CN111817303A - 一种改善电网电能质量的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善电网电能质量的电路及方法，包括依次连接的电网输入端子、整流电路、功率因数校正电路、高频逆变电路及输出端子，控制电路与整流电路、功率因数校正电路、高频逆变电路控制连接，所述高频逆变电路中包括用于磁耦合的磁芯和线圈，线圈缠绕于绝缘结构上，磁芯的一部分设置在绝缘结构的空心通道内；磁芯与线圈设置为磁通的一部分切割线圈并且旁路磁的一部分切割磁芯窗口内的线圈以降低涡流损耗。本发明在线圈匝数不变的情况下，通过提高磁芯的漏磁通利用率和增加线圈与磁芯之间的间距或减小磁芯上气隙的宽度，可应用于光伏并网、开关电源等领域，降低电网谐波或调整波纹、调整无功功率等。

Description

一种改善电网电能质量的电路及方法

技术领域

本发明涉及一种改善电网电能质量的电路及方法，具体地说，本发明涉及一种谐波电流低、对电网污染小的改善电网电能质量的电路及方法，可应用于光伏并网、开关电源等领域，降低电网谐波或调整波纹、调整无功功率等。

背景技术

随着国民经济的发展，电力变换器在得到了越来越广泛的应用，设备使用的逆变装置和整流装置容量越来越大，数量也越来越多,大容量非线性负荷设备产生大量高次谐波电流注入电网,造成供电电网波形畸变，降低了电能的质量和供电可靠性，威胁供电和用电设备的经济运行。

大容量非线性负荷设备主要包括：冶金、化工、矿山部门大量使用的晶闸管整流电源；工业中大量使用的变频调速装置；电气化铁道中采用交流单相整流供电的机车；家用电器(电视机、电冰箱、洗衣机、电子节能灯)等。炼钢用的电弧炉的容量不断扩大、生产中广泛使用的电弧炉和接触焊设备以及矿热炉、硅铁炉、中频和高频炉等，也均属非线性电力负荷。这些设备的投运和使用使电网的谐波越来越多，谐波会沿线路形成辐射和传导，污染电网，影响电子设备的应用。

配电网络的运行中,无功补偿的问题是一个非常重要并且典型的问题。以照明为例，高压钠灯是道路照明的最主要光源。现代化农业中多有补光需要，一般大功率的补光专用灯，其灯泡电器特点为管压范围为175-330V，工作频率范围100-200KHZ的，调光范围要求50-110%范围内可调，电磁兼容的标准要求达到民用FCC的标准，效率达96%，且可以进行输出功率调节等。

镇流器是补光及照明等负载正常工作不可缺少的控制元件，用它串联在电路中限制灯电流，避免烧坏灯泡。电感镇流器的有效形式是电感性质的，其固有功率因数很低，大约为0．06，和钠灯串联后，串联电路功率因数大约为0．45。这样低的功率因数将增大供电线路的电能损失和电压降，影响光源的发光效率。增大电感导致器件体积变大、谐波增加、成本提高。

一般负载只能在某种额定电压下使用，由于世界不同国家和地区用电电压不同，连接负载时需要对电源进行转换，以适应不同的负载。通常电源转换装置也需要在某种额定电压下使用，当电源电压较高时，会产生大量能耗，尤其是电源电压超高时，能耗更大，一般一个型号的电源转换装置不能满足不同国家电压的需求；这样针对不同的电压通常需要不同的转换装置，增加了生产成本。由于不同区域电能质量不同，过高或者过低的电压也影响电源转换装置的效率，影响负载的正常工作，并进一步恶化电网的质量，因此制造能够连接到不同电源电压的开关电源可以降低成本、改善电网电能质量，用户使用时无须进行选择。

总之，磁性元件是电力电子技术中非常重要的一部分,承担着传递能量,储能,滤波,隔离等多方面的作用。 作为占到电路总损耗30%-50%的关键部件,磁性元件的损耗测试,损耗计算和优化设计等研究工作显得尤为重要。一般的开关电源电路包括电感，其线圈和铁芯在电源转换过程中存在损耗使转换效率下降，增加线圈匝数或改用更昂贵的磁芯以降低能量损耗、提高转换率，但导致体积变大、成本增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种改善电网电能质量的电路，该电路最大限度降低损耗，在不提高体积的情况下，具有高的电源转换效率、低谐波电流，可以改善电网的电能质量。

本发明另一个目的在于提供一种改善电网电能质量的方法，所述方法通过提高磁芯的漏磁通利用率、降低磁感、漏感损耗，在不改变线圈缠绕和匝数情况下使单位体积能量转换效率大幅提高、谐波降低。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

本发明包括依次连接的电网输入端子、整流电路、功率因数校正电路、高频逆变电路及输出端子，控制电路与整流电路、功率因数校正电路、高频逆变电路控制连接，所述高频逆变电路中包括用于磁耦合的磁芯和线圈，线圈缠绕于绝缘结构上，磁芯的一部分设置在绝缘结构的空心通道内；磁芯与线圈设置为磁通的一部分切割线圈并且旁路磁的一部分切割磁芯窗口内的线圈以降低涡流损耗。

本发明中，漏磁通切割磁芯窗口内的线圈以降低涡流损耗。

本发明中，至少部分线圈与磁芯的窗口端面之间有第一间距。

本发明中，所述部分线圈通过绝缘结构的空心通道的通道壁与磁芯的窗口端面之间有第一间距。

本发明中，线圈通过所述绝缘结构的空心通道的相对的第一壁和第二壁分别与磁芯窗口两个端面之间各有一第一间距。

本发明中，所述线圈通过绝缘结构的空心通道的相对的第三壁和第四壁与其分别对应的中间磁柱左端面和右端面之间设有第二间距。

本发明中，所述绝缘结构的空心通道的相对的第一壁和第二壁分别与磁芯的窗口两个端面之间各有一第一间距，所述的第一间距为磁芯高度的1/3-1/6。

本发明中，磁芯中的气隙为n个间隔设置的气隙， n大于等于2，n个气隙的宽度总和等于磁芯具有一个气隙时气隙的宽度，以降低涡流损耗。

本发明中，所述的用于磁耦合的磁芯和线圈满足下式：

式中，r为磁芯的半径或者磁芯中柱的半径，δ为气隙的宽度，d为线圈与磁芯之间的间距，K值为磁芯的磁通量的折算值，γ为边缘磁通损耗折算值，M值为磁通量的有效折算值。

本发明还包括采用上述电路改善电网电能质量的方法，包括：对电网输入高压电进行整流、滤波、功率因数校正，得到直流电，将直流电进行高频逆变得到交流电，其特征在于，所述的高频逆变电路中磁芯与线圈设置为旁路磁通切割绕组的一部分以降低涡流损耗。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明在不改变线圈匝数的情况下，通过降低涡流损耗而增加电感量，不会增加体积和成本，只需按照电感量最小选择电感器，相同线圈匝数可以大大提高电感对谐波的抑制，降低电网谐波、提高电网电能的质量。

通过降低电源转换过程中线圈的损耗和磁芯的损耗，大大提高电感的电感量，单位体积能量转换效率大幅提高，电源转换装置的输入端能够适应不同范围的输入电压而不影响电感器的使用；由于无须增加线圈匝数或改用更昂贵的磁芯，体积不变成本大大降低。

本发明的电感在与现有技术相同的匝数情况下，通过降低磁损耗而提高电感量，根据功率因数与无功功率、视在功率的关系，降低了无功功率，电网的电压降降低、对于电网对无功功率的补偿要求降低。

MATLAB的仿真结果表明了该技术有效可行。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明实施例提供的电源转换装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的电源转换装置的截面图；

图3是本发明实施例提供的骨架的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的磁芯结构的结构示意图；

图5是本发明一实施例提供的磁芯结构上主磁通和漏磁通的分布示意图；

图6是本发明另一个实施例提供的磁芯结构的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的气隙内插设有绝缘件的磁芯结构的结构示意图；

图8本发明电路示意图。

图中：1-骨架；11-绕线部；111-空心通道；12-线圈引脚；2-磁芯；21-子磁芯；211-外环磁芯；212-中柱；22-磁柱；23-中间磁柱；231-子中间磁柱；3-间距；31-第一间距；32-第二间距；4-第一凸块；41-第一沿伸部；5-第二凸块；51-第二沿伸部；6-限位槽；7-气隙；71-中间气隙；72-侧气隙；8-绝缘件；81-第一塑料片；9-散热体；91-胶水层。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

参见附图8，本发明的改善电网电能质量的电路，包括连接电网输入端子的整流滤波电路，功率因数校正电路、高频逆变电路，控制电路及输出端子，所述高频逆变电路中包括用于磁耦合的磁芯和线圈，线圈缠绕于绝缘结构上，磁芯的一部分设置在绝缘结构的空心通道内。

在本发明的一个实施例中，所述磁芯和线圈磁耦合为电感，所述的改善电网电能质量的电路为电源转换装置开关电源电路。

如图5所示，图5为本发明实施例的磁芯结构，在图5中示出了磁芯结构上的主磁通和漏磁通的分布；磁芯结构包括磁芯和部分磁芯上套设的线圈，该部分磁芯上设气隙，对线圈通电后，线圈内通有电流，线圈内通有电流时，就会在线圈周围的空间形成磁场，由于磁芯的导磁性能比空气好，所以绝大部分磁通沿铁芯和气隙构成回路，这部分磁通成为主磁通，主磁通在磁芯中构成流通回路，存储大部分能量，与涡流损耗无关。电感中还包括漏磁通，漏磁通包括扩散磁通和旁路磁通。扩散磁通为气隙边缘的扩散磁通，是由于气隙上下端面的磁压降造成的，这部分磁通进入磁芯窗口，因此会对气隙附近的绕组产生涡流损耗。旁路磁通为横穿磁芯窗口的漏磁通，磁力线切割绕组产生涡流损耗。实际上还有一部分磁通没有经过气隙，而是经空气自成回路，这部分也为漏磁通，一般将未经过磁芯构成闭合回路的磁通均称为“漏磁通”。

在现有技术中，电感的线圈对磁芯的漏磁通进行绝大部分或完全切割，导致线圈出现涡流损耗，提高了电感的线圈损耗，从而降低了电感量，因此，采用线圈对磁芯的漏磁通进行部分切割，也就是减少线圈对磁芯的漏磁通的切割以降低线圈的涡流损耗，从而在线圈匝数不变的情况下，提高电源转换装置的电感量。

本发明的实施例中，至少部分线圈与磁芯之间有间距的设置。

如图2所示，本发明的实施例中，绝缘结构包括骨架1，其上设置绕线部11，骨架的内部为空心通道111，磁芯具有磁芯窗口，部分磁芯2上设有气隙，磁芯在气隙处形成有漏磁通，通过将至少部分线圈与磁芯之间有间距3地设置，使得线圈能够远离磁芯的漏磁通，尽最大可能减少线圈对磁芯的漏磁通的切割。减少涡流损耗，提高电源转换装置的电感量；并未增加线圈匝数或改用更昂贵的磁芯以降低线圈的涡流损耗，降低了成本；如图1以及图2所示，绝缘结构包括骨架1，骨架1具有缠绕线圈的绕线部11，绕线部11的轴向设有空心通道111，磁芯2设于骨架1上，且至少部分磁芯2轴向插入空心通道111内，插入空心通道111内的至少部分磁芯外壁通过空心通道111与线圈之间设有间距3，由于该间距3的存在，减少了线圈对磁芯的漏磁通的切割，特别是旁路磁通切割磁芯窗口内的线圈以降低涡流损耗，设置在磁芯窗口外的线圈远离气隙和旁路磁通，降低旁路磁对线圈的切割，最大限度地降低了涡流损耗，在相同线圈匝数的条件下电感量大大提高，降低了生产成本。绝缘结构对切割无影响，绝缘结构具有一厚度，本发明的间距3是为了使线圈与磁芯之间具有间距，增加绝缘结构的厚度将导致间距3的减小甚至绝缘结构的内壁与磁芯接触，但仍然保持至少部分线圈与磁芯之间有间距的设置。

需要说明的是，至少部分磁芯与空心通道111之间设有间距3，该间距3是指磁芯2的各部分与通过空心通道111壁与线圈之间的间距3，这种距离设置使得部分线圈突出于磁芯2的磁芯窗口，在一个较佳的实施例，空心通道111壁突出于磁芯2的磁芯窗口，使得空心通道111的内壁与磁芯2的磁芯窗口之间设有间距3。

如图2所示，本发明的实施例中，磁芯2的相对两侧设两个磁柱22，在两个磁柱22中间的磁芯上设中间磁柱23，中间磁柱23插入空心通道111内，中间磁柱23与空心通道111之间设有间距3或者中间磁柱23通过空心通道111的壁与线圈之间设有间距3。

本发明的一个实施例中，磁芯2的中部设有中间磁柱23，中间磁柱23插入空心通道111内，且中间磁柱23上开设有气隙7，气隙7开设在磁芯2的中部，气隙7的作用是减小磁导率，使线圈特性较少地依赖于磁芯材料的起始磁导率，气隙可以避免在交流大信号或直流偏置下的磁饱和现象，更好地控制电感量,加之中间磁柱23的全部外壁与空心通道内壁之间设有间距3，能减少气隙7漏磁通对线圈的切割。

如图2、图3和图4所示，本发明的实施例中，磁芯2包括两个子磁芯21，子磁芯21包括外环磁芯211和设于外环磁芯211内侧的中柱212；两个外环磁芯211相对且相接触形成两个磁柱和磁芯窗口，两个中柱212相对且相间隔地插入空心通道111内形成中间磁柱23和气隙7。

本发明的实施例中，磁芯2包括两个子磁芯21，子磁芯21均包括外环磁芯211和设于外环磁芯211内侧的中柱212；两个外环磁芯211相对且相接触形成两个磁柱，两个中柱212相对且相间隔形成中间磁柱，两个中柱212的轴向端面之间形成中间磁柱中的一个气隙，其他气隙分别开设在两个中柱212上；两个子磁芯21一侧均开口，使得外环磁芯211为半环状结构，该半环状结构可以是圆形的半环，也可以是方形的半环；在外环磁芯211内侧设中柱212，两个中柱212相对且相间隔形成中间磁柱23；中间磁柱23上设有气隙，中间磁柱23的外壁与空心通道111之间设有间距，使得气隙与空间通道111之间设有间距，从而使得磁芯2上的漏磁通能够远离线圈。

具体地，两个子磁芯的尺寸相同、且均呈E形，外环磁芯包括设于中柱两侧的两个子磁柱、和连接两个子磁柱的连接磁柱，中柱212插入空心通道111内，绕线部的一个侧壁夹持在一个子磁柱和中柱之间与连接磁柱抵接，其相对侧壁夹持在另一个子磁柱和中柱之间与连接磁柱抵接，外环磁芯211为半环状结构，该半环状结构为方形的半环，外环磁芯211包括设于中柱212两侧的子磁柱和连接两个子磁柱的连接磁柱，两个子磁柱和连接磁柱均与连接磁柱垂直；一个子磁柱、中柱212和连接磁柱围成一个夹持空间，另一个子磁柱、中柱212和连接磁柱围成另一个加持空间，上述两个夹持空间用于与电源转换装置的骨架1配合；两个子磁芯21均呈E形，使得子磁芯21的中柱212长度小于子磁柱的长度，从而在外环磁芯211相对且接触时，两个中柱212之间能够间隔设置形成气隙。

如图2所示，本发明的实施例中，中柱23为长方体柱，中柱的上下端面与其相对的空心通道之间的距离相等，中柱左右端面与空心通道之间的距离相等。中柱23也可以为其他形状。中柱的上、下端面基本与磁芯的窗口端面在同一平面，各端面为水平面；由于空心通道111的形状不同和中间磁柱23的插接方式不同，使得中间磁柱23上端面和下端面、也就是磁芯的窗口端面与空心通道111的壁之间设有第一间距31，空心通道111壁相对的包括第一壁和第二壁，分别与磁芯的窗口两个端面之间各有一第一间距31，可以理解该第一间距31实质为磁芯窗口两个端面与空心通道111外壁上缠绕的线圈之间的间距。中间磁柱23左端面和右端面通过空心通道111相对的第三壁和第四壁与线圈之间设有第二间距32；两个第一间距31可相等或不等，两个第二间距32可相等或不等，优选地，两个第一间距31相等，两个第二间距32相等，所述的第一间距为磁芯高度的1/3-1/6，优选所述的第二间距大于线圈的直径、小于中柱的宽度。 大范围减少线圈对磁芯2漏磁通、主要是旁路磁通的切割。所述的第一间距和第二间距实质上保证线圈与磁芯的距离，可以是空心通道111内壁与磁芯相对形成的间距，也可以是空心通道111厚度增加形成的，本发明中磁芯窗口内的线圈尽量靠近磁芯窗口内壁但保持一间隙，一般线圈外缠绕绝缘胶带，可以通过调整空心通道厚度来调整线圈与磁芯的距离。

本发明的实施例中，如图6和图7所示，磁芯的上还可以设有n个气隙，也就是n个气隙将磁芯分成了多段，使得磁芯间断的产生漏磁通，主要是扩散磁通，其中，n个气隙的宽度总和等于磁芯具有一个气隙时气隙的宽度，使得磁芯上设有n个气隙时的气隙宽度相对磁芯上设有一个气隙时的气隙宽度减小，从而使得经空气自成回路的漏磁通减少，当漏磁通减少时，磁芯的磁损减少，并且，当漏磁通减少时，则减少了线圈对磁芯的漏磁通切割，线圈的涡流损耗减少，结合前面描述的第二间距的设置，使得扩散磁通与线圈之间距离增加，扩散磁通难以对磁芯窗口内的线圈进行切割，大大降低了涡流损耗，气隙7的设置还可以防止磁饱和。

对于现有的磁芯结构而言，磁芯2上只设有一个气隙，如图6和图7所示的本发明的磁芯结构，磁芯2上开设有至少两个气隙7，所有气隙7的宽度等于磁芯2上开设有一个气隙7时气隙的宽度。例如，现有技术中一个气隙的宽度为8mm，那么本申请中多个气隙的宽度总和为8mm。

本发明的实施例中，在磁芯2上开设有多个气隙7，减少气隙7的相对宽度，达到了减少漏磁通，从而减小磁芯结构的磁损，并且，由于漏磁通变少了，因此，能够减少线圈对磁芯的漏磁通的切割，降低线圈的涡流损耗，达到在相同线圈匝数的条件下提高电感量的目的；并且，在提高电感量目的的基础上，并未改变磁芯的材质，因此，降低了生产成本；磁芯的相对两侧设两个磁柱22，在两个磁柱22之间的磁芯上设中间磁柱23，两个磁柱和中间磁柱23上均设有至少两个气隙，所有气隙的宽度等于中间磁柱上开设有一个气隙时气隙的宽度。两个磁柱22和中间磁柱23为长方体磁柱；在其他实施例中，也可以根据实际需求将磁柱22的形状改成圆柱体、多边棱柱体或不规则柱体形状；具体地，两个磁柱22和中间磁柱23上均设有至少两个气隙，可根据实际需求开设合适的数量；气隙7一般是由两个磁柱22相对、且间隔设置形成的，两个磁柱22之间的间隔空间形成气隙7，而气隙7的宽度一般是指气隙在磁柱22轴向方向的尺寸。

如图6和图7所示，本发明的实施例中，中间磁柱23上开设有至少两个气隙，至少两个气隙沿中间磁柱的轴向间隔设置，各气隙沿中间磁柱23轴向的宽度尺寸相等或不等。作为一个优选的实施例，只有中间磁柱23上开设有至少两个气隙，例如，中间磁柱上开设有三个气隙，三个气隙沿磁柱22的轴向间隔设置，优选地，三个沿磁柱的轴向均匀设置；中间磁柱23上各气隙的宽度尺寸相等，或者，根据实际需要，可将中间磁柱23上各气隙的宽度尺寸设置为不相等。

本发明的实施例中，磁芯包括两个子磁芯21，子磁芯21均包括外环磁芯211和设于外环磁芯211内侧的中柱212；两个外环磁芯211相对且相接触形成两个磁柱，两个中柱212相对且相间隔形成中间磁柱23，两个中柱212的轴向端面之间形成中间磁柱23中的一个气隙，其他气隙分别开设在两个中柱212上。

本发明的实施例中，磁芯是由两个子磁芯21构成，子磁芯21包括外环磁芯211和设于外环磁芯211内侧的中柱212，两个子磁芯21一侧均开口，使得外环磁芯211为半环状结构，该半环状结构可以是圆形的半环，也可以是方形的半环；在外环磁芯211内侧设中柱212，两个中柱212相对且相间隔形成中间磁柱23，并且，两个中柱212的轴向端面形成中间磁柱中的一个气隙，而中间磁柱23上的其他气隙开设在两个中柱212上，例如，中间磁柱上开设有三个气隙，两个中柱212的轴向端面形成三个气隙中的一个气隙，一个中柱212上设有三个气隙中的另一个气隙，另一个中柱212上设有三个气隙中的另一个气隙。

如图6和图7所示，本发明的实施例中，两个子磁芯21尺寸相同、且均呈E形，两个中柱212的轴向端面之间形成中间磁柱23的中间气隙71，各中柱212上开设的气隙为侧气隙72。

本发明的实施例中，两个子磁芯21均呈E形，外环磁芯211为半环状结构，该半环状结构为方形的半环，外环磁芯211包括设于中柱212两侧的子磁柱和连接两个子磁柱的连接磁柱，两个子磁柱和连接磁柱均与连接磁柱垂直；一个子磁柱、中柱212和连接磁柱围成一个插接空间，另一个子磁柱、中柱212和连接磁柱围成另一个插接空间，上述两个插接空间用于与电源转换装置的骨架配合；两个子磁芯21均呈E形，使得子磁芯21的中柱212长度小于子磁柱的长度，从而在外环磁芯211相对且接触时，两个中柱212之间能够间隔设置形成气隙；具体地，中间气隙71的宽度大于或等于侧气隙72的宽度，各气隙之间的间距相等；优选地，中间气隙71的宽度大于侧气隙72的宽度，避免因侧气隙72的宽度大而靠近磁芯2的两侧，从而导致磁芯2损坏增大的情况。

在磁芯窗口内设置间隔的数个气隙，仅在中柱有较大的磁位差，可以降低散磁通。由于对于脉动磁场，散磁通将噪声和EMI耦合到外部空间，对外电路甚至电网造成干扰。进一步本发明在磁芯的窗口内，中间磁柱23左端面和右端面通过空心通道111相对的第三壁和第四壁与线圈之间设有第二间距32；增加了扩散磁通与线圈之间距离增加，散磁通和扩散磁通沿该距离衰减，或者磁通的摆幅较少或难以对磁芯窗口内的线圈进行切割，大大降低了涡流损耗，避免散磁通将噪声和EMI耦合到外部空间，对外电路甚至电网造成干扰。

其中，本发明的电感，也就是电源转换装置满足下式：

式中，r为磁芯半径、或者磁芯中柱半径或者中柱宽度的一半，δ为气隙的总宽度，d为线圈与磁芯之间的间距，K值为磁芯的磁通量的折算值，γ为边缘磁通损耗折算值，M值为磁通量的有效折算值，该磁通量的有效值与磁通量正相关；磁芯上开设有至少n个气隙，每个气隙的宽度分别为δ1、δ2……δn，且满足δ1+δ2+……+δn=δ。

需要说明的是，在本发明的实施例中，线圈相当于套设在中间磁柱上，中间磁柱上开设有n个气隙，d可以认为是中间磁柱到空心流道之间的平均距离；

采用上述关系式设计的电源转换装置，在δ、d和线圈匝数调整的条件下，产生的损耗更低，由此带来的电感磁通量φ有效值的增加，即可得到在相同匝数N的情况下，电感量L更大。也可以理解为，在电感其它参数不变的情况下，低于通常电感匝数N的情况下，可以得到相同的电感量L，由此进一步降低电感线圈带来的损耗。

可以理解的是，增加d值，线圈涡流损耗降低、磁通量的有效折算值M增加。增加d值可以（不限于）采用绝缘层12加厚、骨架1改变等不同方式。

表1中的数据采用磁芯中柱半径r=5mm的磁芯，线圈50匝，绕线部11的总长为42mm，针对不同的δ值和d值，共分为4组，测量对应电源转换装置的电感量，并计算线圈涡流损耗，测量结果与对照组1和2比较，结果见表1。其中实施例1-3数据直接列在表1，磁芯采用EE4220、EE425。

实施例4

本实施例与实施例1基本一致，不同之处在于：

请参阅图3，所述气隙为5个，每个气隙的宽度分别为δ1、δ2、δ3、δ4、δ5，且满足δ1+δ2+δ3+δ4+δ5=8mm。

在本实施例中，δ1=δ2=δ3=δ4=1mm，δ5=4mm。

需要说明的是，5个气隙中，每个磁芯2上设有2个气隙，即磁芯2伸入芯槽11的部分为3段，每段通过绝缘垫依次连接，则每段磁芯2之间为相互隔开，形成气隙。

在实际生产中，采用将单个磁芯2分段，再将分段后的磁芯2与绝缘垫紧密压合在一起，形成具有气隙的磁芯。

对照例1

本对照例与实施例1基本一致，不同之处在于：

δ和d的值均为随机选择，在本对照例中，δ=8mm，d=2mm。

对照例2

本对照例与实施例1基本一致，不同之处在于：

δ和d的值均为随机选择，在本对照例中，δ=8mm，d=1mm。

表1

分组	δ（mm）	d（mm）	电感量（μH）	涡流损耗（W）
					1	8	4	89	1.8
2	5	2.5	85	2.15
					3	15	7.5	81	2.85
4	-	4	92	1.5
					对照1	8	2	72	3.5
对照2	8	1	70	4.5

从表1可以看出，1组、2组和3组均达到了良好的效果，其中1组的效果最佳，另外，从4组可以看出，当采用了多个气隙时，减少了扩散磁通对绕组的影响，电感量能进一步提高，且涡流损耗也会进一步降低。

从对照1组和对照2组可以看出，当δ和d的值随机选择时，其所达到的效果明显低于本申请的实施例。

参见图8为本发明改善电网电能质量的装置及方法示意。其中整流电路用来实现电气隔离功能，从而保证电源设备的安全性，免受来自高压馈电线的危险。功率因数校正电路用来强迫线电流跟随线电压，使线电流正弦化，提高功率因数，减少谐波含量，一般输出是300——400V左右的高压直流，通过控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，使逆变器的输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。上述电路还可以包括滤波电路，也可以整流和滤波电路合并为一个电路。

上述开关电源的中，使用了大量的磁性材料元件，如高频变压器、脉冲变压器、换向和谐振电感器、功率电感器、滤波电感器、互感器等等， 使电网供给严重畸变的非正弦电流，引起严重的谐波污染，使输入端功率因数下降，造成巨大的浪费和严重危害。图8的电路虽然被用于现代逆变系统抑制谐波，但由于该电路电能需要经过三级变换，降低了线路的可靠性；效率一般不会超过80%。

改进电路设计及控制方法以提供高质量的电能、提高转换率是电力电子领域研究的热门课题，但是人们发现电路的改进通常导致器件数目和控制电路的复杂性，以此换取效率的提高也意味着高成本；现有技术也一直在尝试加改进磁性材料元件结构、制作工艺，减小漏磁、漏感、降低损耗而从根本上解决问题。

本发明将上述电路中的电感磁芯与线圈设置为旁路磁通部分切割绕组以降低漏磁、漏感的损耗；进一步，本发明将磁芯与线圈设置为旁路磁通部分切割磁芯窗口内的绕组以降低漏磁、漏感的损耗，本发明具体的方法是将线圈部分设置在磁芯的窗口之外以增加线圈与磁芯的距离，磁芯窗口之内的线圈设置为靠近磁芯窗口的内壁而远离磁芯的中柱，降低漏磁漏感的干扰和损耗。进一步，本发明通过还将中柱设置为多个间隔气隙，进一步降低漏磁漏感的干扰和损耗，增加散热，从根本上解决了电感的损耗问题，在电网通过采用上述最简单的电路设计，降低谐波和电压波动，以提高功率因数，改善电能质量。

一般电感性器件中“漏磁通”对应的电感就是“漏感”，漏感的存在使得开关管关断时，漏感储能释放，在开关管上出现了电压尖峰，增大了开关管的关断损耗，容易损坏开关管 。而且漏感还容易与分布电容发生谐振，引起电磁干扰。同时，由于漏感在电路中以串联的形式等效，当电压一定的时候，漏感越大，电流有效值越低，输出功率降低，高频变压器能量转换效率降低、谐振成倍增加、对电路及电网的电磁干扰增加，因此，减小漏感对于降低功率损耗、保护开关管以、开关电源的性能，降低对电网的影响就非常重要。本发明通过间距以及气隙设置，使线圈远离磁芯的漏磁通，避免干扰，输出高、高频变压器能量转换效率高、谐振降低、对电路及电网的电磁干扰降低。

电流谐波的大小与所用的电感量有关，电感越大，谐波抑制得愈充分，现有技术中一般通过加粗线圈的直径等方式提高电感量，常常引起如电源适应性变差、电感发热、体积和成本增加等一系列问题。本发明在不改变线圈匝数的情况下，通过降低涡流损耗而增加电感量，不会增加体积和成本，只需按照电感量最小选择电感器，相同线圈匝数可以大大提高电感对谐波的抑制，降低电网谐波、提高电网电能的质量。

由于在线圈匝数不变的情况下，通过降低电源转换过程中线圈的损耗和磁芯的损耗，大大提高电感的电感量，能量转换效率提高，电源转换装置的输入端能够适应不同范围的输入电压而不影响电感器的使用；由于无须增加线圈匝数或改用更昂贵的磁芯，体积不变成本大大降低。

在现有技术中，正常情况下电源转换装置的线圈的输入端能够接入某一额定电压，高端产品能够接入170-380 V之间的任一输入电压，对于不同的电压还要选择和适配不同的型号，而本申请电路中的电感结构涡轮损耗降低接近40%，电感量提高20%，损耗可使得电源转换装置的线圈的输入端能够接入宽范围的输入电压，例如1000瓦功率输出状态下，输入电压可以适应110-600V之间的电压；最佳为输入200至500V之间的电压，无须更换不同型号。本发明的电感能够耐受电压的波动，对于电压不稳定的输电线路也提高了适应性，不会因为电压过低而不能开机或不能正常输出、电压过高导致烧毁而引起电网的波动。

电网的频率、电压和供电可靠性是衡量电网质量的重要指标无功功率对电网的危害包括：降低发电机有功功率的输出，降低输、变电设备的供电能力，造成线路电压损失增大和电能损耗的增加，造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。本发明的电感在与现有技术相同的匝数情况下，通过降低磁损耗而提高电感量，提高了电感的，根据功率因数与无功功率、视在功率的关系，降低了无功功率，电网的电压降降低、对于电网对无功功率的补偿要求降低。

本发明的电感可以是现有技术的EE、EI、EF、EEL、PEEPEL、ER、ETD、EQ/EQI、EP、EP、EFD、EPC、POT、PQ、RM等等规格。

如图7所示，本发明的实施例中，至少两个气隙将中间磁柱分隔为若干子中间磁柱231，相邻两个子中间磁柱231的轴向端面之间形成气隙，每个气隙内设有绝缘件8，绝缘件8分别与两个子中间磁柱231的轴向端面贴合连接。

本发明的实施例中，绝缘件8插入在气隙内，实现相邻两个子中间磁柱231之间的连接，并且，绝缘件8具有绝缘特性，其对主磁通不具有切割的作用；多个气隙和多个绝缘件8的设置，使得磁芯的饱和值能提得更高，磁路的分布更加的均衡；其中，绝缘件8可完全插入气隙内，也可部分插入气隙内；此外，绝缘件8的材质和形状可为多种，只要对磁力线无切割作用即可。

如图7所示，本发明的实施例中，绝缘件8为第一塑料片81，第一塑料片81插入对应的气隙内，第一塑料片81的相对两侧分别与两个子中间磁柱231的轴向端面贴合连接，第一塑料片81侧面的面积小于或等于子中间磁柱231轴向端面的面积。

本发明的实施例中，绝缘件8的材质为塑料，其形状为片状，第一塑料片81插入气隙内，第一塑料片81的一个侧面与一个子中间磁柱231的轴向端面贴合连接，相对侧面与相邻子中间磁柱231的轴向端面贴合连接，实现相邻两个子中间磁柱231的连接；绝缘件8完全插入气隙内时，第一塑料片81侧面的面积可小于子中间磁柱231轴向端面的面积，也可等于中间磁柱轴向端面的面积，只要确保相邻的两个子中间磁柱231能够连接，优选地，第一塑料片81侧面的面积等于中间磁柱轴向端面的面积，增加相邻的两个子中间磁柱231之间的连接强度。

进一步地，中间磁柱上设有沿中间磁柱的轴向方向沿伸的第二塑料片，第二塑料片贴合中间磁柱设置，各第一塑料片与第二塑料片垂直连接，所有第一塑料片设于第二塑料片的同一侧，第二塑料片将若干各第一塑料片81整合起来，避免若干第一塑料片81出现易丢失的情况，且可实现将若干第一塑料片81同时插入各自对应的气隙内，提高插入效率。

如图7所示，本发明的实施例中，第一塑料片81的相对两侧均设有散热体9，散热体9的一侧与中间磁柱231的轴向端面连接，另一侧与第一塑料片81的一侧连接。

本发明的实施例中，散热体9的设置能够使得第一塑料片81连接在子中间磁柱231上，实现相邻两个子中间磁柱231的连接，同时散热体9能够降低磁芯的温度，利于散热，进一步提高饱和值。

如图7所示，本发明的实施例中，散热体9为将第一塑料片81粘贴于两个子中间磁柱231的轴向端面的胶水层91。

本发明的实施例中，胶水层91为环氧树脂胶水，当然也可为其他类型的可以起到粘合作用的材料，同时此材料不能具有导磁率的功能，需兼具散热功能；胶水层91侧面的面积可小于塑料片81侧面的面积和子中间磁柱231轴向端面的面积，也可等于塑料片81侧面的面积和子中间磁柱231轴向端面的面积，优选地，胶水层91侧面的面积等于塑料片81侧面的面积和子中间磁柱231轴向端面的面积，提高相邻两个子中间磁柱231之间的连接强度。

如图3所示，本发明的实施例中，绕线部11顶部的相对两侧均设相对绕线部11轴向凸伸的第一凸块4，绕线部11底部的相对两侧均设有相对绕线部11轴向凸伸的第二凸块5，部分连接磁芯夹设在第一凸块4和第二凸块5之间。

本发明的实施例中，当中柱的上下端面和左右端面均与空心通道111内壁之间设有间距时，为了实现磁芯2装在骨架1上，因此，在绕线部11顶部的相对两侧设沿轴向凸伸的第一凸块4，在绕线部11底部的相对两侧设沿轴向凸伸的第二凸块5，第一凸块4与第二凸块5之间形成夹持空间，部分连接磁芯夹持在夹持空间内，实现磁芯2与骨架1的装配，提高磁芯2在骨架1上的稳定性。

如图3所示，本发明的实施例中，第一凸块4的左右两侧均相对绕线部11径向凸伸形成两个第一沿伸部41，第二凸起的左右两侧均相对绕线部11径向凸伸形成两个第二沿伸部51，子磁柱和剩余部分的连接磁芯均夹设在第一沿伸部41和第二沿伸部51之间。

本发明的实施例中，为了进一步增强磁芯2与骨架1之间的装配强度，在第一凸块4的左右两侧均设有第一沿伸部41，第二凸块5的左右两侧均设有第二沿伸部51，第一沿伸部41与第二沿伸部51之间形成夹持空间，子磁柱和剩余部分的连接磁芯均设于夹持空间内。

如图3所示，本发明的实施例中，两个第一凸起相对绕线部11径向凸伸形成第一槽体，两个第二凸起相对绕线部11径向凸伸形成第二槽体，位于第一凸起和第二凸起之间的绕线部11设有相对绕线部11径向凸伸的四个第三凸起，相对的两个第三凸起之间形成第三槽体，各槽体依次连接形成一个连续的限位槽6。

本发明的实施例中，第一凸起向上相对绕线部11径向凸伸，使得相对的两个第一凸起之间形成第一槽体，第二凸起向下相对绕线部11径向凸起，使得相对的两个第二凸起之间形成第二槽体，并且，在第一凸起和第二凸起之间的绕线部11还设有相对绕线部11径向凸伸的四个第三凸起，相对的两个第三凸起之间形成第三槽体，第一槽体、第二槽体、第三槽体和第四槽体之间形成对线圈进行限位的限位槽6，使得线圈在限位槽6内缠绕，避免线圈在缠绕时出现缠绕混乱的情况。

如图3所示，本发明的实施例中，第二凸起上设有若干各沿左右方向间隔排布的线圈引脚12。

本发明的实施例中，第二凸起上设有线圈引脚12，缠绕在绕线部11上的线圈具有输入端和输出端，线圈的输入端和线圈的输出端均设于线圈引脚12上。

本发明还提供一种电源转换方法，采用上述技术方案提供的电源转换装置，在线圈匝数不变的情况下，通过增大至少部分线圈与磁芯之间的间距或减小磁芯上气隙的宽度，加宽线圈输入端接入的输入电压的范围。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种改善电网电能质量的电路，其特征在于，包括依次连接的电网输入端子、整流电路、功率因数校正电路、高频逆变电路及输出端子，控制电路与整流电路、功率因数校正电路、高频逆变电路控制连接，所述高频逆变电路中包括用于磁耦合的磁芯和线圈，线圈缠绕于绝缘结构上，磁芯的一部分设置在绝缘结构的空心通道内；磁芯与线圈设置为磁通的一部分切割线圈并且旁路磁通的一部分切割磁芯窗口内的线圈以降低涡流损耗。

2.根据权利要求1所述的改善电网电能质量的电路，其特征在于，漏磁通切割磁芯窗口内的线圈以降低涡流损耗。

3.根据权利要求2所述的改善电网电能质量的电路，其特征在于，至少部分线圈与磁芯的窗口端面之间有第一间距。

4.根据权利要求3所述的改善电网电能质量的电路，其特征在于，所述部分线圈通过绝缘结构的空心通道的通道壁与磁芯的窗口端面之间有第一间距。

5.根据权利要求4所述的改善电网电能质量的电路，其特征在于，线圈通过所述绝缘结构的空心通道的相对的第一壁和第二壁分别与磁芯窗口两个端面之间各有一第一间距。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的改善电网电能质量的电路，其特征在于，所述线圈通过绝缘结构的空心通道的相对的第三壁和第四壁与其分别对应的中间磁柱左端面和右端面之间设有第二间距。

7.根据权利要求1-5任一项所述的改善电网电能质量的电路，其特征在于，所述绝缘结构的空心通道的相对的第一壁和第二壁分别与磁芯的窗口两个端面之间各有一第一间距，所述的第一间距为磁芯高度的1/3-1/6。

8.根据权利要求1-5任意一项所述的改善电网电能质量的电路，其特征在于，磁芯中的气隙为n个间隔设置的气隙， n大于等于2，n个气隙的宽度总和等于磁芯具有一个气隙时气隙的宽度，以降低涡流损耗。

9.根据权利要求8所述的改善电网电能质量的电路，其特征在于，所述的用于磁耦合的磁芯和线圈满足下式：

式中，r为磁芯的半径或者磁芯中柱的半径，δ为气隙的宽度，d为线圈与磁芯之间的间距，K值为磁芯的磁通量的折算值，γ为边缘磁通损耗折算值，M值为磁通量的有效折算值。

10.一种如权利要求1-9任一项所述电路的改善电网电能质量的方法，包括：对电网输入高压电进行整流、滤波、功率因数校正，得到直流电，将直流电进行高频逆变得到交流电，其特征在于，所述的高频逆变电路中磁芯与线圈设置为旁路磁通切割绕组的一部分以降低涡流损耗。

Images