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非线性磁芯的建模利用某仿真软件中的模型编辑器,使用模型编辑器可以对磁芯的B-H线进行相应的修改和调整,从而得到所需的磁芯。然后根据参量提取得到Jiles-Atherton模型参量,最后进行磁芯型号的选择。目前常用的磁芯材料[19]有硅钢片、软磁铁氧体、坡莫合金、非晶合金以及纳米晶合金。其中硅钢片具有较高饱和磁感应强度,但是其矫顽力较大、电阻率较低,高频下损耗急剧增加,且磁导率较低。软磁铁氧体具有较高的电阻率、高频损耗较小,但其矫顽力较大,磁导率较低,饱和磁感应强度较低。坡莫合金初始磁导率较高,矫顽力较小,但其饱和磁感应强度不够高,电阻率较低,且在频率大于20kHz时,损耗较大。非晶合金与纳米晶合金都具有较高的饱和磁感应强度,较低的矫顽力,电阻率相对其它金属磁性材料较高,并且最大磁导率较高,损耗较低,综合性能较好。因此可饱和变压器磁芯选择为铁基非晶合金,磁开关所用磁芯材料为纳米晶合金磁芯。
下面以厂家提供的实际纳米晶磁芯的磁滞回线为准,对磁芯进行建模和参量提取。实际纳米晶磁芯磁滞回线如图 3所示,其中横轴单位为Oe,纵轴单位为Gs。
(1) 首先打开模型编辑器并选择File-New,新建并进行保存,然后选择Model-New新建磁芯模型,对其进行命名然后选择Magnetic Core,单击OK后进入如图 4所示界面。
(2) 在如图 4中的Initial Permeability中输入初始磁导率100000。
(3) 进行坐标设置。
(4) 对Jiles-Atherton进行参量提取,各参量取值如表 1所示。
parameter unit minimum value maximum value omit the value saturation magnetization A/m 1 1030 15000 shape parameter A A/m 1 1030 1.2 the domain wall deflection coefficient C 10-2 1030 0.4 pin-bonding coefficient of domain walls K A/m 1 1030 6 effective core area cm2 10-6 1030 6 average magnetic circuit length cm 10-6 1030 40.84 coefficient of laminated 10-6 1030 1 Table 1. Magnetic switch core model parameters table
后续的仿真将会在此基础上对磁滞回线的横截面积及平均磁路长度做相应调整以取得体积最小值。图 5为各参量确定后得到的磁滞回线。采用试错法对所建立的磁芯模型进行检验后符合要求。
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根据如图 6所示的磁脉冲压缩电路原理图使用PSPICE搭建电路进行仿真分析。设计中脉冲变压器及两级磁开关所用磁芯的具体参量如表 2所示。按照上述磁芯模型的建立步骤分别设计好脉冲变压器磁芯模型以及磁开关的磁芯模型。在对电路中电容值进行计算首先设置电容C0=4μF,根据能量守恒定律可计算出电容C1=10nF,因此将C2和C3均设置为10nF。
parameter T MS1 MS2 the coupling coefficient 0.85 0.9 0.9 coefficient of laminated 0.8 85 85 the thickness of the strip/mm 0.03 0.025~0.030 0.025~0.030 Bs/T 1.5 1.25 1.25 μi/(Gs·Oe-1) >6×104 >10×104 >10×104 μm/(Gs·Oe-1) >10×104 >6×105 >6×105 Table 2. Pulse transformer and magnetic switch core parameters
T为可饱和升压变压器,MS1和MS2为一级和二级磁压缩开关,其中直流电源为可调节直流电源。控制开关选用的是可控硅控制开关,其具有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点,实验中可通过控制可控硅的开启和关断控制电路脉冲的产生,其控制频率为输出脉冲的频率。
在各参量均设定完成后,为增加磁开关在工作时的稳定性,以及在重频条件下使磁开关能够快速恢复到初始状态,设计中给磁开关添加了复位电路。采用的复位方法是外加直流电流源,复位电路中流过复位绕组的直流电流可以提供一个反向磁场,使磁芯的工作点可以回到初始的负向饱和区域。由参考文献[10]可知,为了使磁芯进入深度的反向饱和区复位电流I必须大于此值,即:
式中, ra为磁芯平均半径,Hs是负向饱和时的磁场强度,Nr是复位端的绕组匝数。由图 4中的磁滞回线可知,在磁场强度大于24A/m时磁芯开始饱和,结合上述公式可以计算出,在一级复位绕组为9匝时磁开关复位电流理论最小值为I1=1.09A。在二级复位绕组为3匝时磁开关复位电流理论最小值为I2=3.27A。负载电阻初始设定值为200Ω,在PSPICE中将两个复位电流设置好后对整体电路进行仿真,并将探针放置在电容C1,C2,C3高电平端测试其电压波形的变化,仿真结果如图 7所示。其中红色为C1两端电压变化曲线,中间绿色为C2两端电压变化曲线,蓝色为C3两端电压变化曲线。从图中可以明显看出压缩效果,未压缩时脉冲上升时间约为6.7μs,经过一级磁压缩后脉冲上升时间约为0.67μs,两级压缩后脉冲上升时间为67ns, 两级压缩比均为10。C1两端电压约为20.5kV,C2两端电压约为19.8kV,C3两端电压约为18kV,因此第1级压缩效率为93.3%,两级总压缩效率为81.0%。图 8为一级和二级压缩后电流脉冲波形图,绿色曲线为C1点脉冲电流变化曲线,蓝色为C2点脉冲电流变化曲线。
在上述基础上改变负载电阻大小进行仿真,图 9所示为电阻变化时电容各点电压变化的情况。最上方浅蓝色线为C1两端电压变化情况,中间黄色曲线为C2两端电压变化情况,最下方灰色曲线为C3两端电压变化情况。仿真发现在磁开关以纳米晶作为磁芯,总压缩比为100,两级压缩总体积最小的情况下,负载电阻为250Ω时总压缩效率达到最大,为81.9%。在负载电阻小于250Ω时,电路中少量的漏电压很快的消耗在负载电阻上,不能在导通之后与脉冲电压形成累加,导致电阻过小时有一定损耗。随着阻值的增加,漏电压减小,损耗减小。在电阻大于250Ω时,漏电压不再减小,损耗不变导致输出电压不再变化。实际选择负载电阻时考虑体积因素负载电阻不宜过大。
图 10和图 11所示为在不加复位电流和复位电流过小时的各点电压波形图。从图中可以看出,未加复位电流以及一级复位复位电流小于1.09A、二级复位电流小于3.27A时,都会导致在电压未达到设定值时磁开关已经导通,大大降低了压缩效率。同时仿真发现复位电流也不宜过大,在一级复位电流大于9.80A、二级复位电流大于时14.50A时,输出效率在随着复位电流的增加而减小。表 3所示为一级复位电流为1.5A时,二级复位电流变化与两级压缩电路效率的关系。其中V1,V2和V3分别表示电容C1,C2和C3两端电压值。图 12所示为一级复位电流为15A、二级复位电流为20A时仿真结果图。其中红色为C1两端电压变化曲线,绿色为C2两端电压变化曲线,蓝色为C3两端电压变化曲线。图中可以明显看出一级和二级磁开关饱和时间均增加,且C2两端电压在达到最大值时二级磁开关没有及时导通造成损失。另外由于磁芯中磁畴在无外加磁场时会产生的无规则排列,由磁滞回线可知,在不加复位电路时,磁感应强度值在0值左右是一个不确定的量,导致每次运行时产生的脉冲波形均不相同,影响了电路的稳定性。
I2/A V1/kV V2/kV V3/kV efficiency/% 0 19.5 13 11.5 34.8 1 19.5 15 13.8 50.0 2 20 17.5 17 72.2 4 21 19.5 19 81.9 6 21 19 19 81.9 8 21 20 19 81.9 10 21 20 19 81.9 12 21 20 19 81.9 14 21 20 19 81.9 16 21 20 18 73.5 18 21 20 17.5 69.4 20 21 19.5 17 65.5 22 21 19 16 58.0 Table 3. Relationship between total efficiency and secondary reset current