CN104318060A - 基于可视化算法的电抗器温升计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可视化算法的电抗器温升计算方法，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，在满足电感量和体积优化的条件下由可视化图形可得到所求得的温升数值。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，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温升值，结合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N，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

基于可视化算法的电抗器温升计算方法

技术领域

本发明涉及一种电抗器温升计算方法，具体涉及一种基于可视化算法的电抗器温升计算方法。 

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。 

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于可视化算法的电抗器温升计算方法，直观明了，方法简单。 

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案： 

基于可视化算法的电抗器温升计算方法，其特征是，包括以下步骤， 

1)测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；计算电抗器的磁芯损失公式P_Fe和铜芯损失公式P_Cu，其中，磁芯损失公式为：                                                  式中m_e为磁芯的质量，k、m、n均为材料的系数； 

2)计算电抗器的总损耗P_Σ，P_Σ＝P_Fe+P_Cu； 

3)将步骤2)的结果带入电抗器温升计算公式进行计算； 

4)根据法拉第定律转化后得到的工作磁密公式   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为电抗器的磁密，I_PK为电流峰峰值； 

5)根据步骤3)中的电抗器温升计算公式可得到变化趋势图，将变化趋势图进行平面剖析，在满足步骤4)中的限制条件下找出解集。 

前述的基于可视化算法的电抗器温升计算方法，其特征是，所述步骤3)中的电抗器温升公式为T_r＝450ψ^0.826(℃)；其中功率耗散密度   A_t为表面积，其表达式为：A_t＝K_sA_P ^0.5；A_P为面积积，K_s是与磁芯结构有关的常数。 

前述的基于可视化算法的电抗器温升计算方法，其特征是，所述步骤5)中的变化趋势图根据步骤4)中的计算结果以及以电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S、电抗器线圈匝数N为变量绘出。 

前述的基于可视化算法的电抗器温升计算方法，其特征是，所述变化趋势图的约束条件是：1)所述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；2)所述电抗器线圈匝数N的约束条件为1～100；3)所述电抗器铁芯截面积S的约束条件为0.000001m²～0.005m²。 

前述的基于可视化算法的电抗器温升计算方法，其特征是，所述步骤5)中获得电抗器温升平面图的过程为，在满足步骤4)中的限制条件下，依据选择的电抗器铁芯磁路长度l作为定量，在电抗器温升变化趋势图中找出相关满足域，即可得到变量参数值。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，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温升值，结合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N，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是电抗器温升变化趋势图。 

图2是电抗器工作磁密数值的条件下，交集域中电抗器温升变化平面趋势图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。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。 

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。为了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，滤波电路结构包括整流桥、直流铁芯电抗器、滤波电容和负载。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。 

直流铁芯电抗器主要包括线圈、铁芯、气隙组成。电感是一个能量储存元器件，为了有效地存储和返回能量到电路中去，并要求体积最小，体积最小，成本最低的电感是设计追求的目标。体积最小意味着磁芯利用最好，损耗最小。针对此，设计出了一种基于可视化算法的电抗器温升计算方法，以便于对电抗 器温升进行分析，包括以下步骤， 

1)测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；计算电抗器的磁芯损失公式P_Fe和铜芯损失公式P_Cu，其中，磁芯损失公式为：   式中m_e为磁芯的质量，k、m、n均为材料的系数； 

2)计算电抗器的总损耗P_Σ，P_Σ＝P_Fe+P_Cu； 

3)将步骤2)的结果带入电抗器温升计算公式进行计算；电抗器温升公式为T_r＝450ψ^0.826(℃)；其中功率耗散密度   A_t为表面积，其表达式为：A_t＝K_sA_P ^0.5；A_P为面积积，K_s是与磁芯结构有关的常数； 

4)根据法拉第定律转化后得到的工作磁密公式   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为电抗器的磁密，I_PK为电流峰峰值； 

5)根据步骤3)中的电抗器温升计算公式可得到变化趋势图，将变化趋势图进行平面剖析，在满足步骤4)中的限制条件下找出解集。根据步骤4)中的电抗器温升计算公式以及以电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S、电抗器线圈匝数N为变量可得到变化趋势图。其中，变化趋势图的约束条件是： 

(1)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； 

(2)电抗器线圈匝数N的约束条件为1～100； 

(3)电抗器铁芯截面积S的约束条件为0.000001m²～0.005m²。 

将变化趋势图进行平面剖析，在满足步骤5)中的限制条件下依据选择的电抗器铁芯磁路长度l作为定量，在电抗器温升变化趋势图中找出相关满足域，即可得到变量参数值，找出解集。 

具体的我们带入数据进行实际计算： 

根据步骤1)，设计采用EI系列厚度为0.3556mm的硅钢片，查铁合金表可知：k＝0.000557，m＝1.68，n＝1.86，B_AC＝0.25T；其中B_AC为交流磁通密度，其频率为100Hz，硅钢的密度ρ为7.3g/cm³,则硅钢的质量为： 

m＝ρV_L≈0.001S·l，V_L为电抗器铁芯体积。 

所以由上面所提供参数可以求得磁芯损失为：P_Fe＝(0.001S·l)kf^(m)B_AC ⁽ⁿ⁾＝0.000097Sl导线裸面积:   式中I为流过电感器的电流(A)；j为电流密度(A/mm²)。 

由上式A_w可得A_w＝0.0529cm²，查美国线规可知，应选择AWG＝#9：裸面积A_w＝0.0663cm²，电阻率为   

计算绕组电阻： 

$R_L=\left(\mathrm{MLT}\right)N\left[\frac{\mathrm{\μ\Ω}}{\mathrm{cm}}\right]\×{10}^{-6}\left(\mathrm{\Ω}\right)$

式中MLT为平均匝长，此种情况下MLT≈1.2l，则铜损P_cu＝I²R_L＝0.01815NlP_Fe＝0.000097Sl，P_Cu＝0.01815Nl。 

带入步骤2)得到P_Σ＝P_cu+P_Fe＝0.01815Nl+0.000097Sl。 

电抗器温升公式为T_r＝450ψ^0.826(℃)；其中功率耗散密度   At为表面积，其表达式为：A_t＝K_sA_P ^0.5；A_P为面积积，K_s是与磁芯结构有关的常数。在本情况下，查硅钢型号数据表可知叠片磁芯系数K_s＝41.3；A_P＝w_a·s，w_a＝0.0208l²，由此可得：A_t＝41.3(0.0208Sl²)^0.5，温升Tr计算公式为：T_r＝450ψ^0.826(℃)，将前述公式代入可得    $T_r=450{\left(\frac{0.01815\mathrm{Nl}+0.000097\mathrm{Sl}}{41.3\×{\left({0.0208\mathrm{Sl}}^2\right)}^{0.5}}\right)}^{0.826}$

本方法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，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 温升值，结合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N的关系图。 

结合如上的具体实例，并根据步骤5)采用MATLAB软件编程可得图1，所示为得到的电抗器温升变化趋势图，图中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作为三个变量建立三维坐标，将T_r的数值以颜色的深浅表现出来，对应的数值在图2右侧体现。于是，得到了如图1所示的可视化图形。 

图2是对图1进行平面剖析后，在满足步骤5)中的限制条件下依据选择的电抗器铁芯磁路长度l作为定量，在电抗器温升变化趋势图中找出相关满足域，找出的解集，解集用虚线框出。图1和图2的结果很清晰，分析起来直观简单。 

本方法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。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.基于可视化算法的电抗器温升计算方法，其特征是，包括以下步骤， 

1)测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；计算电抗器的磁芯损失公式P_Fe和铜芯损失公式P_Cu，其中，磁芯损失公式为：                                                  式中m_e为磁芯的质量，k、m、n均为材料的系数； 

2)计算电抗器的总损耗P_Σ，P_Σ＝P_Fe+P_Cu； 

3)将步骤2)的结果带入电抗器温升计算公式进行计算； 

4)根据法拉第定律转化后得到的工作磁密公式   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为电抗器的磁密，I_PK为电流峰峰值； 

5)根据步骤3)中的电抗器温升计算公式可得到变化趋势图，将变化趋势图进行平面剖析，在满足步骤4)中的限制条件下找出解集。 

2.根据权利要求1所述的基于可视化算法的电抗器温升计算方法，其特征是，所述步骤3)中的电抗器温升公式为T_r＝450ψ^0.826(℃)；其中功率耗散密度   A_t为表面积，其表达式为：A_t＝K_sA_P ^0.5；A_P为面积积，K_s是与磁芯结构有关的常数。 

3.根据权利要求1所述的基于可视化算法的电抗器温升计算方法，其特征是，所述步骤5)中的变化趋势图根据步骤4)中的计算结果以及以电抗器铁芯磁路长度l、电抗器铁芯截面积S、电抗器线圈匝数N为变量绘出。 

4.根据权利要求3所述的基于可视化算法的电抗器温升计算方法，其特征是，所述变化趋势图的约束条件是：1)所述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；2)所述电抗器线圈匝数N的约束条件为1～100；3)所述电抗器铁芯截面积S的约束条 件为0.000001m²～0.005m²。 

5.根据权利要求1所述的基于可视化算法的电抗器温升计算方法，其特征是，所述步骤5)中获得电抗器温升平面图的过程为，在满足步骤4)中的限制条件下，依据选择的电抗器铁芯磁路长度l作为定量，在电抗器温升变化趋势图中找出相关满足域，即可得到变量参数值。