一种LPST气隙磁场建模方法及电感参数获取方法与流程

本发明属于变压器领域，尤其涉及一种lpst(即直线式移相变压器)的气隙磁场建模方法及其电感参数获取方法。

背景技术：

1、如图1所示，直线式移相变压器(linear phase-shifting transformer，lpst)是一种借鉴直线电机结构和工作原理所设计的新型结构的移相变压器，是多重叠加逆变系统的重要组成部分。lpst与直线电机结构基本相同，不同的是，lpst的一、二次侧铁心长度相同并且关于气隙对称。与常规移相变压器不同，lpst的能量转换主要是通过气隙行波磁场实现的，当lpst一次侧绕组通电后，铁心内部产生行波磁场，在二次侧感应出三相交流电。

2、相较于其他结构的移相变压器，lpst具备移相角度范围广、无需特殊的绕组匝数比、铁心和绕组利用率高以及能够实现电气隔离等优势，应用在整流/逆变设备中能够有效消除低次谐波，提高输出波形质量，降低电网谐波污染，可用于舰船综合电力系统、电动汽车等微电网中。

3、气隙磁场是lpst能量转换的媒介，其计算结果的准确性直接影响着变压器阻抗、效率、损耗以及振动噪声等电磁特性的计算。然而，变压器铁心开断将导致三相阻抗不对称，并且在开断处产生端面磁通，引起气隙磁场畸变。同时，变压器一、二次侧开有较多的槽，齿槽效应导致气隙磁场谐波成分增加，使得准确的气隙磁通密度的计算变得复杂。由于舰船特殊工作场合要求变压器重量体积尽可能小，气隙磁通密度选取相对较高，铁磁材料的饱和对变压器气隙磁场的影响不能忽略。

4、目前现有的lpst气隙磁场模型仍存在以下不足：一、无法同时考虑铁磁材料饱和、齿槽效应和铁心开断等多因素的影响；二、模型较为复杂，计算过程繁琐，计算量较大。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决背景技术存在的技术问题，为此，提供了一种lpst气隙磁场建模方法及其电感参数获取方法。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种lpst气隙磁场建模方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：分析lpst一、二次侧与气隙之间的关系，搭建考虑铁磁材料饱和的气隙磁场解析模型；

5、步骤s101：将lpst沿长度方向的气隙区域、一次侧齿部区域、一次侧轭部区域、二次侧齿部区域、二次侧轭部区域进行等间隔分块，在lpst长度范围内，沿气隙中心线等间隔分为n块，共有n+1个节点；

6、获取回路总的磁压降，第m、第m+1个节点处气隙法向磁压降，一次侧铁心第m个节点处轭部纵向磁压降，一次侧铁心第m、第m+1个节点处虚拟齿部法向磁压降，二次侧铁心第m个节点处轭部纵向磁压降，二次侧铁心第m、第m+1个节点处虚拟齿部法向磁压降；

7、步骤s102：对非线性的铁磁材料的b-h曲线进行拟合，修正当铁磁饱和时的齿部实际法向磁密；

8、步骤s103：依据磁通连续性定理，第m节点处的轭部横向磁密等于从第1个节点到第m节点处的气隙纵向总磁密相等，获取轭部磁密；

9、步骤s104：结合lpst绕组分布特点，简化气隙各节点磁动势，并获取第m节点处的气隙磁密；

10、步骤s105：基于简化的气隙各节点磁动势，进行判断迭代，直至满足判断条件，若满足条件，则输出气隙磁密，若不满足条件，则修正气隙磁密；

11、步骤s2：分析lpst齿槽与气隙之间的关系，搭建考虑齿槽效应的气隙磁场修正模型；

12、步骤s201：确定考虑齿槽效应影响下的气隙相对磁导率；

13、步骤s3：分析lpst边端与气隙之间的关系，搭建考虑铁心开断的气隙磁场修正模型；

14、步骤s301：简化边端模型，通过许克变换将磁场分布规则化；

15、步骤s302：计及铁心开断的端部磁密；

16、步骤s303：利用磁通连续性定理，引入铁心开断磁密变化值来表示损失的磁密量；

17、步骤s4：最终的气隙磁场为考虑铁磁材料饱和情况下的无槽气隙磁场与齿槽及铁心开断因素影响下的气隙相对磁导函数的乘积。

18、以下为本发明中建模方法进一步限定的技术方案，lpst的一、二次侧关于气隙中心线对称。

19、以下为本发明中建模方法进一步限定的技术方案，回路总的磁压降为：

20、f∑(m)＝fδ_n(m+1)+ft1_n(m+1)-fδ_n(m)-fj1_l(m)-ft1_n(m)

21、式中，fδ_n(m)、fδ_n(m+1)分别为第m、第m+1个节点处气隙法向磁压降，fj1_l(m)为一次侧铁心第m个节点处轭部纵向磁压降，ft1_n(m)、ft1_n(m+1)为一次侧铁心第m、第m+1个节点处虚拟齿部法向磁压降，坐标轴正方向即为各段磁压降正方向；由安培环路定理可知：

22、

23、式中，hδ_n为气隙沿法向的磁场强度；bt1_n、ht1_n为一次侧铁心虚拟齿部沿法向磁通密度和磁通密度；bj1_l、hj1_l为一次侧铁心轭部沿纵向磁通密度和磁通密度；δ为气隙长度；ht1为一次侧铁心虚拟齿高；μ0为空气磁导率；μj1为一次侧铁心轭部各节点磁导率。

24、以下为本发明中建模方法进一步限定的技术方案，齿部实际法向磁密为：

25、bt_n(m)＝bt_n′(m)-μ0ht_n(m)kδ

26、式中，b′t_n(m)为第m节点处的齿部视在法向磁密，表示磁通全部进入齿部时的磁密；bt_n(m)为第m节点处的齿部实际法向磁密；ht_n(m)为第m节点处的齿部实际法向磁场强度；kδ为槽系数，kδ＝(h·bs)/(kfe·l·bt)。

27、以下为本发明中建模方法进一步限定的技术方案，轭部磁密为：

28、

29、以下为本发明中建模方法进一步限定的技术方案，简化气隙各节点磁动势为：

30、

31、式中，

32、

33、第m节点处的气隙磁密为：

34、

35、式中，kb是根据一次侧铁心的饱和程度预设的饱和系数。

36、以下为本发明中建模方法进一步限定的技术方案，判断条件为：

37、

38、若不满足判断条件，则修正气隙磁密：

39、

40、式中，ks为迭代系数。

41、以下为本发明中建模方法进一步限定的技术方案，气隙相对磁导率为：

42、

43、式中，t1为齿距，t为延拓周期，则：

44、

45、非线性函数β(y)为：

46、

47、式中，v的表达式通过软件拟合获取。

48、以下为本发明中建模方法进一步限定的技术方案，计及铁心开断的端部磁密为：

49、

50、利用磁通连续性定理，引入铁心开断磁密变化值q来表示损失的磁密量：

51、

52、最终的气隙磁场为考虑铁磁材料饱和情况下的无槽气隙磁场与齿槽及铁心开断因素影响下的气隙相对磁导函数的乘积：

53、b_x(x)＝(1-q)bδ_sl_n(x)·λyb_c_n·λfb_c_n

54、式中，bδ0_sl_n(x)是考虑铁磁材料饱和的气隙磁密表达式；λyb_c_n、λfb_c_n分别为一次侧、二次侧开槽时的气隙相对磁导函数。

55、一种电感参数获取方法，通过上述的lpst气隙磁场建模方法搭建的模型获取电感参数，包括：

56、在lpst有效区域内，气隙磁场的储能为：

57、

58、对lpst各绕组自感互感参数进行求解，包括：

59、

60、

61、求解第i个绕组的自感时，对第i个绕组做微小电流摄动δii，其他绕组电流保持不变，分别得到进行电流摄动后的磁场能量w(ii+δii)和w(ii-δii)，求解自感求解第i个绕组和第j个绕组的互感时，分别对第i、j个绕组做微小电流摄动δii、δij，得到电流摄动后的磁场能量w(ii+δii,ij+δij)、w(ii-δii,ij+δij)、w(ii-δii,ij+δij)和w(ii-δii,ij-δij)，求解自感

62、相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

63、本发明搭建的lpst气隙磁场模型能同时考虑铁磁材料饱和、齿槽效应、铁心开断的影响，基于本发明的lpst气隙磁场模型，各个电感参数的计算精度高，计算维度小，计算时间短。

64、下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。