工艺难题。
抗EMI磁电感器有共模干扰抑制电感器与串(常)模干扰抑制电感器两大类:
特点是前者为高频、两绕组共用一个磁芯、大电感量;后者较高频、小电感量、单绕组、磁芯不易饱和。
磁件磁件类型类型磁放大器在具有磁滞回线矩形比Br/Bs约为1的磁材料上,绕两组线圈,原边线圈接在主电路上,次边线圈连接在电子控制电路上,以次边线圈控制磁芯的磁化状态,从而构成磁控开关。
以其磁饱和特性作为导通态:
关断时,利用不饱和下磁芯的很大,线圈电抗无穷大而作为截止态:
控制灵敏度决定矩形比。
由于高频下电磁元件的体积、重量均显著减小,故有实用意义,常作为后置稳压电路。
磁放大器工作原理磁放大器工作原理高频导体的趋肤效应高频导体的趋肤效应为降低高频导体趋肤效应的影响,所有工作在高频大电流电路的电磁导线要用多股细导线并联构成里兹线或编织线。
对高频大电流电源电路接线,要用特殊的无电感功率母线。
这是一种由多层宽薄铜板粘合成一体的新型导线,各层相互电气隔离,对应各不同的电位。
无源电子元件与部件在电力电子装置中无源电子元件与部件在电力电子装置中的应用例子开关电源板的应用例子开关电源板磁件磁件磁件在电力电子装置中的应用例子磁件在电力电子装置中的应用例子开关电源电路开关电源电路从上面开关电源实例来看,磁件从上面开关电源实例来看,磁件在电力电子电路中的分量仅次于半导在电力电子电路中的分量仅次于半导体器件,所占的成本也较高;体器件,所占的成本也较高;因此,对磁件进行优化设计是必然的因此,对磁件进行优化设计是必然的选择。
选择。
无源电子元件无源电子元件知识:
功率二极管知识:
功率二极管电力二极管器件(电力二极管器件(PowerDiodesPowerDiodes)属不控型功率电子开关器件。
其导通与关断条件完全由外部电路条件决定,属自发导电型。
电气特性与温度T关系密切,器件的正向导通电压降UF随T增加而减少;反向耐压UR随T增加而降低,反向漏电流IR随T增加而增大。
在其正向导通曲线中,UF随IF的增加而增加,起始段有个导通压降为克服PN结势垒的最小导通电压。
导通损耗为UF*IF。
功率二极管类型功率二极管类型1)普通整流二极管(DiodesforGeneralUse)。
具有单向导电特性的电力二极管。
开关特性:
低频,慢速。
影响开关频率的是PN结电容CJ(包含势垒电容CB与扩散电容CD)。
其适用于频率为1kHz以下电路的整流、续流与电路隔离。
2)肖特基二极管(SBD)。
为多数载流子导电型器件,属单极型器件。
由于体内无扩散电容,故开关速度极高,反向恢复时间可忽略;而且其导通压降只有其它二极管的导通压降一半左
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