一种含楔形槽的正交铁芯式可控电抗器及其在直流偏磁下等效磁路长度的计算方法

摘要

本发明公开了一种含楔形槽的正交铁芯式可控电抗器及其在直流偏磁下等效磁路长度的计算方法，可控电抗器包括工作铁芯以及带楔形槽的控制铁芯；本发明在控制铁芯上开楔形槽能有效减少其输出谐波含量，克服了传统电抗器谐波含量高的缺陷，改善了电抗器的工作性能。同时，交流等效磁路长度的计算采用电磁场专用仿真软件(ANSOFT)，导出正交铁芯式可控电抗器中特定截面上的磁感应强度数据，根据所研究的算法对数据进行处理，从而计算出等效磁路长度的大小。该方法减小了传统方法由于内部铁芯磁化情况不明而给等效磁路长度计算带来的误差，使电抗器的交流磁化曲线更具科学性，为研究正交铁芯式可控电抗器的铁耗及其它特性提供了保障。

说明书

技术领域

本发明属于可控电抗器设计技术领域，具体涉及一种含楔形槽的正交铁芯式可控电抗器及其在直流偏磁下等效磁路长度的计算方法。

背景技术

当前，正交铁芯式可控电抗器作为一种新型的电抗值连续可调电抗器，设计抑制其谐波含量的新型结构是可调电抗器发展的必然要求。由于特殊的正交结构，与其他电抗器相比，正交铁芯式可控电抗器磁通耦合更加复杂，等效磁路长度计算十分困难。因此，如何设计出独特结构的谐波含量小的可控电抗器，并且运用工程电磁场分析方法找到合理的确定交流等效磁路的计算方法成为快捷设计新型高性能可控电抗器的关键。

一般的铁芯电抗器多采用变压器型的铁芯结构，在工程上一般将这种电抗器的几何中心线作为等效磁路的中心线，因此，就容易计算此类电抗器等效磁路长度。但是对于正交铁芯式可控电抗器的特殊结构，由于内部材料磁化的不均一性，难以采用传统方法来计算等效的磁路长度。

发明内容

针对上述技术需求，本发明提供了一种含楔形槽的正交铁芯式可控电抗器及其在直流偏磁下等效磁路长度的计算方法，能够减少其输出电流的谐波含量，通过合理的算法等效处理，计算出正交铁芯式可控电抗器的等效磁路长度。

一种含楔形槽的正交铁芯式可控电抗器，包括U型结构的控制铁芯和工作铁芯，所述控制铁芯及工作铁芯的U型侧宽度与铁臂侧宽度相同，控制铁芯端部与工作铁芯端部采用正交形式接合；所述的控制铁芯端部的U型侧边沿带有楔形缺口。

上述正交铁芯式可控电抗器在直流偏磁下等效磁路长度的计算方法，包括如下步骤：

(1)针对所述正交铁芯式可控电抗器的结构，建立对应的三维仿真模型；根据三维仿真模型尺寸直接计算出工作铁芯交流等效磁路的长度L2；

(2)将所述的三维仿真模型划分成多个有限元后，对该三维仿真模型进行仿真分析，得到各有限元节点的磁位，进而确定出有限元内任一点的磁感应强度；

(3)使控制铁芯的铁臂侧与水平方向平行，截取控制铁芯上铁臂中心线所在的水平面α，导出该水平面α的磁场分布数据；

(4)将水平面α上位于控制铁芯部分的截面放入直角坐标系中，使该截面控制铁芯端部的边沿线作为坐标系的x轴，该截面中心线对应坐标系中x＝0所在直线；

(5)根据截面上的磁场分布数据，在x＝0所在直线上均匀取若干个点，计算这些点的平均磁感应强度值；进而在该直线上寻找磁感应强度大小与该平均磁感应强度最接近的点，记录该点的坐标值并将该点作为控制铁芯交流等效磁路经过的等效坐标点；

(6)以一定长度间隔为步长对x＝0所在直线向左右两侧逐步平移，以工作铁芯交流等效磁路所在位置为边界，根据步骤(5)确定这些平移后直线上对应的等效坐标点；

(7)对步骤(6)中确定出的一系列等效坐标点进行拟合，得到控制铁芯的交流等效磁路并计算出该交流等效磁路的长度L1，使L1与L2相加即得到所述正交铁芯式可控电抗器交流等效磁路的总长度。

所述的步骤(1)中，针对正交铁芯式可控电抗器的结构，在ANSOFT(有限元仿真分析软件)环境中建立对应的三维仿真模型。

所述的步骤(1)中，当建立三维仿真模型后，设置仿真初始条件即设定可控电抗器的交流电压和直流电流。

所述的有限元为四面体结构。

所述的步骤(7)中，确定出的一系列等效坐标点后利用Matlab进行线性 拟合，以得到对应的函数曲线及其函数表达式；该函数曲线即为控制铁芯的交流等效磁路，进而通过积分运算以求得该交流等效磁路的长度L1。

当工作绕组两端的交流工作电压维持一定的幅值时，改变控制绕组两端的直流控制电流能改变正交铁芯式可控电抗器中铁芯的磁饱和程度，由于磁化曲线的非线性特性，正交铁芯式可控电抗器的电抗值也能得到相应调节。本发明在控制铁芯上开楔形槽能有效减少其输出谐波含量，克服了传统电抗器谐波含量高的缺陷，改善了电抗器的工作性能。同时，本发明交流等效磁路长度的计算采用电磁场专用仿真软件(ANSOFT)，导出正交铁芯式可控电抗器中特定截面上的磁感应强度数据，通过合理的算法对数据进行处理，进而计算出等效磁路长度的大小，从而获得在不同直流偏磁下的正交铁芯式可控电抗器的磁化曲线。该方法减小了传统方法由于内部铁芯磁化情况不明而给等效磁路长度计算带来的误差，使电抗器的交流磁化曲线更具科学性，为研究正交铁芯式可控电抗器的铁耗及其它特性提供了保障，也为正交铁芯式可控电抗器的工程设计提供了便利。

附图说明

图1为本发明正交铁芯式可控电抗器的结构示意图。

图2为本发明正交铁芯式可控电抗器的交流等效磁路示意图。

图3为本发明等效磁路长度计算方法的流程示意图。

图4为控制铁芯上等效磁路的拟合曲线图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明正交铁芯式可控电抗器包括控制铁芯1、工作铁芯2、工作绕组3、控制绕组4、直流控制电源5、交流工作电源6；工作绕组3缠绕于工作铁芯2上，工作绕组3两端接交流工作电源6；控制绕组4缠绕于控制铁芯1上，控制绕组4两端接直流控制电源5；

控制铁芯1及工作铁芯2的U型侧宽度与铁臂侧宽度相同，控制铁芯1端部与工作铁芯2端部采用正交形式接合；控制铁芯1端部的U型侧边沿带有楔形缺口。

如图3所示，本实施方式正交铁芯式可控电抗器等效磁路长度计算方法，具体步骤如下：

(1)按照图1正交铁芯式可控电抗器结构示意图所示，在有限元仿真软件ANSOFT环境中建立三维仿真模型(如针对试验样机，参数为：直流控制绕组245匝，交流工作绕组240匝，线径0.7mm，铁芯采用0.35mm厚取向硅钢片叠压而成,铁芯参数a＝16mm,k＝35mm,d＝50mm)；所谓有限元法，就是将整个区域分割成许多很小的子区域，这些子区域通常称为有限元，将求解边值问题的原理应用于这些子区域中，求解每个小区域，然后把各个小区域的结果总和起来得到整个区域的解。

(2)仿真初始条件设置，交流工作电压设定80V，直流控制电流设定0.5A；

(3)将正交铁芯式可控电抗器仿真模型进行网格剖分，本实施方式采用四节点四面体网格单元为三维网格剖分单元，共剖分成1000个有限单元，然后进行ANSOFT仿真，以得到正交铁芯式可控电抗器各单元内的磁场分布；

(4)在水平方向上截取U型铁臂中心所在的平面α，图2所示为将铁芯沿α平面截取后剩下的铁芯结构示意图。在该平面上黑色虚线L1为控制铁芯中的交流等效磁路走向，黑色实线L2为工作铁芯中的交流等效磁路长度。根据仿真结果导出该平面在初始条件设置下运行的磁场分布数据，取平面α位于直流控制铁芯中的数据作为有效数据；

(5)把该截面放在直角坐标系中，依据步骤(4)获得的控制铁芯中磁场分布数据，在x＝0所在直线上平均取30个点，计算它们的平均磁感应强度值；

(6)在该直线上寻找磁感应强度大小与步骤(5)中计算出的平均磁感应强度最接近的点，并记录其对应的坐标值，将此坐标作为交流等效磁路经过的等效坐标点；

(7)x＝0直线以±0.5mm为步长向坐标轴两侧不断平移，分别计算这些直线上对应的等效坐标点；

(8)判断此时平移后的直线是否超过仿真模型交流工作铁芯中几何中心线 在X轴上对应值P；若未超过，则x直线继续向坐标轴两侧平移；若超过P值，则退出循环；

(9)将前面循环所计算出的一系列等效坐标点导入Matlab进行线性拟合，得到如图4所示拟合函数图像，进而得到拟合函数表达式y＝-0.045x²+13.03；

(10)在上述步骤求出拟合函数表达式的情况下，通过积分运算得到控制铁芯中的交流等效磁路长度L1，需要注意的是L1并非仅仅是拟合弧线的积分值，还需加上图4中两条对应的直线段长度；

(11)由于在工作铁芯中磁路结构的对称性，其交流等效磁路长度L2可根据仿真模型尺寸直接计算得到，磁路的对称性使得计算大大简化；

(12)控制铁芯中的交流等效磁路长度L1与工作铁芯中的交流等效磁路长度L2相加得到电抗器中总的交流等效磁路长度。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。