CN106772151A - 一种交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法。该方法在交直流混合激励下，采用瞬态场对平波电抗器模型进行仿真，按磁通密度B_m分布近似相等的原则将磁屏蔽框模型划分为若干个等效均匀域，通过MagNet软件计算出每个等效均匀域一个周期内的所有平均磁场强度H，进而计算出每个等效均匀域中直流偏置磁场强度H_dc，并按划分后的等效均匀域重新建立平波电抗器模型，赋予每个等效均匀域在相应的直流偏置磁场强度H_dc下的B_m‑P损耗特性曲线，再次对重新建模后的平波电抗器模型进行三维有限元瞬态仿真，最终计算出每个等效均匀域的磁损耗，将每个等效均匀域的磁损耗代数相加，即得到磁屏蔽框的磁损耗。该方法减少了计算工作量和计算时间。

Description

一种交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法

技术领域

本发明涉及电磁学领域，具体是一种交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法。

背景技术

目前，在交直流混合激励条件下，大型电磁装置结构件中损耗的分析与验证以及如何有效降低损耗，在产品分析与设计中备受关注。随着高压直流输电工程建设的全面铺开，使得许多直流输电设备得到了迅速发展，其中平波电抗器就是主要设备之一。平波电抗器经常在交直流混合激励下运行，使得平波电抗器绕组中不仅含有较大的直流分量，还含有高次谐波的交流分量，加上平波电抗器的外铁心式结构，使磁屏蔽框中的磁通分布不均匀，不同位置的直流磁通不相同，而在不同的直流偏置磁场强度H_dc下磁屏蔽框的硅钢叠片呈现的电磁性能也是不一样的，在这种情况下采用计算电磁学领域中传统的B_m-P损耗曲线的方法无法实现磁损耗的计算。要想准确计算交直流混合激励条件下平波电抗器磁屏蔽框的磁损耗，需要采用瞬态场对外铁心式平波电抗器模型进行仿真求解，并通过采用插值技术并编制相应脚本，确定每个单元的交流磁通密度B_m和直流偏置磁场强度H_dc，进而得到每个相对应单元的损耗从而得到整个磁屏蔽框的损耗情况。这种方法的缺点在于单元数量繁多，在步长较长的情况下，使得计算时间过长，不适合工程应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法。该方法采用等效均匀化处理方法，将磁屏蔽框划分为多个等效均匀域，并赋予每个等效均匀域相对应的直流偏置磁场强度H_dc下的损耗特性曲线，通过计算每个等效均匀域的磁损耗，进而得到磁屏蔽框模型的磁损耗情况。该方法克服了现有技术测算各种交直流混合激励工况下电气装备磁屏蔽框中的磁损耗的测算时间过长，不适合工程应用的缺陷。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法，其特征在于具体步骤如下：

第一步：建立外铁心式平波电抗器的有限元分析模型；该模型由磁屏蔽框与线圈组成，线圈位于磁屏蔽框的中心位置；

第二步：施加交直流混合激励于第一步得到的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型的线圈上，对外铁心式平波电抗器模型进行三维有限元瞬态仿真，得出外铁心式平波电抗器磁屏蔽框的仿真结果；

第三步：根据第二步得出的外铁心式平波电抗器磁屏蔽框的仿真结果，按磁通密度B_m分布的均匀性来划分，即磁通密度B_m的最大值与最小值的差≤0.4T划分为一个等效均匀域，将磁屏蔽框模型进行划分；

第四步：通过MagNet软件计算出上述第三步划分得到的每个等效均匀域一个周期内的各个时刻对应的平均磁场强度H，并确定在该周期中的平均磁场强度H的最大值H_max和最小值H_min；

第五步：按直流偏置磁场强度H_dc＝(H_max+H_min)/2，计算出每个等效均匀域的直流偏置磁场强度H_dc；

第六步：根据计算出的每个等效均匀域的直流偏置磁场强度H_dc重新建立外铁心式平波电抗器的有限元分析模型，即赋予每个等效均匀域相对应的直流偏置磁场强度H_dc下的B_m-P损耗特性曲线；

第七步：施加交直流混合激励于第六步得到的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型的线圈上，对重新建立的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型进行三维有限元瞬态仿真，得出磁屏蔽框模型内的每个等效均匀域的仿真结果；根据公式计算出每个等效均匀域的磁损耗W_i；

式中，ρ为材料的密度；N_e为单元个数；V^e为单元体积；P^e为单元损耗密度，它是磁通密度B_m与直流磁场强度H_dc的函数；

第八步：将每个等效均匀域计算出的磁损耗代数相加，根据公式测算得到交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗W。

上述测算交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的方法，所述平均磁场强度H的求法是：上述第三步划分得到的每个等效均匀域包括n个单元，根据公式测算出平均磁场强度H；

式中，H_i是单元的平均磁场强度，n为任意正整数。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)与采用编制脚本和插值技术求解磁损耗相比，该方法使用简单方便，同时工作量大为降低，计算时间缩短，便于工程应用。

(2)本文提出的交直流混合激励下磁屏蔽框磁损耗的测算方法，充分考虑外铁心式平波电抗器不同位置的磁通密度不相同，且不同的直流偏置磁场强度H_dc下磁屏蔽框呈现的电磁性能也不相同的情况，使计算结果更为准确合理。

(3)该方法适用于工程应用，减少了计算工作量，计算时间也大为缩短。

附图说明

图1是本发明交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法一种实施例的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型；

图2是本发明交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法一种实施例磁屏蔽框的等效均匀域的划分模型；

图3是本发明交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法一种实施例的划分等效均匀域后重新建立的磁屏蔽框的有限元分析模型；(图中1、线圈；2、磁屏蔽框)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法，其特征在于具体步骤如下：

第一步：建立外铁心式平波电抗器的有限元分析模型；该模型由磁屏蔽框与线圈组成，线圈位于磁屏蔽框的中心位置(参见图1)；

第二步：施加交直流混合激励于第一步得到的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型的线圈上，对外铁心式平波电抗器模型进行三维有限元瞬态仿真，得出外铁心式平波电抗器磁屏蔽框的仿真结果；

第三步：根据外铁心式平波电抗器磁屏蔽框的仿真结果，按磁通密度B_m分布的均匀性来划分，即磁通密度B_m分布近似相等的区域划分为一个等效均匀域，即磁通密度B_m的最大值与最小值的差≤0.4T划分为一个等效均匀域，将磁屏蔽框模型进行划分(参见图2)；

第四步：通过MagNet软件计算出上述第三步划分得到的每个等效均匀域一个周期内的各个时刻对应的平均磁场强度H，并确定在该周期中的平均磁场强度H的最大值H_max和最小值H_min；所述平均磁场强度H的求法是：每个等效均匀域包括n个单元，根据公式(1)计算出平均磁场强度H；

式中：H_i是单元的平均磁场强度；n为任意正整数；

第五步：按直流偏置磁场强度H_dc＝(H_max+H_min)/2，计算出每个等效均匀域的直流偏置磁场强度H_dc；

第六步：根据计算出的每个等效均匀域的直流偏置磁场强度H_dc重新建立外铁心式平波电抗器的有限元分析模型(参见图3)，即赋予每个等效均匀域相对应的直流偏置磁场强度H_dc下的B_m-P损耗特性曲线；

第七步：施加交直流混合激励于第六步得到的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型的线圈上，对重新建立的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型进行三维有限元瞬态仿真，得出磁屏蔽框模型内的每个等效均匀域的仿真结果；根据公式(2)计算出每个等效均匀域的磁损耗W_i；

式中，ρ为材料的密度；N_e为单元个数；V^e为单元体积；P^e为单元损耗密度，它是磁通密度B_m与直流磁场强度H_dc的函数；

第八步：将每个等效均匀域计算出的磁损耗代数相加，根据公式测算得到交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗W。

实施例1

一种交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法，其特征在于具体步骤如下：

第一步：建立外铁心式平波电抗器的有限元分析模型；该模型由磁屏蔽框与线圈组成，线圈位于磁屏蔽框的中心位置(参见图1)；

第二步：施加交直流混合激励于第一步得到的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型的线圈上，对外铁心式平波电抗器模型进行三维有限元瞬态仿真，得出外铁心式平波电抗器磁屏蔽框的仿真结果；

第三步：根据外铁心式平波电抗器磁屏蔽框的仿真结果，按磁通密度B_m分布的均匀性来划分，即磁通密度B_m的最大值与最小值的差等于0.4T划分为一个等效均匀域，将磁屏蔽框模型进行划分(参见图2)；

第四步：通过MagNet软件计算出上述第三步划分得到的每个等效均匀域一个周期内的各个时刻对应的平均磁场强度H，并确定在该周期中的平均磁场强度H的最大值H_max和最小值H_min；所述平均磁场强度H的求法是：每个等效均匀域包括n个单元，根据公式(1)计算出平均磁场强度H；

式中：H_i是单元的平均磁场强度；n为任意正整数；

第五步：按直流偏置磁场强度H_dc＝(H_max+H_min)/2，计算出每个等效均匀域的直流偏置磁场强度H_dc；

第六步：根据计算出的每个等效均匀域的直流偏置磁场强度H_dc重新建立外铁心式平波电抗器的有限元分析模型(参见图3)，即赋予每个等效均匀域相对应的直流偏置磁场强度H_dc下的B_m-P损耗特性曲线；

第七步：施加交直流混合激励于第六步得到的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型的线圈上，对重新建立的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型进行三维有限元瞬态仿真，得出磁屏蔽框模型内的每个等效均匀域的仿真结果；根据公式(2)计算出每个等效均匀域的磁损耗W_i；

式中，ρ为材料的密度；N_e为单元个数；V^e为单元体积；P^e为单元损耗密度，它是磁通密度B_m与直流磁场强度H_dc的函数；

第八步：将每个等效均匀域计算出的磁损耗代数相加，根据公式测算得到交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗W。

实施例2

一种交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法，其特征在于具体步骤如下：

第一步：建立外铁心式平波电抗器的有限元分析模型；该模型由磁屏蔽框与线圈组成，线圈位于磁屏蔽框的中心位置(参见图1)；

第二步：施加交直流混合激励于第一步得到的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型的线圈上，对外铁心式平波电抗器模型进行三维有限元瞬态仿真，得出外铁心式平波电抗器磁屏蔽框的仿真结果；

第三步：根据外铁心式平波电抗器磁屏蔽框的仿真结果，按磁通密度B_m分布的均匀性来划分，即磁通密度B_m的最大值与最小值的差等于0.3T划分为一个等效均匀域，将磁屏蔽框模型进行划分(参见图2)；

第四步：通过MagNet软件计算出上述第三步划分得到的每个等效均匀域一个周期内的各个时刻对应的平均磁场强度H，并确定在该周期中的平均磁场强度H的最大值H_max和最小值H_min；所述平均磁场强度H的求法是：每个等效均匀域包括n个单元，根据公式(1)计算出平均磁场强度H；

式中：H_i是单元的平均磁场强度；n为任意正整数；

第五步：按直流偏置磁场强度H_dc＝(H_max+H_min)/2，计算出每个等效均匀域的直流偏置磁场强度H_dc；

第六步：根据计算出的每个等效均匀域的直流偏置磁场强度H_dc重新建立外铁心式平波电抗器的有限元分析模型(参见图3)，即赋予每个等效均匀域相对应的直流偏置磁场强度H_dc下的B_m-P损耗特性曲线；

第七步：施加交直流混合激励于第六步得到的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型的线圈上，对重新建立的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型进行三维有限元瞬态仿真，得出磁屏蔽框模型内的每个等效均匀域的仿真结果；根据公式(2)计算出每个等效均匀域的磁损耗W_i；

式中，ρ为材料的密度；N_e为单元个数；V^e为单元体积；P^e为单元损耗密度，它是磁通密度B_m与直流磁场强度H_dc的函数；

第八步：将每个等效均匀域计算出的磁损耗代数相加，根据公式测算得到交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗W。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法，其特征在于具体步骤如下：

第一步：建立外铁心式平波电抗器的有限元分析模型；该模型由磁屏蔽框与线圈组成，线圈位于磁屏蔽框的中心位置；

第二步：施加交直流混合激励于第一步得到的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型的线圈上，对外铁心式平波电抗器模型进行三维有限元瞬态仿真，得出外铁心式平波电抗器磁屏蔽框的仿真结果；

第三步：根据外铁心式平波电抗器磁屏蔽框的仿真结果，按磁通密度B_m分布的均匀性来划分，即磁通密度B_m的最大值与最小值的差≤0.4T划分为一个等效均匀域，将磁屏蔽框模型进行划分；

第四步：通过MagNet软件计算出上述第三步划分得到的每个等效均匀域一个周期内的各个时刻对应的平均磁场强度H，并确定在该周期中的平均磁场强度H的最大值H_max和最小值H_min；

第五步：按直流偏置磁场强度H_dc＝(H_max+H_min)/2，计算出每个等效均匀域的直流偏置磁场强度H_dc；

第六步：根据计算出的每个等效均匀域的直流偏置磁场强度H_dc重新建立外铁心式平波电抗器的有限元分析模型，即赋予每个等效均匀域相对应的直流偏置磁场强度H_dc下的B_m-P损耗特性曲线；

第七步：施加交直流混合激励于第六步得到的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型的线圈上，对重新建立的外铁心式平波电抗器的有限元分析模型进行三维有限元瞬态仿真，得出磁屏蔽框模型内的每个等效均匀域的仿真结果；根据公式计算出每个等效均匀域的磁损耗W_i；

$W_i=\mathrm{\ρ}\underset{i=1}{\overset{N_e}{\Σ}}{P}^e{B}_m^e{V}^e$

式中，ρ为材料的密度；N_e为单元个数；V^e为单元体积；P^e为单元损耗密度，它是磁通密度B_m与直流磁场强度H_dc的函数；

第八步：将每个等效均匀域计算出的磁损耗代数相加，根据公式测算得到交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗W。

2.根据权利要求1所述的交直流混合激励下的磁屏蔽框磁损耗的测算方法，其特征在于所述平均磁场强度H的求法是：每个等效均匀域包括n个单元，根据公式计算出平均磁场强度H；

$H=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{H}_i/n$

式中：H_i是单元的平均磁场强度；n为任意正整数。