一種含楔形槽的正交鐵芯式可控電抗器及其在直流偏磁下等效磁路長(zhǎng)度的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于可控電抗器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含楔形槽的正交鐵芯式可控電抗器及其在直流偏磁下等效磁路長(zhǎng)度的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，正交鐵芯式可控電抗器作為一種新型的電抗值連續(xù)可調(diào)電抗器，設(shè)計(jì)抑制其諧波含量的新型結(jié)構(gòu)是可調(diào)電抗器發(fā)展的必然要求。由于特殊的正交結(jié)構(gòu)，與其他電抗器相比，正交鐵芯式可控電抗器磁通耦合更加復(fù)雜，等效磁路長(zhǎng)度計(jì)算十分困難。因此，如何設(shè)計(jì)出獨(dú)特結(jié)構(gòu)的諧波含量小的可控電抗器，并且運(yùn)用工程電磁場(chǎng)分析方法找到合理的確定交流等效磁路的計(jì)算方法成為快捷設(shè)計(jì)新型高性能可控電抗器的關(guān)鍵。
[0003]一般的鐵芯電抗器多采用變壓器型的鐵芯結(jié)構(gòu)，在工程上一般將這種電抗器的幾何中心線作為等效磁路的中心線，因此，就容易計(jì)算此類電抗器等效磁路長(zhǎng)度。但是對(duì)于正交鐵芯式可控電抗器的特殊結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)部材料磁化的不均一性，難以采用傳統(tǒng)方法來計(jì)算等效的磁路長(zhǎng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述技術(shù)需求，本發(fā)明提供了一種含楔形槽的正交鐵芯式可控電抗器及其在直流偏磁下等效磁路長(zhǎng)度的計(jì)算方法，能夠減少其輸出電流的諧波含量，通過合理的算法等效處理，計(jì)算出正交鐵芯式可控電抗器的等效磁路長(zhǎng)度。
[0005]一種含楔形槽的正交鐵芯式可控電抗器，包括U型結(jié)構(gòu)的控制鐵芯和工作鐵芯，所述控制鐵芯及工作鐵芯的U型側(cè)寬度與鐵臂側(cè)寬度相同，控制鐵芯端部與工作鐵芯端部采用正交形式接合；所述的控制鐵芯端部的U型側(cè)邊沿帶有楔形缺口。
[0006]上述正交鐵芯式可控電抗器在直流偏磁下等效磁路長(zhǎng)度的計(jì)算方法，包括如下步驟:
[0007](I)針對(duì)所述正交鐵芯式可控電抗器的結(jié)構(gòu)，建立對(duì)應(yīng)的三維仿真模型；根據(jù)三維仿真模型尺寸直接計(jì)算出工作鐵芯交流等效磁路的長(zhǎng)度L2 ;
[0008](2)將所述的三維仿真模型劃分成多個(gè)有限元后，對(duì)該三維仿真模型進(jìn)行仿真分析，得到各有限元節(jié)點(diǎn)的磁位，進(jìn)而確定出有限元內(nèi)任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；
[0009](3)使控制鐵芯的鐵臂側(cè)與水平方向平行，截取控制鐵芯上鐵臂中心線所在的水平面α，導(dǎo)出該水平面α的磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)；
[0010](4)將水平面α上位于控制鐵芯部分的截面放入直角坐標(biāo)系中，使該截面控制鐵芯端部的邊沿線作為坐標(biāo)系的X軸，該截面中心線對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中X = O所在直線；
[0011](5)根據(jù)截面上的磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，在X = O所在直線上均勻取若干個(gè)點(diǎn)，計(jì)算這些點(diǎn)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度值；進(jìn)而在該直線上尋找磁感應(yīng)強(qiáng)度大小與該平均磁感應(yīng)強(qiáng)度最接近的點(diǎn)，記錄該點(diǎn)的坐標(biāo)值并將該點(diǎn)作為控制鐵芯交流等效磁路經(jīng)過的等效坐標(biāo)點(diǎn)；
[0012](6)以一定長(zhǎng)度間隔為步長(zhǎng)對(duì)X = O所在直線向左右兩側(cè)逐步平移，以工作鐵芯交流等效磁路所在位置為邊界，根據(jù)步驟(5)確定這些平移后直線上對(duì)應(yīng)的等效坐標(biāo)點(diǎn)；
[0013](7)對(duì)步驟(6)中確定出的一系列等效坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到控制鐵芯的交流等效磁路并計(jì)算出該交流等效磁路的長(zhǎng)度LI，使LI與L2相加即得到所述正交鐵芯式可控電抗器交流等效磁路的總長(zhǎng)度。
[0014]所述的步驟⑴中，針對(duì)正交鐵芯式可控電抗器的結(jié)構(gòu)，在ANSOFT(有限元仿真分析軟件)環(huán)境中建立對(duì)應(yīng)的三維仿真模型。
[0015]所述的步驟(I)中，當(dāng)建立三維仿真模型后，設(shè)置仿真初始條件即設(shè)定可控電抗器的交流電壓和直流電流。
[0016]所述的有限元為四面體結(jié)構(gòu)。
[0017]所述的步驟(7)中，確定出的一系列等效坐標(biāo)點(diǎn)后利用Matlab進(jìn)行線性擬合，以得到對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線及其函數(shù)表達(dá)式；該函數(shù)曲線即為控制鐵芯的交流等效磁路，進(jìn)而通過積分運(yùn)算以求得該交流等效磁路的長(zhǎng)度LI。
[0018]當(dāng)工作繞組兩端的交流工作電壓維持一定的幅值時(shí)，改變控制繞組兩端的直流控制電流能改變正交鐵芯式可控電抗器中鐵芯的磁飽和程度，由于磁化曲線的非線性特性，正交鐵芯式可控電抗器的電抗值也能得到相應(yīng)調(diào)節(jié)。本發(fā)明在控制鐵芯上開楔形槽能有效減少其輸出諧波含量，克服了傳統(tǒng)電抗器諧波含量高的缺陷，改善了電抗器的工作性能。同時(shí)，本發(fā)明交流等效磁路長(zhǎng)度的計(jì)算采用電磁場(chǎng)專用仿真軟件(ANSOFT)，導(dǎo)出正交鐵芯式可控電抗器中特定截面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，通過合理的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而計(jì)算出等效磁路長(zhǎng)度的大小，從而獲得在不同直流偏磁下的正交鐵芯式可控電抗器的磁化曲線。該方法減小了傳統(tǒng)方法由于內(nèi)部鐵芯磁化情況不明而給等效磁路長(zhǎng)度計(jì)算帶來的誤差，使電抗器的交流磁化曲線更具科學(xué)性，為研宄正交鐵芯式可控電抗器的鐵耗及其它特性提供了保障，也為正交鐵芯式可控電抗器的工程設(shè)計(jì)提供了便利。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明正交鐵芯式可控電抗器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明正交鐵芯式可控電抗器的交流等效磁路示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明等效磁路長(zhǎng)度計(jì)算方法的流程示意圖。
[0022]圖4為控制鐵芯上等效磁路的擬合曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明正交鐵芯式可控電抗器包括控制鐵芯1、工作鐵芯2、工作繞組3、控制繞組4、直流控制電源5、交流工作電源6 ;工作繞組3纏繞于工作鐵芯2上，工作繞組3兩端接交流工作電源6 ;控制繞組4纏繞于控制鐵芯I上，控制繞組4兩端接直流控制電源5 ;
[0025]控制鐵芯I及工作鐵芯2的U型側(cè)寬度與鐵臂側(cè)寬度相同，控制鐵芯I端部與工作鐵芯2端部采用正交形式接合；控制鐵芯I端部的U型側(cè)邊沿帶有楔形缺口。
[0026]如圖3所示，本實(shí)施方式正交鐵芯式可控電抗器等效磁路長(zhǎng)度計(jì)算方法，具體步驟如下:
[0027](I)按照?qǐng)D1正交鐵芯式可控電抗器結(jié)構(gòu)示意圖所示，在有限元仿真軟件ANSOFT環(huán)境中建立三維仿真模型(如針對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)，參數(shù)為:直流控制繞組245匝，交流工作繞組240匝，線徑0.7mm，鐵芯采用0.35mm厚取向硅鋼片疊壓而成，鐵芯參數(shù)a = 16mm, k =35mm, d = 50mm);所謂有限元法，就是將整個(gè)區(qū)域分割成許多很小的子區(qū)域，這些子區(qū)域通常稱為有限元，將求解邊值問題的原理應(yīng)用于這些子區(qū)域中，求解每