500A-40uH三相滤波电感器设计开题报告

全文总字数：6542字

1. 研究目的与意义（文献综述）

（1）完成三相滤波电感器的设计

电感器也叫电抗器，一个导体通电时就会在其所占据的一定空间范围产生磁场，所以所有能载流的电导体都有一般意义上的感性。然而通电长直导体的电感较小，所产生的磁场不强，因此实际的电抗器是导线绕成螺线管形式，称空心电抗器；有时为了让这只螺线管具有更大的电感，便在螺线管中插入铁心，称铁心电抗器。电抗分为感抗和容抗，比较科学的归类是感抗器(电感器)和容抗器(电容器)统称为电抗器，然而由于过去先有了电感器，并且被称为电抗器，所以现在人们所说的电容器就是容抗器，而电抗器专指电感器。

电网容量的扩大，使得系统短路容量的额定值迅速增大。如在500kV变电所的低压35kV侧， 最大的三相对称短路电流有效值已经接近50kA。为了限制输电线路的短路电流，保护电力设备，必须安装电抗器，电抗器能够减小短路电流和使短路瞬间系统的电压保持不变。而滤波电抗器的主要作用就是用来限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击，平滑电源电压中包含的尖峰脉冲，或平滑桥式整流电路换相时产生的电压缺陷, 有效地保护变频器和改善功率因数，它既能阻止来自电网的干扰，又能减少整流单元产生的谐波电流对电网的污染。滤波电抗器一般可以分为三相和两相这两种，它们的共同点就是都是采用的铁芯干式的形式，而且是选用的材料比较好的冷轧硅钢片的材质，能更好的保证滤波电抗器的质量和滤波的效果。

本次500A-40μH三相滤波电感器的设计，主要参数如下：

（2）掌握SolidWorks的三维建模方法

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名;从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。

Solidworks软件功能强大，组件繁多。Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。

在强大的设计功能和易学易用的操作(包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴)协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。

（3）掌握UG的三维建模方法

UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。UG同时也是用户指南(user guide)和普遍语法(Universal Grammar)的缩写。

这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。

来自SiemensPLM 的NX使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。 NX 包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程，为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用 NX建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状， 并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。同时允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。

综上，本次三相滤波电感器三维模型的建立和仿真主要通过这两种软件来完成。

（3）掌握有限元法进行仿真分析计算

有限元法用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。原理是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。有限元法把连续体离散成有限个单元:杆系结构的单元是每一个杆件;连续体的单元是各种形状(如三角形、四边形、六面体等)的单元体。每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数，这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。根据能量方程或加权残量方程可建立有限个待定参量的代数方程组，求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。

有限元法已被用于求解线性和非线性问题，并建立了各种有限元模型，如协调、不协调、混合、杂交、拟协调元等。有限元法十分有效、通用性强、应用广泛，借助于矩阵等数学工具，有很强的规律性,结合计算机辅助设计技术，特别适合于编制计算机程序来处理，已有许多大型或专用程序系统供工程设计使用。

随着计算机技术的快速发展和普及, 有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域。其适用范围包括二维问题、三维问题，由静力学、动力学问题，线性、非线性问题。生物医学、激光超声研究、机电工程、汽车产品开发、物流运输、建筑等多个领域中都有有限元法的应用，是一种实用高效的数值分析方法,。有限元法在产品设计和研制中常应用于流体力学、电磁力学、结构力学计算，在预研设计阶段代替实验测试，节省成本，所以在机械设计这一专业中已经成为必须掌握的方法之一，学会使用有限元法来解决问题也正是本次设计的主要任务之一。

所以本次三相滤波电感器的仿真我选择在UG中，通过创建有限元模型、设置其基本参数、划分网格来创建仿真模型。

2. 研究的基本内容与方案

（1）基本内容

本次毕业设计的内容包括完成500A-40uH三相滤波电感器的总体设计方案、三维建模和仿真分析计算几个阶段。通过查找相关资料及计算，确定了变压器基本参数如下：

（2）技术方案

确定电感器基本参数要求后，本次设计的500A-40uH三相滤波电感器使用八个双饼组成绕组，155级双玻璃丝包扁铜线作为绕组电磁线在撑条组件上绕成4匝，采用硅钢片叠积心式磁芯三片一叠。初选工作磁场密度和电流密度后，选择磁芯形状和尺寸，确定好平均绕线匝长确定损耗限制以及工作时的温升，保证可以实现正常工作且保证效率。

参数确定完成后，用Solidworks和UG对进行二维和三维模型的建立，尤其是三维模型中绕组线圈的建立，是模型建立中的难点，也是后面顺利进行仿真和系列化设计的关键，最后利用有限元法在UG中对本次500A-40uH三相滤波电感器进行模型仿真和分析计算，并且根据设计要求进行调试，最后完成计算说明书。

3. 研究计划与安排

（1）结合课题查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需软件及学习相关知识，三月中旬完成开题报告，随后完成与课题相关的英文资料翻译。

（2）在四月上旬确定500a-40uh三相滤波电感器的总体设计方案。

（3）广泛查阅有关solidworks和ug三维建模和有限单元法分析计算的资料，在四月下旬之前完成500a-40uh三相滤波电感器结构设计、三维建模与仿真分析计算。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]周兴梅,彭庆军,马仪,钱国超,邹德旭,姜雄伟.干式空芯电抗器线圈径向厚度对自感几何系数及支路电流分布影响研究[J].高压电器,2020,56(03):128-134.

[2]李彬.高阻抗变压器内置电抗器两种磁分路的比较分析[J].变压器,2020,57(02):52-55.

[3]王青朋,白保东,陈德志,安振.800kV超高压磁饱和可控电抗器的动态特性分析及谐波抑制[J].电工技术学报,2020,35(S1):235-242.

[4]鄢克勤.高阻抗变压器内置限流电抗器技术特点分析[J].电工技术,2019(23):104-105.

[5]虞振洋,王世山.基于有限元模型重构的多物理场耦合空心电抗器优化设计[J].电工技术学报,2015,30(20):71-78.

[6]Xuebing Pei. Open-Circuit Fault Diagnosis Based on the Filter Inductor Voltage for Single-and Three-Phase Inverters[C]. 信息化与工程国际学会.Proceedings of 2015 International Power,Electronics and Materials Engineering Conference(IPEMEC 2015).信息化与工程国际学会:计算机科学与电子技术国际学会(Computer Science and Electronic Technology International Society),2015:345-351.

[7]Xuebing Pei. Open-Circuit Fault Diagnosis Based on the Filter Inductor Voltage for Single- and Three-Phase Inverters[C]. 信息化与工程国际学会.Proceedings of 2015 International Conference on Advances in Mechanical Engineering and Industrial Informatics（AMEII 2015）.信息化与工程国际学会:计算机科学与电子技术国际学会(Computer Science and Electronic Technology International Society),2015:2024-2030.

[8]李环宇. 串联铁心电抗器软件设计与有限元分析[D].哈尔滨理工大学,2014.

[9]Zixin Li~(1,2),Student Member,IEEE,Yaohua Li~1,Ping Wang~1,Haibin Zhu~(1,2),Fanqiang Gao~(1,2) 1.Institute of Electrical Engineering of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China, 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China. Three-Phase PWM Inverters with Three-Phase Output Transformer and Three-Phase Filter Inductor[C]. China Electrotechnical Society、National Natural Science Foundation of China、The Korean Institute of Electrical Engineers、The Institute of Electrical Engineers of Japan.Proceedings of the 11~(th) International Conference on Electrical Machines and Systems Volume 2.China Electrotechnical Society、National Natural Science Foundation of China、The Korean Institute of Electrical Engineers、The Institute of Electrical Engineers of Japan:中国电工技术学会,2008:616-621.

[10]Zixin Li~(1,2*),Yaohua Li~2,Ping Wang~2,Haibin Zhu~(1,2),Fanqiang Gao~(1,2) 1 Institute of Electrical Engineering of Chinese Academy of Sciences,China 2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences,China. Three-Phase PWM Inverters with Three-Phase Three-Limb/Multi-Limb Transformer and Filter Inductor[C]. China Electrotechnical Society、National Natural Science Foundation of China.Proceedings of 11th International Conference on Electrical Machines and Systems.China Electrotechnical Society、National Natural Science Foundation of China:中国电工技术学会,2008:499.

[11]李万艳. 框架式结构空心电抗器磁场的有限元分析及其优化设计[D].天津大学,2006.

[12]万承宽.三相有源整流器中LCL滤波器主电感的优化设计[J].电力电子,2010,8(01):35-38 59.