CN103559348B - 同时反映电路与磁路特性的磁件仿真模型与建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同时反映电路与磁路特性的磁件仿真模型与建模方法，其特征在于该方法基于单个电感基本磁件单元仿真模型利用磁路—电路对偶变换对实际磁件进行建模。单个电感基本磁件单元仿真模型由理想变压器、电感、电阻、非线性受控电压源与电流源构成。利用理想变压器的一次侧模拟电路特性，二次侧模拟磁路特性，变压变比模拟电感器的匝数。变压器的二次侧并联三个支路，分别为线性电感元件支路、非线性受控电流源支路与非线性受控电压源与电阻串联支路。线性电感元件支路模拟电感器的磁路欧姆定律；非线性受控电流源支路模拟基本磁化曲线；非线性受控电压源与电阻串联支路模拟磁滞特性。建模方法可集成于现有仿真软件中，扩展相应的仿真功能。

Description

同时反映电路与磁路特性的磁件仿真模型与建模方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种同时反映电路与磁路特性的磁件仿真模型与建模方法。

背景技术

磁件的数学模型可以分成两大类，一类是基于磁场的概念的数学模型；另一类是基于磁路概念的磁件数学模型。

磁件可以采用麦克斯韦电磁场方程组对数学模型进行描述，应用有限元分析法进行求解。这种基于磁场概念而建立的磁件数学模型最为精确，但其在电力电子工程应用中却不普遍。原因在于大多数电力电子工程师和研究人员，并不熟悉场的概念及其分析方法，同时从物理对象中正确地抽象出磁件的数学模型及其边界条件也比较困难；另外，电磁场计算耗费机时长、需要计算的资源较大，联入到整个电力电子系统中进行仿真分析也比较困难并且容易发散，实际分析研究中限制了该模型的应用。

对于电力电子变换器中的磁件，为了得到较强的磁场，通常采用一定形状规格的软磁材料磁芯作为磁通的通路。由于磁芯的磁导率比周围空气或其他非磁性物质的磁导率大得多，绝大部分磁通被约束在磁芯内部并形成回路，因此在这种情况下可以把场的分布特性用路的集总特性进行工程近似，即引入了磁路的概念。

目前，常用的基于磁路概念建立磁件数学模型的分析方法有两种：一是利用磁路—电路对偶变换方法得到磁件的等效电路；二是利用回转器—电容等效电路模型方法建立磁件等效电路。对于前者，应用磁路欧姆定律，电路概念明确，但建立的磁件等效电路只反映了磁件的电路参数，而没有反映磁路参数。对于后者，利用电容类比磁导，使用回转器建立电路与磁路关系，等效电路模型中绕组与铁心相对独立，能同时完整地反映磁件的电路与磁路特性。但后者等效电路模型中利用电容模拟了磁导，如果在高频情况下再利用电容反映磁件的寄生效应，容易导致概念混乱。

为解决上述问题，将前面两种方法结合起来，而提供一种既利用磁路—电路对偶变换方法，同时又能像回转器-电容等效电路模型那样完整地反映磁件的电路与磁路特性的磁件模型，同时又可以方便的加入反映寄生效应的参数的建模方法，即为本领域技术人员的研究方向所在。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种同时反映电路与磁路特性的磁件仿真模型与建模方法，以解决上述现有技术中所存在的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种同时反映电路与磁路特性的磁件仿真模型与建模方法。

以单个电感器为基本磁件单元，能同时反映电路与磁路特性基本磁件单元仿真模型包括理想变压器、电感、电阻、非线性受控电压源与电流源。其特征是理想变压器的一次侧模拟电路特性，二次侧模拟磁路特性，变压变比模拟电感器的匝数。变压器的二次侧并联三个支路，分别为线性电感元件支路、非线性受控电流源支路与非线性受控电压源与电阻串联支路。线性电感元件支路模拟电感器的磁路欧姆定律，以匝数的平方乘以电感线圈的单位电感量表示实际电感量的大小；非线性受控电流源支路模拟基本磁化曲线，利用多项式拟合；非线性受控电压源与电阻串联支路模拟磁滞特性，非线性受控电压源受电阻两端压降控制。

利用同时反映电路与磁路特性的基本磁件单元仿真模型，进行建模的方法包括以下步骤：

（1）由实际磁件结构模型建立实际磁件等效磁路模型，对等效磁路模型进行对偶变换，获得对偶变换等效模型，将对偶变换等效模型中的磁通源使用基本磁件单元仿真模型进行替代，就获得能同时反映电路与磁路特性的实际磁件的仿真模型。

（2）根据磁芯参数及其材料参数计算基本磁件单元的磁芯仿真模型参数，为受控电压源的系数，为电阻两端压降的幂指数，为多项式高次项系数，为多项式高次项幂指数。公式为：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

其中，为变压器一次侧施加激励电源的频率；为磁芯的饱和磁通；磁势的取值不要超过最大磁密对应的值；的数值为磁芯线性磁阻的大小；磁势的取值为磁芯矫顽力对应的数值；的取值为奇数。

（3）计算实际磁件中每个基本磁件单元的单位电感参数。

本发明的优点：利用简单的磁路—电路对偶变换方法，使用所述基本磁件单元建立实际磁件仿真模型，实际磁件仿真模型能完整地反映实际磁件的电路与磁路特性。

附图说明

图1为同时反映电路与磁路特性的基本磁件单元仿真模型。

图2为两绕组耦合电感磁件结构模型。

图3为两绕组耦合电感的等效磁路模型。

图4为两绕组耦合电感等效磁路对偶模型。

图5为同时反映电路与磁路特性的两绕组耦合电感仿真模型。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1~图5示出了本发明利用同时反映电路与磁路特性的基本磁件单元仿真模型对耦合电感进行建模的实施例。由图2所示两绕组耦合电感磁件结构模型建立图3所示两绕组耦合电感的等效磁路模型；对图3所示的等效磁路模型进行对偶变换；获得图4所示的两绕组耦合电感等效磁路对偶模型；利用图1中理想变压器替代图4中的磁通源，并利用图1中虚线框内电路替代图4中磁导支路，最终建立能同时反映电路与磁路特性的两绕组耦合电感磁件的仿真模型。利用前述公式计算仿真参数。

Claims (2)

1.一种同时反映电路与磁路特性的磁件建模方法，其特征在于该方法基于单个电感基本磁件单元仿真模型利用磁路—电路对偶变换对实际磁件进行建模，单个电感基本磁件单元仿真模型由理想变压器、电感、电阻、非线性受控电压源与非线性受控电流源构成；利用理想变压器的一次侧模拟电路特性，二次侧模拟磁路特性，变压变比模拟电感器的匝数；变压器的二次侧并联三个支路，分别为线性电感元件支路、非线性受控电流源支路与非线性受控电压源与电阻串联支路；线性电感元件支路模拟电感器的磁路欧姆定律，以匝数的平方乘以电感线圈的单位电感量表示实际电感量的大小；非线性受控电流源支路模拟基本磁化曲线，利用多项式拟合；非线性受控电压源与电阻串联支路模拟磁滞特性，非线性受控电压源受电阻两端压降控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于单个电感基本磁件单元仿真模型参数计算公式及对应数学模型为：

$R=\frac{{\mathrm{\ω\φ}}_m}{\sqrt{F_m^2-a_1^2{\mathrm{\φ}}_m^2}}---\left(1\right)$

$c=\frac{\mathrm{\ω}\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\φ}}_m^2+a_1^2{R}^2{\mathrm{\φ}}_m^2-R^2{F}_c^2}-a_1^2{R}^2{F}_c}{a_1^2{R}^{m+1}{F}_c^m}---\left(2\right)$

$n=\frac{l_n(F_m-a_1{\mathrm{\φ}}_m)-l_n(F_1-a_1{\mathrm{\φ}}_1)}{l_n{\mathrm{\φ}}_m-l_n{\mathrm{\φ}}_1}---\left(3\right)$

$b_n=\frac{F_m-a_1{\mathrm{\φ}}_m}{a_1^n{\mathrm{\φ}}_m^n}---\left(4\right)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_c\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_z\right)=c{\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_z\right)}^m---\left(5\right)$

$F_f=b_n{a}_1^n{\mathrm{\φ}}^n---\left(6\right)$

其中，c为受控电压源的系数，m为电阻两端压降的幂指数，bn为多项式高次项系数，n为多项式高次项幂指数，ω＝2πf，f为变压器一次侧施加激励电源的频率；f_m为磁芯的饱和磁通；磁势Fm的取值不要超过最大磁密对应的值；a1的数值为磁芯线性磁阻的大小；磁势Fc的取值为磁芯矫顽力对应的数值；m的取值为奇数。