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CN111308222B - 一种基于参数修正的电容器组电感估算方法 - Google Patents

一种基于参数修正的电容器组电感估算方法 Download PDF

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CN111308222B CN202010143199.9A CN202010143199A CN111308222B CN 111308222 B CN111308222 B CN 111308222B CN 202010143199 A CN202010143199 A CN 202010143199A CN 111308222 B CN111308222 B CN 111308222B
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杨实
周亚伟
呼义翔
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    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2611Measuring inductance

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Abstract

为了解决现有的电容器组电感估算方法误差较大的技术问题,本发明提供了一种基于参数修正的电容器组电感估算方法,在基于带状线电感计算的公式的基础上,通过搭建单元回路的充放电实验装置,同时运用Maxwell电磁场仿真方法,获取电容器组电感的实测数据,进而与原始公式计算结果进行对比拟合,得到适用于该种规格电容器的修正系数,经修正后的计算公式估算精度显著提升。

Description

一种基于参数修正的电容器组电感估算方法
技术领域
本发明涉及一种电感估算方法,具体涉及一种适用于脉冲功率装置单元回路电容器组的电感估算方法,该方法是基于带状线电感计算公式的一种参数修正方法。
背景技术
脉冲功率装置单元回路是指由并排放置的两个相同规格电容器以及将其相连的导体板、触发开关等组成的基本充放电回路。在进行Marx发生器及LTD驱动源设计时,需要对单元回路的电容、电感等关键参数进行估算,以确定基本单元及装置整体的电脉冲输出波形参数。目前在脉冲功率装置中所采用的电容器大部分为长方体形结构,在进行回路电感估算时往往将其等效为带状线,且认为等效导体层位于电容器中间,即“中间层假设”。然而在工程实践中发现,这样简单的等效针对不同电容器型号及不同间距,均存在不同程度的误差,最高可达20%以上,不利于装置运行参数的准确估计。
发明内容
为了解决现有的电容器组电感估算方法误差较大的技术问题,本发明提供了一种基于参数修正的电容器组电感估算方法。
本发明的发明构思是:
本发明在基于带状线电感计算的公式的基础上,通过搭建单元回路的充放电实验装置,同时运用Maxwell电磁场仿真方法,获取电容器组电感的实测数据,进而与原始公式计算结果进行对比拟合,得到适用于该种规格电容器的修正系数。
本发明的技术方案是:
基于参数修正的电容器组电感估算方法,其特殊之处在于,包括以下步骤:
步骤1:搭建单元回路充放电实验装置
所述单元回路充放电实验装置的等效电路包括第一电容器、第二电容器、正充电电源、负充电电源、触发电极开关、测量端连接板、充电端连接板和罗氏线圈;
第一电容器的一端通过正充电支路保护电阻与正充电电源的输出相连,第一电容器的另一端通过测量端连接板、放电回路等效电阻与第二电容器的一端相连,第二电容器的另一端通过负充电支路保护电阻与负充电电源的输出相连;触发电极开关通过充电端连接板设置在正充电电源与负充电电源之间;罗氏线圈环绕在测量端连接板外;
第一电容器和第二电容器相对并排设置构成电容器组,第一电容器和第二电容器之间设置有多个绝缘材料制成的隔板,通过改变所述隔板的数量,可控制第一电容器和第二电容器之间的间距在5mm~30mm变化;
步骤2:向电容器组充电
向第一电容器和第二电容器施加充电电压,从0开始逐渐提升充电电压至触发电极开关的间隙放电导通;
步骤3:获取电容器组的实测电感LC
将第一电容器与第二电容器之间的间距从5mm逐级调至30mm,分别开展至少四组不同间距下的实验,每组实验测试N个电流波形作为数据样本,计算每组实验的电容器组电感平均值作为该组实验的实测电感LC;N≥10;单组实验的电容器组实测电感LC的获取方法为:
3.1)采用Maxwell仿真计算充电端连接板的回路电感LA、测量端连接板的回路电感LB,估算触发电极开关处的火花通道电感LD≈14x,单位nH;x为火花通道距离,单位cm;
3.2)用罗氏线圈和示波器测量N次,测出单元回路的N个电流波形,分别读取电流振荡周期以及前两个波峰峰值和时间点,从而推算出N次测试得到的单元回路的总回路电感分别为Lm1,Lm2,...,LmN
3.3)计算当前组实验的电容器组的电感分别为:
LC1=Lm1-(LA+LB+LD),
LC2=Lm2-(LA+LB+LD),
LCN=LmN-(LA+LB+LD);
3.4)计算当前组实验的实测电感LC
Figure BDA0002399813260000031
步骤4:计算电容器组电感的等效计算值Lf
根据带状传输线电感的理论计算公式:
Figure BDA0002399813260000032
并令
Figure BDA0002399813260000033
Figure BDA0002399813260000034
其中:l为带状线长度,w为带状线宽度,d为带状线内侧间距,μ0为真空磁导率;
在上述公式中,假设将电容器组等效为位于中间层的平板,则d=h+j,其中h为单个电容器的高,j为两个电容器之间的间距;按上述公式计算得到步骤3中所述至少四组不同间距下电容器组电感的等效计算值为Lf
步骤5:获取电容器厚度的修正系数α
根据步骤3中所述至少四组实验得到的实测电感LC与步骤4得到的相应的电容器组电感的等效计算值Lf进行对比拟合,经过试凑,得到第一电容器和第二电容器的电感估算误差绝对值在设计精度要求以内时,电容器厚度的修正系数α;
步骤6:计算修正后的电容器组电感L′f
将d=αh+j带入所述带状传输线电感的理论计算公式,求解修正后的电容器组电感L′f
进一步地,步骤1中所述的触发电极开关包括两枚相对间距安装的M3螺钉,将每个M3螺钉的钉头打磨后通过螺母相对间隔固定在充电端连接板上即构成触发电极开关。
进一步地,步骤2中,将其中一个充电电源的输出设为恒定,进而缓慢提升另一充电电源的输出,直至触发电极开关放电导通。
进一步地,步骤3中共开展6组实验,6组实验对应的两电容间的间距分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm和30mm。
进一步地,步骤3中N=20。
进一步地,步骤1中所述的测量端连接板、充电端连接板的材料均为304不锈钢,厚度均为1mm。
进一步地,步骤1中所述的测量端连接板、充电端连接板上均设置有长条腰形孔。
本发明的有益效果:
本发明设计搭建了单元回路的充放电实验装置,利用罗氏线圈和示波器获取回路放电的电流波形,根据波形推算出该规格电容器在特定间距条件下的回路总电感。另一方面,在Maxwell环境中通过电磁场仿真获得连接导体板电感,并根据经验公式计算得到电极处火花通道电感,用回路总电感扣除导体板电感与火花通道电感,即得到电容器组电感的实测值。通过对同种规格电容器在不同间距条件下的实测值与基于带状线电感计算公式的计算值进行对比拟合,从而得到原始计算公式的修正系数。利用该方法,针对几种典型容量规格的电容器,给出了其具体修正参数值,经修正后的计算公式估算精度显著提升。
附图说明
图1是本发明的单元回路充放电实验装置的等效电路图。
图2是本发明提供的电感估算方法与原始方法的精度对比(60nF)。
图1中,1.正充电电源,2.负充电电源,3.触发电极开关,4.第一电容器(充正电),5.第二电容器(充负电),6.放电回路等效电阻,7.罗氏线圈,8.测量端连接板,9.充电端连接板,10.正充电支路保护电阻,11-负充电支路保护电阻。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本实施例以基本构造均为长方形绝缘材料壳体,壳体内部为金属薄膜层叠卷绕形式,采用绝缘油密封,标称电容值为60nF,尺寸参数均分别为l(长)=255mm,w(宽)=154mm,h(高)=62mm的两只电容器(分别记为第一电容器4和第二电容器5)构成的电容器组为例作为被估算对象,说明本发明的实施过程。
参照图1-2,本实施例的实施过程如下:
步骤1:搭建单元回路充放电实验装置
组装单元回路充放电实验装置,连接充电线缆和电流测量线缆;单元回路充放电实验装置的等效电路如图1所示,包括第一电容器4、第二电容器5、正充电电源1、负充电电源2、触发电极开关3、测量端连接板8、充电端连接板9(共有两段,其中一段固定不动,另一段可通过腰形孔调节长度)和罗氏线圈7;第一电容器4的一端通过正充电支路保护电阻10与正充电电源1的输出相连,第一电容器4的另一端通过测量端连接板8、放电回路等效电阻6与第二电容器5的一端相连,第二电容器5的另一端通过负充电支路保护电阻11与负充电电源2的输出相连;触发电极开关3通过充电端连接板9设置在正充电电源1与负充电电源2之间;罗氏线圈7环绕在测量端连接板8(共有两段,其中一段固定不动,另一段可通过腰形孔调节长度)外。
其中:
第一电容器4和第二电容器5相对并排设置构成电容器组,实验装置中还设计了用于固定第一电容器4和第二电容器5的支架以及用于调节第一电容器4和第二电容器5之间间距的多个隔板,支架和隔板的材料均为尼龙(或者其他绝缘材料),单个隔板的厚度为5mm(厚度也可为其他值)。隔板设置在第一电容器4与第二电容器5之间,初始时第一电容器4和第二电容器5之间的间距为5mm,通过改变第一电容器4和第二电容器5之间隔板的数量,可以控制第一电容器4和第二电容器5之间的间距从5mm~30mm变化。
正充电电源1和负充电电源2分别为±100kV直流电源,正充电电源1用于给第一电容器4充正电,负充电电源2用于给第二电容器5充负电;实验时一般将其中一个充电电源的输出设为恒定,进而缓慢提升另一充电电源的输出,直至触发电极开关3放电导通。
触发电极开关3包括两枚相对间距安装的M3螺钉,将每个M3螺钉的钉头打磨后通过螺母分别固定在充电端连接板9的两段上即构成触发电极开关3。触发电极开关3的电极间隙约1mm左右,从而电极的击穿电压小于10kV。在其他实施例中,触发电极开关3也可采用现有的其他结构形式。
罗氏线圈7是一种利用电磁感应原理测量瞬态电流的电子器件,该器件环绕在测量端连接板8之外,示波器通过罗氏线圈7采集单元回路的电流波形信号;根据电流波形信号的波形特征,可以用解析的方法推算出单元回路的总电感值。
测量端连接板8、充电端连接板9的材料均为304不锈钢,厚度均为1mm,测量端连接板8、充电端连接板9上均设置有长条腰形孔,从而具有一定范围的长度调节能力,使连接板长度能随着第一电容器4和第二电容器5之间间距变化而做相应调节。
步骤2:向电容器组充电
向第一电容器4和第二电容器5施加充电电压,电压不宜太高,触发电极开关3的放电间隙约1mm,击穿电压约3kV,从0开始逐渐提升充电电压至触发电极开关3的间隙放电导通;
步骤3:获取电容器组的实测电感LC
将第一电容器4与第二电容器5之间的间距从5mm逐级调至30mm,分别开展至少4组实验,本实施例开展了6组实验(6组实验对应的两电容器间距分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm和30mm,在其他实施例中,也可选取其他间距值),每组实验测试20个电流波形作为数据样本,计算该组实验的电容器组电感平均值作为该组实验的实测电感LC;各组实验实测电感LC的获取方法一致,以下仅以第一电容器4与第二电容器5之间的间距为5mm为例,说明实测电感LC的获取方法:
3.1)采用Maxwell仿真计算充电端连接板9的回路电感LA、测量端连接板8的回路电感LB,估算触发电极开关3处的火花通道电感LD≈14x(nH),其中x为火花通道距离(单位cm);
3.2)用罗氏线圈和示波器测出单元回路的20个电流波形,分别读取电流振荡周期以及前两个波峰峰值和时间点,从而推算出20次测试得到的单元回路的总回路电感分别为Lm1,Lm2,...,Lm20
3.3)计算当前组实验的电容器组的电感分别为:
LC1=Lm1-(LA+LB+LD),
LC2=Lm2-(LA+LB+LD),
LC20=Lm20-(LA+LB+LD);
3.4)计算当前组实验的实测电感LC
Figure BDA0002399813260000071
步骤4:计算电容器组电感的等效计算值Lf
根据带状传输线电感的理论计算公式:
Figure BDA0002399813260000072
并令
Figure BDA0002399813260000073
Figure BDA0002399813260000074
其中l为带状线长度,w为带状线宽度,d为带状线内侧间距,μ0为真空磁导率。
在上述公式中,假设将电容器组等效为位于中间层的平板(“中间层假设”),则d=h+j,其中h为单个电容器的高,j为两个电容器之间的间距。按上述公式计算得到电容器组电感的等效计算值为Lf(6组实验对应的两电容器间距中,每个间距只计算一次)。
步骤5:获取电容器厚度的修正系数α
考虑到第一电容器4和第二电容器5的内部结构为多层金属薄带的卷绕体,不同规格电容器的尺寸参数及卷绕方式可能各不相同,因此电容器电感估算的“中间层假设”并不具有普遍适用性。因而这里对电容器厚度进行系数修正,认为等效平板间距为两个电容器之间的间距与修正后的电容器厚度之和,即d=αh+j,其中α为修正系数。根据上述6组实验的LC和与其对应的Lf值进行对比拟合,经过试凑,得知对于60nF电容器,α=0.93时,可将电感估算误差绝对值控制在2%以内,较修正前公式的计算精度有了大幅提升,如图2所示,证明了本发明所提供方法能够有效提高电感估算精度。
步骤6:计算修正后的电容器组电感L′f
将d=αh+j,α=0.93带入带状传输线电感的理论计算公式,求解修正后的电容器组电感L′f

Claims (7)

1.基于参数修正的电容器组电感估算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:搭建单元回路充放电实验装置
所述单元回路充放电实验装置的等效电路包括第一电容器(4)、第二电容器(5)、正充电电源(1)、负充电电源(2)、触发电极开关(3)、测量端连接板(8)、充电端连接板(9)和罗氏线圈(7);
第一电容器(4)的一端通过正充电支路保护电阻(10)与正充电电源(1)的输出相连,第一电容器(4)的另一端通过测量端连接板(8)、放电回路等效电阻(6)与第二电容器(5)的一端相连,第二电容器(5)的另一端通过负充电支路保护电阻(11)与负充电电源(2)的输出相连;触发电极开关(3)通过充电端连接板(9)设置在正充电电源(1)与负充电电源(2)之间;罗氏线圈(7)环绕在测量端连接板(8)外;
第一电容器(4)和第二电容器(5)相对并排设置构成电容器组,第一电容器(4)和第二电容器(5)之间设置有多个绝缘材料制成的隔板,通过改变所述隔板的数量,可控制第一电容器(4)和第二电容器(5)之间的间距在5mm~30mm变化;
步骤2:向电容器组充电
向第一电容器(4)和第二电容器(5)施加充电电压,从0开始逐渐提升充电电压至触发电极开关(3)的间隙放电导通;
步骤3:获取电容器组的实测电感LC
将第一电容器(4)与第二电容器(5)之间的间距从5mm逐级调至30mm,分别开展至少四组不同间距下的实验,每组实验测试N个电流波形作为数据样本,计算每组实验的电容器组电感平均值作为该组实验的实测电感LC;N≥10;单组实验的电容器组实测电感LC的获取方法为:
3.1)采用Maxwell仿真计算充电端连接板(9)的回路电感LA、测量端连接板(8)的回路电感LB,估算触发电极开关(3)处的火花通道电感LD≈14x,单位nH;x为火花通道距离,单位cm;
3.2)用罗氏线圈和示波器测量N次,测出单元回路的N个电流波形,分别读取电流振荡周期以及前两个波峰峰值和时间点,从而推算出N次测试得到的单元回路的总回路电感分别为Lm1,Lm2,...,LmN
3.3)计算当前组实验的电容器组的电感分别为:
LC1=Lm1-(LA+LB+LD),
LC2=Lm2-(LA+LB+LD),
LCN=LmN-(LA+LB+LD);
3.4)计算当前组实验的实测电感LC
Figure FDA0003333822860000021
步骤4:计算电容器组电感的等效计算值Lf
根据带状传输线电感的理论计算公式:
Figure FDA0003333822860000022
并令
Figure FDA0003333822860000023
Figure FDA0003333822860000024
其中:l为带状传输线长度,w为带状传输线宽度,d为带状传输线内侧间距,μ0为真空磁导率;
在上述公式中,假设将电容器组等效为位于中间层的平板,则d=h+j,其中h为单个电容器的高,j为两个电容器之间的间距;按上述公式计算得到步骤3中所述至少四组不同间距下电容器组电感的等效计算值为Lf
步骤5:获取电容器厚度的修正系数α
根据步骤3中所述至少四组实验得到的实测电感LC与步骤4得到的相应的电容器组电感的等效计算值Lf进行对比拟合,经过试凑,得到第一电容器(4)和第二电容器(5)的电感估算误差绝对值在设计精度要求以内时,电容器厚度的修正系数α;
步骤6:计算修正后的电容器组电感L′f
将d=αh+j带入所述带状传输线电感的理论计算公式,求解修正后的电容器组电感L′f
2.根据权利要求1所述的基于参数修正的电容器组电感估算方法,其特征在于:步骤1中所述的触发电极开关(3)包括两枚相对间距安装的M3螺钉,将每个M3螺钉的钉头打磨后通过螺母相对间隔固定在充电端连接板(9)上即构成触发电极开关(3)。
3.根据权利要求1或2所述的基于参数修正的电容器组电感估算方法,其特征在于:步骤2中,将其中一个充电电源的输出设为恒定,进而缓慢提升另一充电电源的输出,直至触发电极开关(3)放电导通。
4.根据权利要求3所述的基于参数修正的电容器组电感估算方法,其特征在于:步骤3中共开展6组实验,6组实验对应的两电容间的间距分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm和30mm。
5.根据权利要求4所述的基于参数修正的电容器组电感估算方法,其特征在于:步骤3中N=20。
6.根据权利要求5所述的基于参数修正的电容器组电感估算方法,其特征在于:步骤1中所述的测量端连接板(8)、充电端连接板(9)的材料均为304不锈钢,厚度均为1mm。
7.根据权利要求6所述的基于参数修正的电容器组电感估算方法,其特征在于:步骤1中所述的测量端连接板(8)、充电端连接板(9)上均设置有长条腰形孔。
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