CN111708398A - 一种电路电磁分析方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种电路电磁分析方法及装置。获取器件的相位和线性电压；将所述器件的相位和线性电压代入至开关函数，该开关函数用于确定设备输出电压；基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型，其中，通过谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型，该电压调节器数学模型基于谱方法和所述开关函数分析电压调节器电路，从而降低电压调节器电路的分析成本。

Description

一种电路电磁分析方法及装置
技术领域
本发明涉及智能决策中的分析模型，特别涉及一种电路电磁分析方法及装置。
背景技术
具有相位控制和自切换功能的调节器是在不完全控制的阀门(晶闸管)上执行的，该晶闸管调压器广泛应用于化工加热炉模式的控制、异步电机的软启动、接触焊设备的控制。
电压调节器电路分布广泛，在相关技术中，该电压调节器电路分析在半导体功率电路模拟软件包的基础进行分析，而半导体功率电路模拟软件包的成本较高，导致电压调节器电路的分析成本较高。
发明内容
本公开旨在提供一种电路电磁分析方法及装置，以降低电压调节器电路的分析成本。
根据本公开的一方面，提供了一种电路电磁分析方法，包括：获取器件的相位和线性电压；将所述器件的相位和线性电压代入至开关函数，该开关函数用于确定设备输出电压；基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型。
在一个实施例中，所述基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型之后，还包括：在数学软件上应用所述电压调节器数学模型。
在一个实施例中，所述基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型之后，还包括：排除器件和电路中无功元件的损耗，所述电压调节器数学模型能够预估各参数的瞬时值，有效值和频谱组成。
在一个实施例中，所述电压调节器数学模型记录所述电路中的电磁过程，并以数学模型进行描述。
在一个实施例中，通过电压谐波分析来确定所述器件的电流。
根据本公开的一方面，提供了一种电路电磁分析方法的装置，包括：获取模块，用于获取器件的相位和线性电压；代入模块，将所述器件的相位和线性电压代入至开关函数，该开关函数用于确定设备输出电压；建立模块，用于基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型。
根据本公开的一方面，提供了一种计算机可读程序介质，其存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被计算机执行时，使计算机执行根据上述的方法。
根据本公开的一方面，提供了一种电子装置，包括：处理器；存储器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，实现上述的方法。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
在本发明的一些实施例所提供的技术方案中，获取器件的相位和线性电压；将所述器件的相位和线性电压代入至开关函数，该开关函数用于确定设备输出电压；基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型，其中，通过谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型，该电压调节器数学模型基于谱方法和所述开关函数分析电压调节器电路，从而降低电压调节器电路的分析成本。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种电路电磁分析方法的流程图。
图2为本发明交流调压器晶闸管电路电磁过程分析数学模型实现过程框图。
图3为双区晶闸管调压器电路示意图。
图4为多区晶闸管调压器控制的结构方案。
图5为多区晶闸管调压器控制系统中的控制信号。
图6为多区晶闸管调压器的输出电压。
图7为多区晶闸管调压器的负载电流。
图8为多区晶闸管调压器的负载电流频谱估计。
图9是根据一示例性实施例示出的一种电路电磁分析方法的装置的框图。
图10是根据一示例性实施例示出的一种电子装置的硬件图。
图11是根据一示例性实施例示出的一种电路电磁分析方法的计算机可读存储介质。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例执行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。附图所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
具有相位控制和自切换功能的调节器是在不完全控制的阀门(晶闸管)上执行的，该晶闸管调压器广泛应用于化工加热炉模式的控制、异步电机的软启动、接触焊设备的控制。
电压调节器电路分布广泛，在相关技术中，该电压调节器电路分析在半导体功率电路模拟软件包的基础进行分析，而半导体功率电路模拟软件包的成本较高，导致电压调节器电路的分析成本较高。
根据本公开的一个实施例，提供了一种电路电磁分析方法，如图1所示，该电路电磁分析方法的方法包括：
步骤S110、获取器件的相位和线性电压；
步骤S120、将所述器件的相位和线性电压代入至开关函数，该开关函数用于确定设备输出电压；
步骤S130、基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型。
在本发明的一些实施例中，基于前述方案，获取器件的相位和线性电压；将所述器件的相位和线性电压代入至开关函数，该开关函数用于确定设备输出电压；基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型，其中，通过谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型，该电压调节器数学模型基于谱方法和所述开关函数分析电压调节器电路，从而降低电压调节器电路的分析成本。
下面对这些步骤进行详细描述。
如图2-8所示，在步骤S110中，获取器件的相位和线性电压。
本公开实施例中，器件的相位和线性电压均以参数形式展出，以便于在函数中进行相关计算。
多区晶闸管调节器的数学描述与传统晶闸管调节器的描述较为相似。首先，描述电网输入正弦电压：
Figure BDA0002579900090000041
Figure BDA0002579900090000042
Figure BDA0002579900090000043
多区晶闸管调压器的控制原理与传统晶闸管调压器也很相似，如图3所示，在其组成中具有对应晶闸管对的另一个控制信道组。图4为控制系统的信号图。
在图3和图4中，uref11...urefc为调节器控制的锯齿波参考信号；uM1和uM2为设置晶闸管控制组的控制角的调制信号；C为比较器；Pi为调节器控制组。
调制信号由与控制角成比例的常数给出。
um1＝const1
um2＝const2
接下来，对开关函数进行描述，以确定作为比较器操作结果的电压调节器的开关时间。本发明使用Heaviside函数给出开关函数的表达式：
Fi1＝Φ(urefi-um1)
Fi2＝Φ(urefi-um2)
得到的开关函数决定了相应晶闸管对的导通持续时间，并且它们与控制角成正比。考虑开关功能的输出电压由以下关系确定(本发明默认调节器内的电容及其电压相同)：
Figure BDA0002579900090000051
Figure BDA0002579900090000054
Figure BDA0002579900090000055
可得到输出电压的形状如图5所示。
如图2-8所示，步骤S120中，将所述器件的相位和线性电压代入至开关函数，该开关函数用于确定设备输出电压；
本公开实施例中，该开关函数用于确定设备输出电压，并根据器件的工作规律进行延伸，具体的，首先，描述电网的输入正弦电压和晶闸管调压器的控制原理。
必须明确晶闸管调压器的控制结构中调制和参考信号的变化规律。通常，锯齿参考信号可以描述如下：
Figure BDA0002579900090000052
其中i∈[1；k]为描述电压调节器相数的角标，k为电压调节器的相数。
调制信号等于与晶闸管调压器控制角成比例的常数。
um＝const
接下来，描述决定晶闸管调压器开关次数的开关函数，这是比较器操作的结果。
Fi＝Φ(ureft-uul)
Figure BDA0002579900090000053
所获得的开关函数决定了相应晶闸管对的开关持续时间，并且与控制角度成正比。考虑开关功能的输出电压由以下关系确定：
Va＝Va·F1
Vbr＝Vb·F2
Vcx＝Vc·F3
另外，定义开关函数的概念。根据状态真值与否，切换函数取两个值：
Figure BDA0002579900090000061
当晶闸管接通时，功率半导体阀的开关函数等于1，否则为0：
Figure BDA0002579900090000062
在步骤S130中，基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型。
具体的，电压调节器数学模型的建立基于谱方法和开关函数，并使用数学软件Mathcad实现这些模型。
通过确定负载电压的谐波成分来确定输出电流。基于快速傅里叶变换实现：
Figure BDA0002579900090000066
Figure BDA0002579900090000067
Figure BDA0002579900090000068
由电压谐波成分可得到电流谐波：
Figure BDA0002579900090000063
Figure BDA0002579900090000064
Figure BDA0002579900090000065
式中：Z表示桥式整流器输出电路的复阻抗。在有源电感负载的情况下：Z＝Rd+jωL
由此可得到三相多区晶闸管调节器的负载电流图如图7所示。
通过傅里叶逆变换，电流的瞬时值为：
Figure BDA0002579900090000071
Figure BDA0002579900090000072
Figure BDA0002579900090000073
得到相电流的数学描述后，可以用与电压相同的方法计算其平均值和有效值，并进行谐波分析。例如，对a相电流应用快速傅里叶变换：
C(ia)＝2FFT(ia)
因为复数形式的相电流的傅里叶级数谐波分量的列向量已知，便可以计算出p次谐波的电流谐波系数和电流积分谐波系数。由此，估计三相多区晶闸管电压的负载电流频谱组成，如图7所示。
所述基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型之后，还包括S140、在数学软件上应用所述电压调节器数学模型，在本发明的一些实施例中，数学软件为数学软件Mathcad，通过数学软件Mathcad以便于所述电压调节器数学模型的运算，并且进一步地提高模型运算的效率。
本模型同时适用于经典交流调压器和多区晶闸管交流调压器，建模的特点是对所研究电路中的电磁过程进行数学描述。
另外，所述基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型之后，还包括S150、排除器件和电路中无功元件的损耗，所述电压调节器数学模型能够预估各参数的瞬时值，有效值和频谱组成。
所述电压调节器数学模型记录所述电路中的电磁过程，并以数学模型进行描述，通过数学模型以便于查看电磁的变化，从而直观地了解电路的变化。还有的是，通过电压谐波分析来确定所述器件的电流，从而提高电流的准确性。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
在本发明的一些实施例所提供的技术方案中，获取器件的相位和线性电压；将所述器件的相位和线性电压代入至开关函数，该开关函数用于确定设备输出电压；基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型，其中，通过谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型，该电压调节器数学模型基于谱方法和所述开关函数分析电压调节器电路，从而降低电压调节器电路的分析成本。
另外，本发明还具有以下优点：
(1)本发明提出的数学模型，允许快速计算电路元件中的电流和电压平均值和有效值，并分析了这类电路中的电磁过程，而无需借助专门昂贵的半导体功率电路模拟软件包。
(2)本发明实现了基于谱方法和开关函数的交流调压晶闸管电磁过程数学模型。为后续进行交流电压晶闸管调压器的工作方式的讨论和分析打好基础。同时适用于采用晶闸管反并联(经典)和交流电压多区调节器的晶闸管调节器，可有效估计调节器电流和电压质量。
(3)本发明基于傅里叶级数系数以及快速离散傅立叶变换(DFT)算法，计算速度很快，计算精度较高。
如图9所示，在一个实施例中，所述电路电磁分析方法的装置200还包括：
获取模块210，用于获取器件的相位和线性电压；
代入模块220，用于将所述器件的相位和线性电压代入至开关函数，该开关函数用于确定设备输出电压；
建立模块230，用于基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型。
下面参照图9来描述根据本发明的这种实施方式的电子设备40。图4显示的电子设备40仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图10所示，电子设备40以通用计算设备的形式表现。电子设备40的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理单元41、上述至少一个存储单元42、连接不同系统组件(包括存储单元42和处理单元41)的总线43。
其中，所述存储单元存储有程序代码，所述程序代码可以被所述处理单元41执行，使得所述处理单元41执行本说明书上述“实施例方法”部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。
存储单元42可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(RAM)421和/或高速缓存存储单元422，还可以进一步包括只读存储单元(ROM)423。
存储单元42还可以包括具有一组(至少一个)程序模块425的程序/实用工具424，这样的程序模块425包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
总线43可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。
电子设备40也可以与一个或多个外部设备(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备40交互的设备通信，和/或与使得该电子设备40能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口45进行。并且，电子设备40还可以通过网络适配器46与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器46通过总线43与电子设备40的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备40使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、终端装置、或者网络设备等)执行根据本公开实施方式的方法。
根据本公开一个实施例，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够实现本说明书上述方法的程序产品。在一些可能的实施方式中，本发明的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。
参考图11所示，描述了根据本发明的实施方式的用于实现上述方法的程序产品50，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本文件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
所述程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围执行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种电路电磁分析方法，其特征在于，包括：
获取器件的相位和线性电压；
将所述器件的相位和线性电压代入至开关函数，该开关函数用于确定设备输出电压；
基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型之后，还包括：
在数学软件上应用所述电压调节器数学模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型之后，还包括：
排除器件和电路中无功元件的损耗，所述电压调节器数学模型能够预估各参数的瞬时值，有效值和频谱组成。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电压调节器数学模型记录所述电路中的电磁过程，并以数学模型进行描述。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过电压谐波分析来确定所述器件的电流。
6.一种电路电磁分析方法的装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取器件的相位和线性电压；
代入模块，将所述器件的相位和线性电压代入至开关函数，该开关函数用于确定设备输出电压；
建立模块，用于基于谱方法和所述开关函数建立电压调节器数学模型。
7.一种计算机可读程序介质，其特征在于，其存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被计算机执行时，使计算机执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法。
8.一种电子装置，其特征在于，包括：
处理器；
存储器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，实现如权利要求1至5任一项所述的方法。
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