CN103956259B - 一种基于可视化算法的电抗器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可视化算法的电抗器设计方法，本发明中将电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N作为三个变量，电抗器的电感量L和电抗器的体积V，在满足电感量L的数值，同时满足线圈匝数N和铁芯截面积S的限制条件下获得电抗器的最小体积V的值，然后结合电感量变化趋势图和电感量变化趋势图获得电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数，本发明通过可视化算法解决了单一化的问题，设计过程相对直观、简单、方便，且可方便观察函数的变化情况。

Description

一种基于可视化算法的电抗器设计方法

技术领域

本发明涉及一种电抗器设计方法，具体涉及一种基于可视化算法的电抗器设计方法。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，由此带来的谐波问题日益严重，所以解决谐波问题是当前最重要的问题。与其它电气元件不同，使用者很难采购到符合自己要求的电感，具体设计一个磁性元件在满足电气性能条件下，需要综合考虑其成本、体积、重量等困难。

常用的整流电路中采用三相桥式结构，虽然电容滤波电路受到许多设计者的要求，但是其输出的电压畸变率较大，会影响用电设备，防止整流电路中受到大电流的冲击，在电容滤波电路的基础上串入直流铁芯电抗器，构成滤波电路，滤波电路结构如图1所示，包括整流桥1、直流铁芯电抗器2、滤波电容3和负载4。整流桥输出电压不仅含有直流分量，而且含有交流谐波，该谐波对于负载工作及其不利，如果滤波器设计的不好，则电压纹波系数较大，其输出波形不平直，故必须使得整流输出电压纹波系数达到较小。滤波电感在整流电路滤波器中所占的体积相当大，其质量也较重，制约着滤波器的体积小型化。

直流铁芯电抗器平面结构如图2所示，主要包括线圈5、铁芯6、气隙7组成。选择磁材料时，需要考虑磁通密度、磁导率、损耗等因素，优化设计中需要选择具有高饱和磁通密度的磁材料，目前广泛采用的磁材料主要有硅钢、铁氧体、非晶态合金等材料，体积是设计电抗器的重要指标之一，使电抗器体积尽可能小，应该选择饱和磁感应强度大的铁芯。

传统电抗器设计通常采用常规的铁芯型号，即其横截面积为正方形，这样不能合理的应用电抗器铁芯，同时电抗器线圈匝数还需要通过大量数据计算才可得到具体数值。采用常规的设计方法，在设计过程中不能直观的观察各个变量参数变化对电感量的影响。

有鉴于此，有必要提出一种利用可视化方法进行直流铁芯电抗器的优化设计。

发明内容

本发明提供了一种基于可视化算法的电抗器设计方法，解决了传统设计方法在设计过程中不能直观的观察各个变量参数变化对电感量的影响的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于可视化算法的电抗器设计方法，包括以下步骤：

步骤一，定义变量：电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N；

步骤二，根据定义的变量获得电抗器的电感量L和电抗器的体积V，如下，

$L={\mathrm{SN}}^2\frac{1.56l_g{\mathrm{\μ}}_0+70.84{\mathrm{l\μ}}_0^2}{763.36l_g{\mathrm{l\μ}}_0+89320l^2{\mathrm{\μ}}_0^2+1.56l_g^2}$

$V=(\frac{5}{12}l+\frac{l_g}{2})\×(3S+4{\mathrm{Nd}}^2)$

其中，μ₀为一常数，l_g为气隙大小，通常取0.9％的磁路长度；d为线圈直径，可通过电抗器容量计算得出；

步骤三，结合步骤二中的电抗器的电感量L和电抗器的体积V，采用可视化计算方法获得电感量变化趋势图和体积变化趋势图；

步骤四，根据需要设置所述的电抗器的滤波电路的谐振频率确定电抗器的电感量L的数值；

步骤五，根据法拉第定律转化后得到的工作磁通密度公式确定电抗器线圈匝数N和电抗器铁芯截面积S的限制条件NS≥LI_PK/B_w，其中B_w为电抗器的磁通密度，I_PK为电流峰峰值；

步骤六，根据步骤三中的电感量变化趋势图和体积变化趋势图确定两者的交集域，交集域中满足步骤四和步骤五中的条件下，获得电抗器的最小体积V的值，该值即为需要设计的电抗器的体积；

步骤七，根据电抗器的体积，结合体积变化趋势图，可获得该体积所对应的电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N。

所述电抗器铁芯采用EI系列硅钢片，步骤二中根据定义的变量获得电抗器的体积V过程为，

设电抗器铁芯舌宽为E；

根据EI系列硅钢片特性可得电抗器铁芯参数如下：

电抗器铁芯高度电抗器铁芯宽度B＝3E，电抗器铁芯窗口高度C＝1.5E，电抗器铁芯窗口宽度D＝0.5E；

根据电抗器铁芯参数可得

电抗器铁芯磁路长度l＝6E，则

电抗器铁芯厚度

电抗器铁芯绕线层数为

电抗器厚度 $W_t^{\′}=W_t+2N\left(\frac{4d}{l}\right)d,$

电抗器的体积 $V=A\×B\×W_t^{\′}=(\frac{5}{12}l+\frac{l_g}{2})\×(3S+4{\mathrm{Nd}}^2).$

步骤三中采用可视化计算方法获得电感量变化趋势图的过程为，根据步骤二中的运算函数，电感量变化趋势图以电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N为变量；电抗器铁芯磁路长度l的范围约束条件以硅钢EI型材料最小和最大尺寸为依据，约束条件为0.001m～0.5m；电抗器线圈匝数N的约束条件为1～100；电抗器铁芯截面积S的约束条件为0.000001m²～0.005m²；根据三个变量的约束条件，将电感量的运算函数代入可视化工具即可得到电感量变化趋势图。

步骤三中采用可视化计算方法获得体积变化趋势图的过程为，根据步骤二中的运算函数，体积变化趋势图以电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N为变量；电抗器铁芯磁路长度l的范围约束条件以硅钢EI型材料最小和最大尺寸为依据，约束条件为0.001m～0.5m；电抗器线圈匝数N的约束条件为1～100；电抗器铁芯截面积S的约束条件为0.000001m²～0.005m²；根据三个变量的约束条件，将体积的运算函数代入可视化工具即可得到体积变化趋势图。

步骤六中获得电抗器的最小体积V的值的过程为，步骤六中获得电抗器的最小体积V的值的过程为，在满足电感量L的数值的条件下，在交集域中获得体积的变化趋势，在满足步骤五中的条件以及铁芯磁路长度l下获得体积最小值，其中铁芯磁路长度l由所选用铁芯规格型号计算得出。

本发明的有益效果是：本发明中将电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N作为三个变量，电抗器的电感量L和电抗器的体积V，在满足电感量L的数值，同时满足线圈匝数N和铁芯截面积S的限制条件下获得电抗器的最小体积V的值，然后结合电感量变化趋势图和电感量变化趋势图获得电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数，本发明通过可视化算法解决了单一化的问题，设计过程相对直观、简单、方便，且可方便观察函数的变化情况。

附图说明

图1为滤波电路的电路图。

图2为直流铁芯电抗器平面结构示意图。

图3为电抗器铁芯结构图

图4为本发明的流程图。

图5为电感量变化趋势图。

图6为体积变化趋势图。

图7为在满足电抗器的电感量L的数值的条件下，交集域中电抗器体积的变化趋势图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图4所示，一种基于可视化算法的电抗器设计方法，包括以下步骤。

步骤一，定义变量：电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N。

步骤二，根据定义的变量获得电抗器的电感量L和电抗器的体积V，即将电抗器的电感量L和电抗器的体积V用步骤一种定义的变量表示，得到如下运算函数，

电抗器的电感量L的运算函数：

$L={\mathrm{SN}}^2\frac{1.56l_g{\mathrm{\μ}}_0+70.84{\mathrm{l\μ}}_0^2}{763.36l_g{\mathrm{l\μ}}_0+89320l^2{\mathrm{\μ}}_0^2+1.56l_g^2}$

电抗器的体积V的运算函数：

电抗器铁芯采用，其电抗器铁芯形状如图3所示。

设电抗器铁芯舌宽为E；

根据EI系列硅钢片特性可得电抗器铁芯参数如下：

电抗器铁芯高度电抗器铁芯宽度B＝3E，电抗器铁芯窗口高度C＝1.5E，电抗器铁芯窗口宽度D＝0.5E；

根据电抗器铁芯参数可得

电抗器铁芯磁路长度l＝6E，则

电抗器铁芯厚度

电抗器铁芯绕线层数为

电抗器厚度 $W_t^{\′}=W_t+2N\left(\frac{4d}{l}\right)d,$

电抗器的体积 $V=A\×B\×W_t^{\′}=(\frac{5}{12}l+\frac{l_g}{2})\×(3S+4{\mathrm{Nd}}^2)$

其中，μ₀为一常数，l_g为气隙大小，通常取0.9％的磁路长度；d为线圈直径，可通过电抗器容量计算得出。

步骤三，结合步骤二中的电抗器的电感量L和电抗器的体积V，采用可视化计算方法获得电感量变化趋势图和体积变化趋势图。

采用可视化计算方法获得电感量变化趋势图的过程为，根据步骤二中的运算函数，电感量变化趋势图以电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N为变量；电抗器铁芯磁路长度l的范围约束条件以硅钢EI型材料最小和最大尺寸为依据，约束条件为0.001m～0.5m；电抗器线圈匝数N的约束条件为1～100；电抗器铁芯截面积S的约束条件为0.000001m²～0.005m²；根据三个变量的约束条件，将电感量的运算函数代入可视化工具即可得到电感量变化趋势图。

通过上述的可视化计算方法获得如图5所示的电感量变化趋势图，三个坐标轴分别表示为电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N，电感量四维可视化图的总体变化趋势是随着N、S增大，电感量在各个坐标上的变化区域颜色变浅，且变化区域范围越来越小，表明接近电感量最大值。

采用可视化计算方法获得体积变化趋势图的过程为，根据步骤二中的运算函数，体积变化趋势图以电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N为变量；电抗器铁芯磁路长度l的范围约束条件以硅钢EI型材料最小和最大尺寸为依据，约束条件为0.001m～0.5m；电抗器线圈匝数N的约束条件为1～100；电抗器铁芯截面积S的约束条件为0.000001m²～0.005m²；根据三个变量的约束条件，将体积的运算函数代入可视化工具即可得到体积变化趋势图。

通过上述的可视化计算方法获得如图6所示的体积变化趋势图，三个坐标轴分别表示为电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N，电抗器体积四维可视化图的总体变化趋势是随着三个参数的增大变化区域颜色变浅，即电感体积逐渐增大。

步骤四，根据需要设置所述的电抗器的滤波电路的谐振频率确定电抗器的电感量L的数值。无源滤波器主要由电容器和电抗器组成，电抗器电感量与电容器乘积由谐振频率决定的，在电容器数值确定后，无源滤波器中的电抗器电感量从而可确定。

步骤五，考虑工作磁通密度的限制，磁芯饱和会导致过热，因此要避免磁芯工作在饱和的状态，根据法拉第定律转化后得到的工作磁通密度公式确定电抗器线圈匝数N和电抗器铁芯截面积S的限制条件NS≥LI_PK/B_w，其中B_w为电抗器的磁通密度，I_PK为电流峰峰值。

步骤六，根据步骤三中的电感量变化趋势图和体积变化趋势图确定两者的交集域，交集域中满足步骤四和步骤五中的条件下，获得电抗器的最小体积V的值，该值即为需要设计的电抗器的体积。

如图7所示，在满足电抗器的电感量L的数值的条件下，交集域中电抗器体积的变化趋势图，该图是通过比较相同材料不同型号铁芯磁路长度l中选择得出的交集剖面图。在满足步骤五的条件下，获得电抗器的最小体积V的值

步骤七，根据电抗器的体积，结合体积变化趋势图，可获得该体积所对应的电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于可视化算法的电抗器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，定义变量：电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N；

步骤二，根据定义的变量获得电抗器的电感量L和电抗器的体积V，如下，

$L={\mathrm{SN}}^2\frac{1.56l_g{\mathrm{\μ}}_0+70.84l{\mathrm{\μ}}_0^2}{763.36l_{g}l{\mathrm{\μ}}_0+89320l^2{\mathrm{\μ}}_0^2+1.56l_g^2}$

$V=(\frac{5}{12}l+\frac{l_g}{2})\×(3S+4N{d}^2)$

其中，μ₀为一常数，l_g为气隙大小，通常取0.9％的磁路长度；d为线圈直径，可通过电抗器容量计算得出；

步骤三，结合步骤二中的电抗器的电感量L和电抗器的体积V，采用可视化计算方法获得电感量变化趋势图和体积变化趋势图；

步骤四，根据需要设置所述的电抗器的滤波电路的谐振频率确定电抗器的电感量L的数值；

步骤五，根据法拉第定律转化后得到的工作磁通密度公式确定电抗器线圈匝数N和电抗器铁芯截面积S的限制条件NS≥LI_PK/B_w，其中B_w为电抗器的磁通密度，I_PK为电流峰峰值；

步骤六，根据步骤三中的电感量变化趋势图和体积变化趋势图确定两者的交集域，交集域中满足步骤四和步骤五中的条件下，获得电抗器的最小体积V的值，该值即为需要设计的电抗器的体积；

步骤七，根据电抗器的体积，结合体积变化趋势图，可获得该体积所对应的电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N。

2.根据权利要求1所述的一种基于可视化算法的电抗器设计方法，其特征在于：所述电抗器铁芯采用EI系列硅钢片，步骤二中根据定义的变量获得电抗器的体积V过程为，

设电抗器铁芯舌宽为E；

根据EI系列硅钢片特性可得电抗器铁芯参数如下：

电抗器铁芯高度电抗器铁芯宽度B＝3E，电抗器铁芯窗口高度C＝1.5E，电抗器铁芯窗口宽度D＝0.5E；

根据电抗器铁芯参数可得

电抗器铁芯磁路长度l＝6E，则

电抗器铁芯厚度

电抗器铁芯绕线层数为

电抗器厚度 $W_t^{\′}=W_t+2N\left(\frac{4d}{l}\right)d,$

电抗器的体积 $V=A\×B\×W_t^{\′}=(\frac{5}{12}l+\frac{l_g}{2})\×(3S+4N{d}^2).$

3.根据权利要求1所述的一种基于可视化算法的电抗器设计方法，其特征在于：步骤三中采用可视化计算方法获得电感量变化趋势图的过程为，根据步骤二中的运算函数，电感量变化趋势图以电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N为变量；电抗器铁芯磁路长度l的范围约束条件以硅钢EI型材料最小和最大尺寸为依据，约束条件为0.001m～0.5m；电抗器线圈匝数N的约束条件为1～100；电抗器铁芯截面积S的约束条件为0.000001m²～0.005m²；根据三个变量的约束条件，将电感量的运算函数代入可视化工具即可得到电感量变化趋势图。

4.根据权利要求1所述的一种基于可视化算法的电抗器设计方法，其特征在于：步骤三中采用可视化计算方法获得体积变化趋势图的过程为，根据步骤二中的运算函数，体积变化趋势图以电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S和电抗器线圈匝数N为变量；电抗器铁芯磁路长度l的范围约束条件以硅钢EI型材料最小和最大尺寸为依据，约束条件为0.001m～0.5m；电抗器线圈匝数N的约束条件为1～100；电抗器铁芯截面积S的约束条件为0.000001m²～0.005m²；根据三个变量的约束条件，将体积的运算函数代入可视化工具即可得到体积变化趋势图。

5.根据权利要求1所述的一种基于可视化算法的电抗器设计方法，其特征在于：步骤六中获得电抗器的最小体积V的值的过程为，在满足电感量L的数值的条件下，在交集域中获得体积的变化趋势，在满足步骤五中的条件以及铁芯磁路长度l下获得体积最小值，其中铁芯磁路长度l由所选用铁芯规格型号计算得出。