開關(guān)磁阻電機(jī)不對稱橋功率變換器熱分析.pdf

1、功率變換器是電能轉(zhuǎn)換的重要裝置，被廣泛應(yīng)用于可再生能源領(lǐng)域和電力傳動領(lǐng)域，但隨著電力電子器件容量和開關(guān)頻率的不斷增加，功率變換器的熱可靠性問題日益突出。開關(guān)磁阻電機(jī)有著結(jié)構(gòu)簡單堅固、價格低廉、調(diào)速性能優(yōu)良、容錯性強(qiáng)等優(yōu)點，受到高度關(guān)注，但其系統(tǒng)中的功率變換器發(fā)熱嚴(yán)重，是系統(tǒng)故障率最高的環(huán)節(jié)之一。因此，本文以開關(guān)磁阻電機(jī)不對稱橋功率變換器為例，對其熱分析方面的關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入研究。論文主要內(nèi)容歸納如下：
　　功率變換器的損耗計算是

2、其熱分析研究的基礎(chǔ)。本文分別建立了功率變換器的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)損耗模型。穩(wěn)態(tài)損耗建模中，提出了一種基于相電流分段線性化的穩(wěn)態(tài)損耗計算方法，估算出了功率變換器的穩(wěn)態(tài)損耗。瞬態(tài)建模中，基于電力電子器件開關(guān)損耗查找表模型，在matlab/simulink中建立了功率變換器瞬態(tài)損耗仿真模型，計算得到了各器件的瞬態(tài)損耗波形?；趽p耗模型，研究了系統(tǒng)中各參數(shù)對器件損耗的影響，結(jié)果表明：導(dǎo)通損耗與PWM（Pulse Width Modulation）占空比

3、的平方成正比，而與PWM頻率無關(guān)，與電源電壓平方成正比，而與電機(jī)轉(zhuǎn)速平方成反比；開關(guān)損耗與PWM頻率成正比，而與PWM占空比的平方成正比；導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗都與開通角和關(guān)斷角成線性關(guān)系。
　　功率變換器熱模型的建立是其熱分析研究的重點。本文首先建立了功率變換器的通用傳熱數(shù)學(xué)模型，引入了溫升變量，證明了器件和散熱器的溫升與環(huán)境溫度無關(guān)。接著，在有限元軟件FLUX中建立了功率變換器溫升場仿真模型，提出了器件簡化建模方法，計算出了功率變

4、換器的穩(wěn)態(tài)溫升分布。之后，證明了多熱源作用下溫升疊加原理，改進(jìn)了集總熱阻抗模型，提出了功率變換器的分布耦合熱阻抗模型，計算出了功率器件的瞬時結(jié)溫。最后，搭建了開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器溫升實驗平臺，實驗結(jié)果驗證了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱仿真模型的正確性和損耗計算結(jié)果的正確性。結(jié)果表明：固定單斬控制下，功率變換器中斬波管溫升明顯高于導(dǎo)通管，溫升曲線在電機(jī)起動階段上升迅速，曲線到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時間由系統(tǒng)的熱阻和熱容乘積決定，而與器件的位置和發(fā)熱功率無關(guān)。

5、　　基于第三章中建立的功率變換器熱模型，主要從四個方面對功率變換器散熱系統(tǒng)進(jìn)行了熱優(yōu)化研究，這四個方面包括：散熱器的幾何尺寸與對流換熱系數(shù)；功率變換器的控制方式；功率器件布局與上下排功率器件的最優(yōu)位置；功率變換器中散熱器的放置位置。由優(yōu)化結(jié)果知：增大肋片的對流換熱系數(shù)是改善散熱性能的首選方式；兩個器件在散熱器上的最優(yōu)分布只與兩器件發(fā)熱功率的比值相關(guān)；當(dāng)器件對稱分布時，交替單斬控制下功率變換器的熱可靠性高于固定單斬控制；散熱器肋片朝上放置

6、時功率變換器的熱可靠性高于肋片朝下放置和肋片垂直放置。
　　針對潮濕環(huán)境中的功率變換器，研究了環(huán)境相對濕度對功率變換器溫升特性的影響。首先，分析了功率變換器在濕空氣中的傳熱機(jī)理，建立了功率變換器在濕空氣中的溫度-濕度耦合方程，提出了將濕空氣作為整體對方程進(jìn)行解耦的方法；之后，在有限元軟件ANSYS CFX中建立了解耦后的模型，計算出了功率變換器在不同環(huán)境溫度和不同環(huán)境相對濕度下的溫升分布；最后，搭建了模擬潮濕環(huán)境的溫升實驗平臺，驗