[发明专利]一种硅钢片铁芯宽频电路模型的建模方法

说明书

本发明涉及电力电子和电力系统的元件仿真建模领域，具体涉及一种硅钢片铁芯宽频电路模型的建模方法。本方法对每层硅钢片进行合理剖分后，基于等效电路法将铁芯等效为一个梯形电路，此电路可按照一定的规则与外电路相连，从而实现整个系统的分析和计算。本发明根据正常工况下电磁波在铁芯中的透入深度，将铁芯中的每片硅钢片分为3层以确定铁芯电路模型的阶数，计算分层后各层硅钢片的等效涡流电阻R_ek和非线性电感L_dk，定义一个无源二端口传递网络，用于将铁芯外电路侧的物理量换算到单硅钢片等效网络侧，最终建立与外电路连接的多铁芯模型。本发明一种硅钢片铁芯宽频电路模型的建模方法采用等效电路法，考虑铁芯内部磁场分布的不均匀性，建立了铁芯的等效电路模型，从而使复杂的电磁场计算转换为简单的电路计算。

技术领域

本发明涉及电力电子和电力系统的元件仿真建模领域，具体涉及一种硅钢片铁芯宽频电路模型的建模方法。

背景技术

随着现代电力电子技术的快速发展，硅钢片铁芯在电气设备(变压器、电抗器、电感器等)中得到了广泛应用。进行系统分析时，需要对此类电气设备精确建模，铁芯作为其中电磁转换的核心部件，其宽频模型的准确与否尤为重要。然而，由于铁磁材料的非线性引起铁芯饱和，高频下的集肤效应引起铁芯内磁通分布不均等问题，导致硅钢片铁芯宽频建模变得困难、复杂。

目前，研究硅钢片铁芯动态模型的方法主要有传统解析法、有限元法和等效电路法等。传统解析法需要求解麦克斯韦方程组，计算过程繁琐，目前主要应用于理论分析。有限元法将计算空间剖分为有限个单元，使对电磁场微分方程的求解转化为代数方程的求解，必须对铁芯中每片硅钢片进行网格剖分，使得单元格数量巨大，仿真时间过长。

发明内容

鉴于铁芯内每片硅钢片的磁场分布规律基本相同，对每层硅钢片进行合理剖分后，基于等效电路法可将铁芯等效为一个梯形电路，此电路可按照一定的规则与外电路相连，从而实现整个系统的分析和计算。

基于上述原理，本发明提出如下一种硅钢片铁芯宽频电路模型的建模方法，其特征在于：对每层硅钢片进行合理剖分后，由等效电路法确定此电路模型为n阶等效梯形电路，其中n为自然数，由划分每层硅钢片的层数来确定；每阶电路由等效涡流电阻R_e和非线性电感L_d组成，此电路可按照一定的规则与外电路相连，从而实现整个系统的分析和计算，具体过程包括以下步骤:

步骤一：计算正常工况下电磁波在铁芯中的透入深度，由下面的公式计算：

式中，δ为透入深度，σ为铁芯硅钢电导率，ω＝2πf为角频率，μ为铁芯硅钢磁导率；

步骤二：对铁芯中的每片硅钢片分为n层以确定铁芯电路模型的阶数；

步骤三：计算分层后各层硅钢片的等效涡流电阻，记R_e1，R_e2，……R_en分别为各层的等效涡流电阻，可由以下公式计算等效涡流电阻值：

R_ek＝2ρw/(l_cd_k)

式中：k＝1,2,3……n，ρ为硅钢片的电阻率，w为硅钢片截面宽度，lc近似为铁芯平均磁路长度，d_k(k＝1,2,3……n)为硅钢片划分后各层区域的厚度；

步骤四：计算分层后各层硅钢片的非线性电感L_dk；

步骤五：建立与外电路连接的多铁芯模型：设电磁装置具有N_c个铁芯，每个铁芯具有N_L层硅钢片，铁芯绕组匝数为N，令N_m＝N·N_L·N_c，