[發(fā)明專利]同時(shí)反映電路與磁路特性的磁件仿真模型與建模方法

有效

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• 申請日: 2013-11-01
• 公開（公告）號: CN103559348B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李洪珠;榮德生;姜麗媛
• 申請（專利權(quán)）人: 遼寧工程技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種同時(shí)反映電路與磁路特性的磁件仿真模型與建模方法。

背景技術(shù)

磁件的數(shù)學(xué)模型可以分成兩大類，一類是基于磁場的概念的數(shù)學(xué)模型；另一類是基于磁路概念的磁件數(shù)學(xué)模型。

磁件可以采用麥克斯韋電磁場方程組對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，應(yīng)用有限元分析法進(jìn)行求解。這種基于磁場概念而建立的磁件數(shù)學(xué)模型最為精確，但其在電力電子工程應(yīng)用中卻不普遍。原因在于大多數(shù)電力電子工程師和研究人員，并不熟悉場的概念及其分析方法，同時(shí)從物理對象中正確地抽象出磁件的數(shù)學(xué)模型及其邊界條件也比較困難；另外，電磁場計(jì)算耗費(fèi)機(jī)時(shí)長、需要計(jì)算的資源較大，聯(lián)入到整個(gè)電力電子系統(tǒng)中進(jìn)行仿真分析也比較困難并且容易發(fā)散，實(shí)際分析研究中限制了該模型的應(yīng)用。

對于電力電子變換器中的磁件，為了得到較強(qiáng)的磁場，通常采用一定形狀規(guī)格的軟磁材料磁芯作為磁通的通路。由于磁芯的磁導(dǎo)率比周圍空氣或其他非磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率大得多，絕大部分磁通被約束在磁芯內(nèi)部并形成回路，因此在這種情況下可以把場的分布特性用路的集總特性進(jìn)行工程近似，即引入了磁路的概念。

目前，常用的基于磁路概念建立磁件數(shù)學(xué)模型的分析方法有兩種：一是利用磁路—電路對偶變換方法得到磁件的等效電路；二是利用回轉(zhuǎn)器—電容等效電路模型方法建立磁件等效電路。對于前者，應(yīng)用磁路歐姆定律，電路概念明確，但建立的磁件等效電路只反映了磁件的電路參數(shù)，而沒有反映磁路參數(shù)。對于后者，利用電容類比磁導(dǎo)，使用回轉(zhuǎn)器建立電路與磁路關(guān)系，等效電路模型中繞組與鐵心相對獨(dú)立，能同時(shí)完整地反映磁件的電路與磁路特性。但后者等效電路模型中利用電容模擬了磁導(dǎo)，如果在高頻情況下再利用電容反映磁件的寄生效應(yīng)，容易導(dǎo)致概念混亂。

為解決上述問題，將前面兩種方法結(jié)合起來，而提供一種既利用磁路—電路對偶變換方法，同時(shí)又能像回轉(zhuǎn)器-電容等效電路模型那樣完整地反映磁件的電路與磁路特性的磁件模型，同時(shí)又可以方便的加入反映寄生效應(yīng)的參數(shù)的建模方法，即為本領(lǐng)域技術(shù)人員的研究方向所在。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供了一種同時(shí)反映電路與磁路特性的磁件仿真模型與建模方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種同時(shí)反映電路與磁路特性的磁件仿真模型與建模方法。

以單個(gè)電感器為基本磁件單元，能同時(shí)反映電路與磁路特性基本磁件單元仿真模型包括理想變壓器、電感、電阻、非線性受控電壓源與電流源。其特征是理想變壓器的一次側(cè)模擬電路特性，二次側(cè)模擬磁路特性，變壓變比模擬電感器的匝數(shù)。變壓器的二次側(cè)并聯(lián)三個(gè)支路，分別為線性電感元件支路、非線性受控電流源支路與非線性受控電壓源與電阻串聯(lián)支路。線性電感元件支路模擬電感器的磁路歐姆定律，以匝數(shù)的平方乘以電感線圈的單位電感量表示實(shí)際電感量的大小；非線性受控電流源支路模擬基本磁化曲線，利用多項(xiàng)式擬合；非線性受控電壓源與電阻串聯(lián)支路模擬磁滯特性，非線性受控電壓源受電阻兩端壓降控制。

利用同時(shí)反映電路與磁路特性的基本磁件單元仿真模型，進(jìn)行建模的方法包括以下步驟：

（1）由實(shí)際磁件結(jié)構(gòu)模型建立實(shí)際磁件等效磁路模型，對等效磁路模型進(jìn)行對偶變換，獲得對偶變換等效模型，將對偶變換等效模型中的磁通源使用基本磁件單元仿真模型進(jìn)行替代，就獲得能同時(shí)反映電路與磁路特性的實(shí)際磁件的仿真模型。

（2）根據(jù)磁芯參數(shù)及其材料參數(shù)計(jì)算基本磁件單元的磁芯仿真模型參數(shù)，為受控電壓源的系數(shù)，為電阻兩端壓降的冪指數(shù)，為多項(xiàng)式高次項(xiàng)系數(shù)，為多項(xiàng)式高次項(xiàng)冪指數(shù)。公式為：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

其中，為變壓器一次側(cè)施加激勵(lì)電源的頻率；為磁芯的飽和磁通；磁勢的取值不要超過最大磁密對應(yīng)的值；的數(shù)值為磁芯線性磁阻的大小；磁勢的取值為磁芯矯頑力對應(yīng)的數(shù)值；的取值為奇數(shù)。

（3）計(jì)算實(shí)際磁件中每個(gè)基本磁件單元的單位電感參數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：利用簡單的磁路—電路對偶變換方法，使用所述基本磁件單元建立實(shí)際磁件仿真模型，實(shí)際磁件仿真模型能完整地反映實(shí)際磁件的電路與磁路特性。

附圖說明

圖1為同時(shí)反映電路與磁路特性的基本磁件單元仿真模型。

圖2為兩繞組耦合電感磁件結(jié)構(gòu)模型。

圖3為兩繞組耦合電感的等效磁路模型。

圖4為兩繞組耦合電感等效磁路對偶模型。