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用于設(shè)計SMC(軟磁組體)的變壓器磁滯模型的直接辨識方法

類型：	【軟件】	上傳：	2012-12-6 15:17:49	大小：	111KB
說明：	1 引言　　為開展最優(yōu)化設(shè)計，對于在變壓器中局部分布磁損和銅損的知識是必不可少的。鐵心材料的磁特性B(H)必須能被精確的辯識出來。軟磁組體(SMC)與傳統(tǒng)的疊片材料(200-500)相比，其相對磁導(dǎo)率較低。因此，在生產(chǎn)和裝配過程中如引起額外的空氣間隙，對用這些材料制作的變壓器性能將有很大影響。SMC材料中的磁損可由一種磁場計算工具來確定，其中包括一個靜態(tài)磁滯模型，因為渦流損失是不可忽略的。SMC的磁特性是均勻的，同時在單相變壓器中沒有旋轉(zhuǎn)磁場，故在此無須使用矢量模型。所研究的變壓器結(jié)構(gòu)是圓柱對稱型，很適合于二維磁場計算。其鐵芯由兩塊相同的SMC片組成，如圖1所示。　　作者給出了一種磁滯參數(shù)的直接辯識方法，這是由變壓器本身和一種磁場計算工具來完成的，這種工具包括了基于Jile-Atheron(J-A)磁滯模型的一個非線性最優(yōu)化程序。在仿真和實驗中可觀察到電壓和電流信號的波形誤差被降至最低。　　該方法為實現(xiàn)SMC的最優(yōu)設(shè)計而被集成于一個功能齊全的CAD軟件中。為考慮技術(shù)裝配中的約束條件，該辯識方法適用于迭代重復(fù)設(shè)計的全過程。　　SMC磁滯模型的參數(shù)辯識首先是用環(huán)形樣件實現(xiàn)的。假設(shè)其磁場分布是絕對均勻的，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)是合適的。這種間接辯識方法是用一個已測量的B(H)DC環(huán)的非線性最優(yōu)化方法。這些參數(shù)將被匯集于一種功能齊全的SMC變壓器CAD軟件當中。已經(jīng)注意到樣機性能的預(yù)測和實驗所得結(jié)果有一些重要差異，比如，預(yù)測和實驗中的空載電流有效值有14%的相對誤差。這在SMC變壓器設(shè)計中是不能接受的，因為它將導(dǎo)致相應(yīng)銅損的相對誤差達到28%。這個問題可由與生產(chǎn)和裝配過程相關(guān)的技術(shù)限制來解釋：如壓力的分布不均勻而導(dǎo)致裝配和鋼粉的密度分布不均勻，從而出現(xiàn)額外的空氣隙。所以，傳統(tǒng)的間接辯識過程不適用于SMC，它必須考慮生產(chǎn)技術(shù)的限制條件，在迭代重復(fù)的設(shè)計過程中，通過一種直接辯識方法來完成。　　圖2也給出了用B(H)飽和曲線仿真的結(jié)果，它與不考慮磁滯現(xiàn)象的相同材料的曲線相對應(yīng)。人們可以看到SMC材料的磁滯模型對磁化電流的影響非常小。　　3直接辯識方法　　用直接法對J-A磁滯模型的參數(shù)辯識，借助在穩(wěn)態(tài)運行條件下對SMC變壓器許多空載條件的測試，可在穩(wěn)態(tài)工作的幾個周期內(nèi)獲得主線圈中的初級電壓、次級電壓和空載電流。變壓器鐵心的磁損實驗值可用一種高精度的功率表，以直接和間接的方法分別測得。　　所提出的辯識方法如圖3說明，由公式化表示為最優(yōu)化問題。基于與一個二維磁場計算工具相關(guān)的拉格朗日投影法的非線性帶約束條件的最優(yōu)化程序NPSOL，它通過J-A磁滯模型進行按步求解和電氣解耦。　　對于每一組磁滯參數(shù)而言，作為最優(yōu)化問題的狀態(tài)變量，對空載工作的變壓器仿真是通過實驗測試提供的，以同樣的初級電壓信號來實現(xiàn)的。對穩(wěn)態(tài)初級電流的仿真波形與實驗所得的波形相比較，仿真一直執(zhí)行到獲得穩(wěn)定工作狀態(tài)為止。　　最優(yōu)化問題的目標函數(shù)是通過計算這兩個波形之間誤差的平方之和得到的。磁滯損耗的一個約束條件也被加到最優(yōu)化問題中去：對仿真過程中的磁能進行求導(dǎo)，可求得鐵芯的磁滯損耗必須小于實驗中的測量值。用三個相位不同的輸入正弦電壓來進行測試，求出其在空載情況下的誤差和，這個最優(yōu)化問題的本質(zhì)就是求取這個總和的最小值。磁場計算是通過一個低密度的網(wǎng)格來實現(xiàn)，最優(yōu)化參數(shù)的計算大約要執(zhí)行24小時。　　圖4給出了最優(yōu)化磁滯參數(shù)下實驗值和仿真值的比較分析。人們發(fā)現(xiàn)在實驗和仿真之間最重要的磁滯損耗的變化是與實驗中初級電壓的最低幅度相對應(yīng)的。與J-A磁滯模型的最優(yōu)參數(shù)相對應(yīng)的B(H)磁環(huán)見圖5，同時還有一個環(huán)狀模型辯識的結(jié)果。我們可以發(fā)現(xiàn)額外的空氣隙對結(jié)果的影響。　　4直接辯識方法的有效性　　磁滯模型和其參數(shù)辯識方法的有效性可通過向變壓器輸入失真的電壓信號來實現(xiàn)。該信號的第五次諧波的幅度是可以產(chǎn)生一個帶有局部小環(huán)的磁滯環(huán)。此時磁滯損失將會增加。仿真同樣由低密度網(wǎng)格來實現(xiàn)(200網(wǎng)格)。　　仿真和實驗結(jié)果的高度一致性可以由圖7得到證實。　　由磁場計算工具連同磁滯模型推導(dǎo)，可得到任意一個特定網(wǎng)格中的B(H)環(huán)的形狀。比如，圖9給出了一個磁滯環(huán)，其中包括網(wǎng)格位于傳導(dǎo)率較高區(qū)域?qū)?yīng)的小環(huán)。同樣也可以分析單位鐵芯體積的磁滯損耗密度的分布。可通過對一個周期的穩(wěn)態(tài)工作的計算得到磁場分布，見圖10所示。　　6結(jié)論　　采用磁場計算J-A磁滯模型的直接辯識方法，為圓柱對稱的SMC變壓器的最優(yōu)化設(shè)計提供了一種有效的工具。可由設(shè)計結(jié)構(gòu)直接辯識得到SMC材料的磁特性，并且可以考慮到鐵心壓印和裝配過程中與這些特性相關(guān)的偏差。這種方法集成于功能齊全的CAD軟件中，可以對磁滯模型(具有特定幾何尺寸并考慮了器件生產(chǎn)的限制條件)的精度反復(fù)改進。而用環(huán)形樣件的間接辯識方法可在迭代最優(yōu)設(shè)計過程中對模型進行初始估算。www.whtlhgdq.com

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