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开关磁阻电机不对称桥功率变换器热分析

徐阳  
【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、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响,结果表明:导通损耗与PWM(Pulse Width Modulation)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;功率器件布局与上下排功率器件的最优位置;功率变换器中散热器的放置位置。由优化结果知:增大肋片的对流换热系数是改善散热性能的首选方式;两个器件在散热器上的最优分布只与两器件发热功率的比值相关;当器件对称分布时,交替单斩控制下功率变换器的热可靠性高于固定单斩控制;散热器肋片朝上放置时功率变换器的热可靠性高于肋片朝下放置和肋片垂直放置。针对潮湿环境中的功率变换器,研究了环境相对湿度对功率变换器温升特性的影响。首先,分析了功率变换器在湿空气中的传热机理,建立了功率变换器在湿空气中的温度-湿度耦合方程,提出了将湿空气作为整体对方程进行解耦的方法;之后,在有限元软件ANSYS CFX中建立了解耦后的模型,计算出了功率变换器在不同环境温度和不同环境相对湿度下的温升分布;最后,搭建了模拟潮湿环境的温升实验平台,验证了仿真结果。仿真与实验结果表明:在相同的环境温度下,随着环境相对湿度的增加,功率变换器的最高温升有所下降,但功率变换器温升分布规律保持不变。


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