一种浪涌抑制缓冲器的等效电路模型

1.本发明属于浪涌抑制技术领域，更具体地，涉及一种浪涌抑制缓冲器的等效电路模型。


背景技术：

2.缓冲器是一种安装在高压电源和辅助加热负载之间的浪涌抑制保护装置。当发生打火时，缓冲器可以限制短路电流并消耗故障能量，从而对高压电源和辅助加热负载进行保护。对缓冲器在浪涌抑制过程中的表现进行分析预测是合理设计缓冲器的前提，尽管数值方法，如有限差分法和有限元法是分析这类涡流问题的常用方法，但数值计算的复杂性和时间成本过大，因此更希望建立简单而有效的电路模型对铁芯特性进行分析。
3.由于铁芯电感和铁损的非线性，给缓冲器等效电路模型的建立带来困难。磁通匹配模型简单地将铁芯的磁化电感和铁损电阻作线性处理，与其实际性能不能很好地吻合。基于饱和波理论，由fink、baker和owren提出的缓冲器简化等效电路分析方法(简称为fbo方法)，忽略了缓冲器的磁化电感，将缓冲器等效为一时变电阻，并推导出了与合金带材的特性参数和铁芯的结构尺寸相关的等效电阻表达式，该表达式能够指导缓冲器的设计，但被视为纯阻性的等效电路模型并不能准确近似缓冲器的实际特性。在fbo模型的基础上，east等人将涡流比从2.5修正为1，并为电路模型增加了等效并联磁化电感，然而推导出的电感表达式默认电感值随时间单调减小，这与实际情况存在出入。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种浪涌抑制缓冲器的等效电路模型，基于饱和波理论，建立了新的等效磁化电感表达式，旨在解决浪涌抑制领域缓冲器等效电路模型与实际性能存在差异的技术问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种浪涌抑制缓冲器的等效电路模型，包括相互并联的磁化电感ls和涡流电阻rs；
6.ls与缓冲器的级联铁芯个数nc满足以下关系式：
[0007][0008]
其中，n
l
为缓冲器铁芯的软磁合金带材卷绕层数，w、d分别为软磁合金带材的宽度和厚度，r1、分别为铁芯的内半径和外半径，μ为真空磁导率和软磁合金带材的相对磁导率的乘积，a1为第1匝绕带的饱和厚度，ln为第n匝绕带的磁化电感。
[0009]
优选地，所述缓冲器铁芯的材料为铁基纳米晶软磁合金。
[0010]
优选地，rs与nc满足以下关系式：
[0011][0012]
其中，rn为第n匝绕带的涡流电阻，ρ为合金带材的电阻率。
[0013]
按照本发明的第二方面，提供了一种应用于如第一方面所述的浪涌抑制缓冲器的等效电路模型的测试电路，包括：供电模块、击穿模拟模块及分布电容c；
[0014]
所述供电模块包括依次串联的第一直流电压源e、电阻r1及直流开关k；
[0015]
所述击穿模拟模块包括三电极火花球间隙，用于模拟束流击穿；
[0016]
所述供电模块、缓冲器的等效电路模型及分布电容依次连接构成回路，所述三电极火花球间隙的一端与所述供电模块、缓冲器的等效电路模型的连接点连接，另一端与所述供电模块、分布电容的连接点连接；
[0017]
优选地，还包括偏置电源模块，用于对缓冲器施加反向偏置电流。
[0018]
所述偏置电源模块包括依次串联的电感l、电阻r2和直流电流源i。
[0019]
按照本发明的第三方面，提供了一种应用于如第二方面所述的浪涌抑制缓冲器的等效电路模型测试电路的测试方法，其特征在于，包括：
[0020]
导通所述直流开关k，当所述分布电容c充电至初始放电电压时，导通三电极火花球开关sgs并断开所述直流开关k，使所述分布电容c通过缓冲器电路放电，测试所述分布电容c放电时的电压电流波形以验证浪涌抑制效果。
[0021]
按照本发明的第四方面，提供了一种测试系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0022]
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0023]
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第三方面所述的测试方法。
[0024]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0025]
(1)本发明提供的浪涌抑制缓冲器的等效电路模型，由磁化电感和涡流电阻并联组成，并建立了新的等效磁化电感表达式，解决了缓冲器等效电路模型与实际性能存在差异的技术问题，可以通过电路模型来对缓冲器在浪涌抑制过程中的表现进行分析预测，增加了电源系统的可靠性；并可以根据等效电路模型参数表达式对铁芯结构尺寸和带材特性参数进行合理选取，在达到需求的浪涌抑制效果的同时最小化体积、降低成本。
[0026]
(2)本发明提供的浪涌抑制缓冲器的等效电路模型的测试电路，可通过测试电容放电时的电压电流波形来验证浪涌抑制效果及缓冲器电路模型的准确性。
附图说明
[0027]
图1为本发明实施例提供的含缓冲器等效电路模型的浪涌抑制电路示意图；
[0028]
图2为本发明实施例提供的铁芯缓冲器结构示意图之一；
[0029]
图3为本发明实施例提供的铁芯缓冲器结构示意图之二；
[0030]
图4为本发明实施例提供的第n匝软磁合金绕带的等效电路示意图；
[0031]
图5为根据本发明的提供的电弧电流和电容电压的仿真和实测波形示意图。
具体实施方式
[0032]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0033]
本发明实施例提供一种浪涌抑制缓冲器的等效电路模型，如图1所示，包括相互并联的磁化电感ls和涡流电阻rs；
[0034]
具体地，缓冲器等效电路模型部分包括磁化电感ls和涡流电阻rs，其中电感ls和电阻rs并联。电感ls的一端和电阻rs一端相连。电感ls的另一端和电阻rs的另一端相连。
[0035]
更进一步地，本发明实施例中缓冲器为铁基纳米晶缓冲器。理想的卷绕铁芯带材应具有高饱和磁通密度、高电阻率和高相对磁导率，从而以更小的铁芯体积来更好地抑制瞬态电弧电流峰值及消耗分布电容储能。铁基纳米晶(finemet)是一种制造缓冲铁心的理想软磁合金。
[0036]
如图2-3所示，铁芯缓冲器是通过将数个环形铁芯套在从加速器电源向加速器极板输送直流高压的传输线内导体上来实现的。其中，nc为级联铁芯个数，这些铁芯由n
l
层软磁合金带材卷绕而成，铁芯叠片系数为s；软磁合金带材的宽度为w，厚度为d；r1、r
nl
分别为铁芯的内半径和外半径。
[0037]
更进一步地，发生击穿时，通过传输线形成回路的电弧电流就是铁芯的励磁电流，它可以分解为两个分量：使铁心磁化而产生主磁通的磁化分量(无功分量)，和平衡涡流损耗的涡流分量(有功分量)。由于铁芯的磁导率远大于空气，故主磁通远大于漏磁通，分析时漏磁通可忽略不计。于是，铁芯缓冲器可以用磁化电感ls和涡流电阻rs的并联电路来等效。
[0038]
更进一步地，以没有完全饱和的任意第n匝软磁合金绕带为研究对象，其等效电路如图4所示。
[0039]
具体地，发生击穿时，传输线上流过的电弧电流ia有两个分量：一是磁化电流分量i
0n
，用于建立各匝绕带中的主磁通；二是涡流分量i
en
，用于抵消绕带中涡流产生的磁动势，因此
[0040]
ia＝i
0n
i
en
ꢀꢀ
(1)
[0041]
其中，i
0n
和i
en
分别表示第n匝的磁化电流和涡流，单位：安培；
[0042]
具体地，磁通变化在外层饱和区产生感应电压为
[0043][0044]
其中an表示第n匝绕带的饱和厚度，单位：米；δb表示磁通密度从初始值到饱和值bs的变化幅度，当铁芯通以反向偏置电流时，基于波饱和理论，δb＝2bs，单位：特斯拉；
[0045]
具体地，随之产生的涡流会在外饱和层形成闭合回路，该回路电阻也就是涡流电阻可近似为
[0046][0047]
其中，rn是第n匝绕带围绕铁芯中心轴线的卷绕半径，单位：米；ρ是合金带材的电阻率，单位：欧姆*米。
[0048]
更进一步地，由式(2)和式(3)可以得到第n匝软磁合金绕带中涡流的表达式：
[0049][0050]
更进一步地，在由fink、baker和owren提出的缓冲器简化等效电路分析方法(下文中简称为fbo方法)中，将磁化电感ln作具有无限大磁导率来处理，即忽略并联等效电路中的磁化电感，只考虑涡流电阻rn。在这种简化假设下，i
0n
＝0，每层绕带中的涡流i
en
均相等。因此，由式(4)可以得到，第n匝绕带与第1匝(最内层)绕带的饱和厚度的关系为
[0051]an
＝a1(r1/rn)
1/2
ꢀꢀ
(5)
[0052]
更进一步地，在忽略并联磁化电感的情况下，fbo方法推出的缓冲器等效电压降为
[0053][0054]
更进一步地，铁芯缓冲器的等效涡流电阻rs可表示为
[0055][0056]
更进一步地，将磁导率视为无穷大的情况下，电弧电流产生的磁动势只与维持涡流的磁动势相平衡，这意味着缓冲器在任何时候都没有储能。显然，这与铁芯的物理特性不符，只考虑涡流电阻的等效电路模型也不够精确。为了进一步推导出包含磁化电感ls的等效电路模型，重新做了简化处理：近似认为各匝绕带的磁化电流i
0n
都相等，同时涡流i
en
也都相等。这种简化分析基于两个前提：(1)软磁合金带具有非常高的磁导率，磁化电感非常大，于是各匝绕带的磁化电流相差不大；(2)环形铁芯具有较小的外、内半径比，建议小于2.5，于是各匝绕带的与卷绕半径相关的电参数相差不大。在这样的简化处理下，fbo方法推导出的式(5)-式(7)仍然有效。
[0057]
更进一步地，第n匝软磁合金绕带的磁化电感可近似为
[0058][0059]
其中，μr是软磁合金带材的相对磁导率，单位：亨利/米；μ0是真空磁导率，单位：亨利/米；dn表示有效磁化区厚度，有效磁化区是指绕带内在磁化电流建立的磁动势作用下能发生磁通翻转的区域，单位；米；dn是确定磁化电感ln的重要参数；如果认为外层饱和区将一直向绕带内部扩展直至短路脉冲结束或者该匝绕带完全饱和，则有效磁化区厚度dn等于内层剩磁区的厚度。然而，在“磁域模型”的观点中，外层饱和区域会被阻止进一步扩展甚至
会发生收缩。因此本发明实施例中将有效磁化区厚度dn表示为
[0060][0061]
其中，d表示带材的厚度，单位：米；a表示外层饱和区具有均匀的厚度(饱和厚度)，单位：米；
[0062]
更进一步地，铁芯缓冲器的等效磁化电感ls为
[0063][0064]
本发明实施例提供的一种应用于如上述实施例所述的浪涌抑制缓冲器的等效电路模型的测试电路，包括：供电模块、击穿模拟模块及分布电容c；
[0065]
所述供电模块包括依次串联的第一直流电压源e、电阻r1及直流开关k；
[0066]
所述击穿模拟模块包括三电极火花球间隙，用于模拟束流击穿；
[0067]
所述供电模块、缓冲器的等效电路模型及分布电容依次连接构成回路，所述三电极火花球间隙的一端与所述供电模块、缓冲器的等效电路模型的连接点连接，另一端与所述供电模块、分布电容的连接点连接。
[0068]
优选地，还包括偏置电源模块，用于对缓冲器施加反向偏置电流；
[0069]
所述偏置电源模块包括依次串联的电感l、电阻r2和直流电流源i。
[0070]
具体地，供电模块包括直流电压源e、串联电阻r1及直流开关k，用于给电路供电；偏置电源模块包括直流电流源i、串联电阻r2和电感l，用于对缓冲器施加反向偏置电流；击穿模拟模块包括三电极火花球间隙，用于模拟束流击穿；分布电容模块包括传输线的分布电容c。
[0071]
如图1所示，其中，直流电压源的正极与电阻r1的一端相连，电阻r1的另一端与直流开关的一端相连，直流开关的另一端与电感ls的一端，电阻rs一端和偏置电源部分的电感一端相连；电感ls的另一端，电阻rs的另一端与偏置电源部分的直流电流源负极相连；偏置电源部分的电阻r2一端与偏置电源部分的电感另一端相连，另一端与偏置电源部分的直流电流源正极相连；电感ls的另一端，电阻rs的另一端与偏置电源部分的直流电流源负极和电容c的正极相连；三电极火花球间隙sgs一端和直流开关的另一端(电感ls的一端，电阻rs一端和偏置电源部分的电感l一端)相连,另一端和电容的负极、直流电压源e的负极相连。其中，通过与分布电容并联的电压测量探头测量电容电压。
[0072]
本发明实施例提供一种应用于如上述实施例所述的浪涌抑制缓冲器的等效电路模型测试电路的测试方法，包括：
[0073]
导通所述直流开关k，当所述分布电容c充电至初始放电电压时，导通三电极火花
球开关sgs并断开所述直流开关k，使所述分布电容c通过缓冲器电路放电，测试所述分布电容c放电时的电压电流波形以验证浪涌抑制效果。
[0074]
具体地，首先直流开关导通，使用10kv可调直流高压电源e经2mω电阻对高频高压电容器c充电；电容c将被充电至初始放电电压u0，电路通过三电极火花隙开关(sparkgap switch，sgs)来模拟加速器中的束流击穿，一旦sgs被触发导通，直流开关断开，电容c将通过缓冲器电路放电。通过测试电容放电时的电压电流波形来验证浪涌抑制效果及缓冲器电路模型的准确性。
[0075]
其中，偏置电源模块用于在直流开关导通前向缓冲器施加反向偏置电流，以增大铁芯的磁滞回线，防止饱和；同时，偏置电源使铁芯刚开始处于负饱和位置，非故障时的电感很小，不会干扰电路正常运行。
[0076]
对本发明实施例提供的方法进行仿真，得到的电弧电流和电容电压的仿真和实测波形示意图如图5所示，从图中可以看出，实测波形与仿真波形之间具有较高的一致性。实验与仿真结果充分验证了本发明提出的浪涌抑制缓冲器的等效电路模型的有效性。
[0077]
本发明建立了新的等效磁化电感表达式，改进了铁芯缓冲器的等效电路模型，解决了目前缓冲器模型存在的问题，使得应用范围更加广泛。通过仿真与样机测试验证了缓冲器等效并联电路模型的准确性，进一步拓展了电路和模型建立方法的使用场景。解决了浪涌抑制领域缓冲器等效电路模型与实际性能存在差异的问题，可以通过电路模型来对缓冲器在浪涌抑制过程中的表现进行分析预测，增加了电源系统的可靠性。并可以根据等效电路模型参数表达式对铁芯结构尺寸和带材特性参数进行合理选取，在达到需求的浪涌抑制效果的同时最小化体积、降低成本。
[0078]
本发明实施例提供一种测试系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0079]
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0080]
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述实施例所述的测试方法。
[0081]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。