一种三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构

1.本发明涉及电力电子变换技术领域，特别涉及一种电力电子变换器的滤波装置及磁芯结构设计。


背景技术：

2.随着电力技术的发展，电力电子变换器由于其优越的功率变换特性得到了广泛的发展。然而，由于开关管的调制作用，电力电子变换器的输入或输出端口将会引入大量的高频纹波，进而危害电力系统或相关用电负载。此时，将需要在电力电子变换器的输入或输出端口引入滤波器，以阻尼开关调制所引入的高频纹波。
3.以并网逆变器为例，适用于其交流输出端的常规滤波器主要包括l型滤波器和lcl型滤波器，l型滤波器对开关纹波的阻尼能力较弱，需要较大容量的电感量以满足滤波需求；而lcl型滤波器虽然需要更多的滤波器件，但开关纹波阻尼能力较强，只需要小容量滤波器件即可满足滤波要求，在相同滤波效果的条件下，滤波器体积通常小于l型滤波器。但lcl滤波器的体积还有进一步提升的空间，因此有学者提出了基于耦合电感的磁耦合纹波转移技术以滤除开关纹波，其阻尼能力与lcl滤波器相同，但该技术将两个电感线圈集成在同一个磁芯上，可以进一步减小滤波器体积。目前，磁耦合纹波转移技术仅被应用于单相逆变器中，在三相逆变器应用中也只是简单的采用三个分立的磁耦合纹波转移通道，尚有改进的空间。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是对单相磁耦合纹波转移技术进行改进，提供一种三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构。
5.本发明的技术方案为
6.一种三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构，其特征在于，包括原边磁环、中间磁环以及副边磁环；原边磁环与中间磁环通过三个原边磁柱直接相连，副边磁环与中间磁环也通过三个所述副边磁柱直接相连；原边自感线圈分别以相同的方向绕制在所述原边磁环上，且以原边磁柱为分隔点；副边自感线圈分别以相同的方向绕制在所述副边磁环上，且以所述的副边磁柱为分隔点；原边自感线圈的绕制方向与副边自感线圈的绕制方向相反。
7.在上述的一种三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构，所述原边磁环与中间磁环通过三个原边磁柱直接相连，接口处无气隙，原边磁柱与所述原边磁环的接点在所述原边磁环上均匀分布，即接点中心在所述原边磁环上的相距的圆弧长度相等。
8.在上述的一种三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构，所述副边磁环与所述中间磁环也通过三个所述副边磁柱直接相连，接口处无气隙，连接方式、接点排列分布与原边相同，且所述原边磁柱与所述副边磁柱分别处于同一条直线上；
9.在上述的一种三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构，原边磁柱和副边磁柱均为三个，原边磁柱与所述原边磁环的接点与所述原边磁环的圆心的连线各自呈120
°
的夹
角；三个所述原边自感线圈分别以相同的方向绕制在所述原边磁环上，且以三个所述的原边磁柱为分隔点；三个所述副边自感线圈分别以相同的方向绕制在所述副边磁环上，且以三个所述的副边磁柱为分隔点；
10.在上述的一种三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构，所述原边磁环与所述副边磁环在内环半径、外环半径和厚度方面均相同；
11.在上述的一种三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构，所述中间磁环与所述原边磁环在内环半径和外环半径方面均相同；
12.在上述的一种三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构，三个所述原边磁柱和三个所述副边磁柱在长度和横截面积方面均相同；
13.在上述的一种三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构，所述原、副边磁环和所述原、副边磁柱的横截面积相同。
14.在上述的一种三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构，所述原边磁柱和所述副边磁柱都选择高磁导率的软磁材料，如铁氧体材料制作，
15.当原边磁环、副边磁环和中间磁环采用低磁导率的磁芯材料时，原边磁环、副边磁环和中间磁环均不设置有气隙；
16.在上述的一种三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构，所述原边磁柱和所述副边磁柱都选择高磁导率的软磁材料，如铁氧体材料制作，当原边磁环、副边磁环和中间磁环采用高磁导率的磁芯材料时，原边磁环、副边磁环和中间磁环均需要设置气隙，且各气隙长度均相同，气隙的位置分别位于两两原边磁柱或两两副边磁柱中间，且与磁柱竖立的方向平行，气隙的形式是单个气隙或者将单个气隙分散为多个小的分布式气隙；各部分磁芯尺寸的比例关系满足：
[0017][0018]
其中，l1和l2为所述原边自感线圈的感值和所述副边自感线圈的感值；y为所述原边磁环的厚度与所述中间磁环的厚度的比值。
[0019]
与现有技术相比本发明具有如下优点：
[0020]
本发明所提供的三相集成的磁耦合纹波转移通道在继承单相磁耦合纹波转移通道的开关纹波阻尼能力的同时，将三个单相的磁耦合纹波转移通道集成在同一个磁芯上，有效缩小了滤波器体积。
附图说明
[0021]
图1a：是本发明磁芯结构示意图；
[0022]
图1b：是本发明磁芯结构俯视图；
[0023]
图2a：是本发明采用单个气隙时磁芯结构及气隙位置示意图；
[0024]
图2b：是本发明采用分布式气隙时磁芯结构及气隙位置示意图；
[0025]
图3：是本发明应用于三相逆变器时的电路图；
[0026]
图4：是本发明磁芯结构的等效磁路示意图；
[0027]
图5：是本发明实施例所采用的三相逆变器的调制方式示意图；
[0028]
图6：是本发明实施例的三相逆变器的并网电流仿真结果图；
[0029]
图7：是本发明实施例的三相逆变器的并网电流的谐波频谱图。
具体实施方式
[0030]
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]
其中，图1a和图1b中的1表示原边磁环，2表示副边磁环，3表示中间磁环，4表示原边磁柱，5表示副边磁柱，6表示原边自感线圈，7表示副边自感线圈。
[0032]
本发明所提出的三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构如图1所示，当采用低磁导率材质制作磁环时不需要开气隙，磁芯结构示意图与图1相同，当采用高磁导率软磁材质制作磁环时需要开气隙，磁芯结构与气隙位置如图2所示。本实施例以低磁导率材质制作磁环为例，将本发明应用于三相逆变器时的电路图如图3所示。所述三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯包括一个原边磁环，一个副边磁环，一个中间磁环，三个原边磁柱，三个副边磁柱，三个原边自感l
a1
、l
b1
和l
c1
，三个副边自感l
a2
、l
b2
和l
c2
。所采用的三相逆变器参数为：v
dc
为800v；va、vb和vc为220v有效值50hz的交流电，且各自相位相差120
°
；电容ca、cb和cc为1μf；电容c1和c2为1mf；并网电流峰值为4.3a，功率为2kw。
[0033]
原边磁环与所述中间磁环通过三个所述原边磁柱直接相连，接口处无气隙，三个原边磁柱与原边磁环的接点在所述原边磁环上均匀分布，即三个接点中心在原边磁环上的相距的圆弧长度相等，三个接点与原边磁环的圆心的连线各自呈120
°
的夹角；副边磁环与中间磁环也通过三个副边磁柱直接相连，接口处无气隙，连接方式、接点排列分布与原边相同，且三个原边磁柱与三个所述副边磁柱分别处于同一条直线上；三个原边自感l
a1
、l
b1
和l
c1
分别以相同的方向绕制在所述原边磁环上，且以三个所述的原边磁柱为分隔点；三个副边自感l
a2
、l
b2
和l
c2
分别以相同的方向绕制在所述副边磁环上，且以三个所述的副边磁柱为分隔点；三个所述原边自感线圈的绕制方向与三个副边自感线圈的绕制方向相反；原边自感l
a1
、l
b1
和l
c1
的一端分别与副边自感l
a2
、l
b2
和l
c2
所对应的同名端相连，并分别接入逆变器开关管s1、s3和s5的源极；原边自感l
a1
、l
b1
和l
c1
的另一端分别接入三相交流电压源va、vb和vc的一端；副边自感l
a2
、l
b2
和l
c2
的另一端分别与三相滤波电容ca、cb和cc的一端相连。
[0034]
在本实施例中，原边自感l
a1
、l
b1
和l
c1
选型为80股组合的利兹线，耐流值为3.15a有效值，自感值为1mh；副边自感l
a2
、l
b2
和l
c2
选型为80股组合的利兹线，耐流值为3.15a有效值，自感值为0.5mh；原边磁环选型为内圈半径15mm，外圈半径29mm，厚度14mm；副边磁环选型为内圈半径15mm，外圈半径29mm，厚度14mm；中间磁环选型为内圈半径15mm，外圈半径29mm，厚度5.8mm；原边磁柱选型为长度12mm，横截面为14mm
×
14mm的正方形；副边磁柱选型为长度12mm，横截面为14mm
×
14mm的正方形；
[0035]
下面结合图1至图7介绍本发明的具体实施方式为：
[0036]
设所述原边自感的电流为ia、ib和ic，所述副边自感的电流为i
a2
、i
b2
和i
c2
，所述原边和副边自感线圈匝数为n1和n2，所述原边或副边磁环的三分之一磁芯磁阻为rc，所述中间磁环的三分之一磁芯磁阻为r
cc
，且r
cc
＝yrc。图4是本发明所设计的三相集成的磁耦合纹波转移通道磁芯结构的等效磁路，图5是三相逆变器某一时刻的调制示意图，以下将基于图4进行磁路分析，并结合图5中各开关状态推导出纹波转移的条件，进而得到磁芯尺寸的设计
原则。需指出的是，以下若存在未特别详细说明的过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
[0037]
如图4所示，基于电路原理中的节点电压法可得各节点磁势与磁通量之间的关系可以表示为：
[0038][0039]
基于(1)式可以推导得到各部分磁通量的表达式为：
[0040][0041]
定义原边自感和副边自感分别为l
a1
＝l
b1
＝l
c1
＝l1和l
a2
＝l
b2
＝l
c2
＝l2，则线圈匝数可以表示为：
[0042][0043]
则进一步可以推到得到各线圈间的互感为：
[0044]
[0045]
如图5所示，可以看出共有四种开关状态，第一种是三个桥臂均为下管开通，则该状态下可推导得到原边自感线圈的电流斜率为：
[0046][0047]
第二种开关状态是a相上管开通，b、c相下管开通，此时原边自感线圈的电流斜率为：
[0048][0049]
第三种开关状态是a、b相上管开通，c相下管开通，此时原边自感线圈的电流斜率为：
[0050][0051]
第四种开关状态是三相下管开通，此时原边自感线圈的电流斜率为：
[0052]
[0053]
由(5)～(8)式可以看出原边自感线圈的电流斜率表达式中有一个共同的公因式，只要使该式为零即可实现纹波最小化，即：
[0054]
(4a-4)l2+6m
a1a2
＝0
ꢀꢀꢀ
(9)结合(4)式和(9)式即可得到本发明磁芯尺寸的设计原则为：
[0055][0056]
基于上述设计原则对本发明的磁芯进行设计，并搭建仿真模型进行仿真验证，图6为本发明实施例所采用的三相逆变器的并网电流仿真结果，图7为本发明实施例所采用的三相逆变器并网电流的谐波频谱图。
[0057]
上述实施例是本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
[0058]
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。