基于Preisach磁滞模型的电工钢片磁特性模拟

电工钢片广泛应用于变压器等电气设备的制造中,其磁滞特性对电气装备的运行性能具有十分重要的影响,因此,需要精确高效的磁滞模型以描述电工钢片的磁滞特性。为此,基于Preisach理论将Preisach分布函数写成2个1维函数的乘积形式,由分布函数积分获得Everett函数及动态磁化率,并将积分以封闭形式进行表征,将推导出的闭式表达式应用于Preisach模型中可以模拟不同频率下电工钢片的磁化过程。并且以电工钢片为实验样本进行了仿真和实验,二者对比结果表明该模型运算速度快,仿真准确,具有较高的精度,能准确模拟电工钢片在磁化过程中的磁滞特性。     

两种简化Preisach模型静态特性的对比分析及评估

简化Preisach模型以其精度高、运算速度快的优点而被广泛运用于电力设备的磁滞及损耗特性模拟。本文针对现有两种不同的简化Preisach模型,分别从磁滞回线模拟精度、损耗求解精度、计算速度三方面对其进行了对比分析与综合评价。通过实验及仿真表明,Ragusa提出的简化Preisach模型(模型1)在考虑可逆磁化分量后(模型1认为磁化过程分为可逆磁化与不可逆磁化两部分),其在低磁密下的磁滞回线模拟有一定的改善,但高磁密下无明显改善,而损耗计算的全局平均误差则由12. 34%下降至9. 57%。考虑可逆磁化分量的模型1比Naidu提出的简化Preisach模型(模型2)在磁滞回线模拟精度上略有提高,而在损耗计算精度上,模型1与模型2的全局平均误差分别为9. 57%、7. 81%。在求解速度上,模型1由于包含复杂的积分而明显慢于模型2。因此综合考虑,建议在磁性材料的磁滞及损耗特性模拟等方面选用模型2。     

解析正Preisach磁滞模型的推导与修正

准确且快速地模拟软磁材料的磁滞特性是电机、变压器等电力设备电磁场仿真及其优化设计等工作可靠展开的基本前提。然而,经典Preisach磁滞模型因包含了复杂的双重积分运算而难以达到上述要求,而现有唯一的纯解析Preisach模型存在推导失误、无法通用等问题。为此,针对该解析Preisach模型的问题,推导正确的Everett函数解析表达式,并基于Preisach基本原理,分析在其基础上考虑可逆磁化分量的本质原因,继而提出首个正确且通用的解析正Preisach模型。将仿真结果与实测结果进行对比,验证所提模型的精度。     

基于非均匀单元离散法的静态逆Preisach模型分布函数辨识

逆Preisach磁滞模型在磁性材料磁滞特性模拟及其损耗计算中具有重要作用,而其分布函数的准确快速辨识是该模型成功应用于实际工程的关键。传统均匀单元离散法常用于确定逆Preisach模型分布函数,但该方法在模拟低磁密下的磁滞特性时,其精度不高。针对该问题,该文提出相对敏感度的概念,即在不同磁场强度下的磁滞回线面积的小干扰波动程度,进行不同磁密下逆Preisach模型的相对敏感度分析,发现逆Preisach磁滞模型在低磁密时的敏感度较高,因而需要在该区间强化分布函数的辨识。为此,该文提出一种提取逆Preisach磁滞模型分布函数的非均匀单元离散法,其相较于传统均匀单元离散法,不需要更多的实测磁滞回线数据,且降低了分布函数矩阵的计算量。实验及仿真结果表明,相比于传统方法,该文所提方法辨识逆Preisach模型分布函数的精度较高,求解速度较快。     

基于R-L型分数阶导数的动态解析逆Preisach模型

准确的变压器电磁暂态模型对保障电力变压器安全意义重大，其中更为重要的是对变压器铁芯部分的建模。然而，变压器铁芯的非线性磁滞特性及动态特性的模拟仍存在不精确，误差大等问题。为此，首先通过差分法改进静态解析正Preisach模型，构造一种更利于动态模型建立的静态解析逆Preisach模型；然后，在损耗统计理论、场分离技术以及分数阶导数理论的基础上，改进动态涡流场强分量，并与静态解析逆Preisach模型以及剩余损耗分量相结合，得到改进的动态解析逆Preisach磁滞模型，同时引入量子遗传算法对分数阶导数参数进行全局寻优。最后，将准确的动态解析逆Preisach模型在不同频率与不同最大磁密下与实验数据对比，结果表明，该模型的最大平均相对误差为5.857%，验证了该方法的有效性。     

解析逆Preisach磁滞模型

如何在保证模拟精度的基础上，提升逆磁滞模型的计算速度一直以来是国际电磁场领域研究的热点问题。然而，现有所提逆磁滞模型难以兼顾精度与速度的双重要求。解析形式的逆磁滞模型具有较快的求解速度，如何提出高精度的此类模型是解决上述问题的关键所在。为此，该文利用课题组所提基于解析Everett函数推导而得的解析正Preisach磁滞模型，分别推导了初始磁化曲线、磁滞回线下降支与上升支的磁导率的解析表达式，继而利用差分法，推导得到了目前唯一一个解析的逆Preisach磁滞模型。通过对比仿真与实验结果，验证了所提解析逆Preisach磁滞模型的模拟精度，并在模拟精度与计算速度两方面将其与广泛应用的逆J-A磁滞模型进行对比，发现它的平均相对误差比逆J-A磁滞模型小10%以上，且其计算速度约为逆J-A磁滞模型的2.67倍。     

考虑可逆分量的解析Preisach磁滞模型及其特征参数辨识算法

基于洛伦兹函数的解析Preisach模型具有形式简便、分布函数易于确定等优势,但如果考虑可逆磁化分量,模型的复杂程度和参数会显著增加,导致用于传统模型参数辨识的解析或神经网络等方法不再适用。为此,首先通过引入可逆磁化分量,构建一种考虑可逆分量的解析Preisach模型;然后,分析了各个特征参数对磁滞回线形状的影响规律,并且结合循环迭代法与粒子群算法,提出一种针对考虑可逆分量解析Preisach模型的特征参数混合寻优算法;最后,将所提磁滞模型及其参数辨识算法得到的磁滞回线计算值与实测值进行对比。结果表明,该模型及其参数辨识算法的最大平均相对误差为4.49%,验证了该方法的准确性和有效性。     

一种考虑动态磁滞效应的高效稳定时域有限元计算方法

在时域有限元分析中,考虑铁心磁滞特性与损耗等效磁场对磁场分布的反馈作用,对精细化模拟电工装备的暂态电磁特性具有重要意义。针对耦合动态磁滞特性有限元分析中,存在计算时间长、收敛不稳定等问题,该文提出一种基于等效磁阻率的改进固定点迭代策略,并应用于耦合Preisach磁滞模型的时域有限元分析中。首先,鉴于逆Preisach模型易于数值实现且具有较高的计算精度,铁心材料的磁滞行为由逆Preisach模型进行描述,并基于解析一阶回转曲线对模型进行了参数辨识;其次,通过分析动态磁场分量对收敛性的影响,提出基于等效磁阻率的固定点迭代策略,并在有限元迭代过程中引入松弛因子以加强算法的收敛速度与稳定性;最后,以爱泼斯坦方圈为例,计算铁心中的磁场分布特性与瞬时损耗分布特性并进行实验验证。结果表明,该文所提动态磁滞有限元计算方法在具有较高精度的同时具有较好的收敛速度及稳定性。     

强磁场永磁机构组装过程的动态有限元分析

提出一种外磁场按任意规律变化时,永磁材料特性的数值模拟方法。该方法将Preisach磁滞模型和有限元法相结合,完成对强磁场永磁机构装配过程的动态磁场分析。所提出的方法将永磁材料包括局部回线在内的磁滞特性包含到数学模型中,在合理的假设下,考虑了计及磁滞效应的"旋转磁化"。该方法只需要利用永磁材料的极限磁滞回线即可完成分析计算,避免了采用大量实验统计方法确定传统Preisach磁滞模型的分布函数。通过与传统简化计算方法(电流片等效法)和实验结果的比较,证明了所提方法的有效性。     

基于一阶回转曲线的Preisach磁滞模型研究

针对Preisach标量模型的磁滞算子几何叠加的原理,提出了基于一阶回转线进行磁滞特性研究的新模型。该模型基于Preisach模型的同余性和一阶回转曲线数据建立相应的磁滞数学模型,可以对铁磁材料的高阶回转曲线进行准确仿真。该模型实现简单,避免了传统数值方法求解Preisach分布函数必须进行两次求偏导和双重积分计算的复杂过程,并且提高了磁滞数学模型仿真精度。仿真结果与文献中测量结果相吻合,验证了该模型的准确性及有效性。     

一种考虑磁滞可逆性的非线性矢量Preisach模型

以Ｍａｙｅｒｇｏｙｚ的非线性标量Ｐｒｅｉｓａｃｈ磁滞模型为基础，提出了一种考虑磁滞可逆性的非线性矢量Ｐｒｅｉｓａｃｈ磁滞模型。该模型克服了Ｍａｙｅｒｇｏｙｚ提出的矢量Ｐｒｅｉｓａｃｈ磁滞模型不能描述磁滞可逆分量的缺陷。     

机械应力作用下电工钢片静态磁滞特性模拟方法研究

准确快速模拟磁性材料在不同应力下的磁滞特性对设计承受机械应力的电气设备铁心有重要意义。用BROCKHAUS-MPG200电工钢测试系统,测量了电工钢片样本在不同应力下的磁滞回线,发现其在应力作用下,磁滞回线会产生局部畸变的现象,且磁密越高,这种畸变越严重。为此,首次将2种常用的简化Preisach模型拓展至应力下的电工钢片磁滞特性模拟,发现仅有一种Priesach模型适用。根据该模型的基本特征,仅需利用具有畸变特性的实测极限磁滞回线,即可辨识不同应力值下的Everett函数。提出立方插值法提取以应力为变量的逆Everett函数,建立了应力下电工钢片的静态逆Preisach模型。实验及仿真结果表明,该模型计算精度较高,可用于实际工程中应力下磁性材料的磁滞特性模拟及磁滞损耗计算。     

机械应力作用下电工钢片静态磁滞特性模拟方法研究

准确快速模拟磁性材料在不同应力下的磁滞特性对设计承受机械应力的电气设备铁心有重要意义。用BROCKHAUS-MPG200电工钢测试系统,测量了电工钢片样本在不同应力下的磁滞回线,发现其在应力作用下,磁滞回线会产生局部畸变的现象,且磁密越高,这种畸变越严重。为此,首次将2种常用的简化Preisach模型拓展至应力下的电工钢片磁滞特性模拟,发现仅有一种Priesach模型适用。根据该模型的基本特征,仅需利用具有畸变特性的实测极限磁滞回线,即可辨识不同应力值下的Everett函数。提出立方插值法提取以应力为变量的逆Everett函数,建立了应力下电工钢片的静态逆Preisach模型。实验及仿真结果表明,该模型计算精度较高,可用于实际工程中应力下磁性材料的磁滞特性模拟及磁滞损耗计算。     

基于PREISACH理论的电流互感器建模研究

提出了一种新型电流互感器（CT）数字化模型。该模型由CT电磁感应方程和基于Preisach理论的新型铁心磁化模型组成：基于Priesach理论的WIPING—OUT特性，提出了确定铁心运行所在磁化曲线的方法，并在新坐标系下分离Preisach函数的变量，得到了不同情况下铁心磁通密度的计算方法，由此建立了铁心磁化模型；提出了一种新的寻解算法，通过该算法将铁心磁化模型同CT电磁感应方程相耦合，建立了CT数字化模型。该模型只需极限磁滞回环下降支、一次电流和二次负荷等少量易被直接测得的参数，即可较准确地仿真铁心内部磁化过程，具有实现简便，仿真精度高等特点。采用文中CT模型对保护CT的饱和特性进行了仿真研究，仿真结果和实测数据的比较验证了模型的有效性。     

基于Lorentzian函数的Preisach磁滞模型辨识与验证

磁滞作为磁性材料的特性,在电机、变压器等设备中普遍存在,为了更好地描述材料的这种特性,有必要建立材料的磁滞数学模型。本文基于Presiach类磁滞模型,通过分别用解析和神经网络两种方法对其Lorentzian分布函数参数进行了辨识并对两种方法进行了比较,且通过实验验证了辨识结果的正确性。模型可以对无偏磁下变压器一次电流进行预测,实验采用爱泼斯坦方圈的二次电压仿真得到了方圈的一次电流,仿真与实验结果对比验证了模型的正确性。     

Impacts of Transformer Core Hysteresis Formation on Stability Domain of Ferroresonance Modes

This paper investigates impacts of various formations of hysteresis on the stability domain of ferroresonance modes of a voltage transformer (VT). Based on four different hysteretic and two single-valued polynomial models, ferroresonance behaviors of the VT are studied. The hysteretic models are developed based on the Preisach theory. The first hysteretic model accurately duplicates the measured hysteresis loops of the VT in a wide variation range of the core excitation level. The other three hysteretic models represent different hysteresis loop formations. The polynomial models are based on identical single-valued polynomial magnetization characteristics but represent different core loss resistances (i.e., constant and dynamically varying core loss resistances, respectively). All of the models represent the same core losses as the measured value to investigate impacts of hysteresis loop formations on ferroresonance modes, independent of the corresponding hysteresis losses. The studies are conducted in time domain in the PSCAD/EMTDC software environment. The studies indicate that the VT model, which duplicates the measured hysteresis loops and the measured core loss over a wide range of excitation levels, results in more ferroresonance modes, expanded stability domains, and higher overvoltages. This paper concludes that formation of hysteresis is an independent factor which significantly impacts the ferroresonance phenomenon. Not only is it a single-valued magnetization characteristic but also a generic hysteretic characteristic; if it is not accurately constructed based on the measured core hysteresis data, it can result in significant error in determining the ferroresonance overvoltages and stability domains of the ferroresonance modes.      

PWM逆变器供电引起的轴向磁通非晶电机谐波损耗的解析计算

非晶合金材料具有出色的低损耗特性,适于用作高频电机的铁心,但PWM逆变器供电会导致高频电机谐波损耗严重增加。在电机初始设计阶段,快速准确计算出谐波损耗是轴向磁通非晶合金永磁电机设计及优化的关键。针对3D时步有限元计算耗时长的问题,改进现有多环等效模型的计算方法,推导了考虑PWM逆变器供电高次谐波电流影响的气隙磁通密度解析计算方法,并在此基础上推导了定子铁心损耗及考虑涡流反作用影响的转子涡流损耗的解析计算方法。将谐波损耗的解析计算值与样机实验值以及3D有限元计算值进行对比,结果显示谐波损耗的平均计算误差仅为9.69%,解析模型具有较高的计算精度。     

基于Preisach磁滞模型的分布函数辨识与实验验证

基于Preisach磁滞模型,根据磁滞回线的对称性,提出辨识Preisach分布函数的方法,该方法把Preisach分布函数视为两个一维函数的乘积,将分布函数中复杂的双重积分求解问题转化为求解双线性方程组的问题。并基于爱泼斯坦方圈测量装置对变压器、电机中常用材料(B30P105)进行了相应的实验,仿真及实验结果的比对验证了该方法的可行性和实用性。     

双向全桥DC-DC变换器中大容量高频变压器绕组与磁心损耗计算

精确预估非正弦波激励下高频变压器绕组与磁心损耗、研究不同模态下变压器损耗的变化趋势,对于电力电子变压器(PET)精细化设计至关重要。在对PET中间级——隔离式双向全桥DC-DC变换器工作原理进行分析的基础上,建立变换器的近似等效电路模型,得到一种适用于隔离式双向全桥DC-DC变换器中高频变压器绕组损耗计算方法。在计算方波、梯形波电压激励下的磁心损耗时,推导出修正的Steinmetz经验公式简化解析计算式,引入仅与占空比和上升时间有关的修正系数,据此可直接利用正弦波激励下的损耗系数,快速获取典型工作模态下磁心损耗。设计制作一台1.2k V/0.3k V/5k V·A非晶合金磁心高频变压器试验模型,将所提方法的计算结果与有限元仿真和试验测量结果对比,验证了所提方法的有效性。