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磁集成地铁变压器漏抗三维有限元计算(1)

2016-03-10 01:06 摘　要:地铁逆变牵引系统中平衡电抗器的存在对减少大功率逆变器体积、降低造价不利。为此,运用磁集成技术将平衡电抗器与变压器有机结合,构造出新型12脉波二重逆变牵引供电系统,实现利用集成磁件的等效电感取代平衡电感的设计思想。采用基于边单元的稳态非线性有限元法,建立地铁变压器的三维有限元模型,对各绕组间的等效电感进行分析计算。仿真结果与样机现场试验数据非常接近,验证了所提出的有限元计算方法的正确性和可行性。　　关键词:逆变牵引系统;磁集成;电感;平衡电抗器;稳态非线性;有限元法;地铁

　　深圳地铁三号线逆变系统采用多重逆变电路,将几个矩形波组合起来,使输出波形尽可能接近正弦形波。多重逆变器由多个基本三相逆变桥并联而成,而逆变桥之间必须接有平衡电抗器,以平衡各逆变桥输出电压,提高逆变桥的利用率,减少各逆变桥容量。对大功率逆变器来说,平衡电抗器的存在对减少逆变器体积、降低造价不利。为此,提出了采用磁集成技术,将平衡电抗器与变压器集成于一体[1,2],采用基于稳态非线性有限元法,对该牵引变压器各相间漏抗进行三维有限元分析和计算,并与现场经过各相短路试验得到的变压器等效漏抗值进行对比分析。
1 系统原理分析
1.1 电路结构
高压、大功率电压源型逆变器多采用门极可关断晶闸管作功率元件,输出电压多为方波。方波电压、电流含有较多的低次谐波,严重影响输出特性,如用于交流电机供电,会使电机附加损耗增加,效率降低,运行功率因数恶化,产生谐波转矩,引起噪声与振动等[3]。
本文采用的二重三相电压源逆变电路,如图1所示。　　图中Ud为直流电压;Ⅰ和Ⅱ分别表示上下2个逆变桥;T为集成磁件;LP为2个逆变桥间的平衡电感;LS为集成磁件的副方等效电感;A,B,C和A1,B1,C1分别为变压器的2个高压绕组;a,b,c为变压器副方绕组;N为单元个数。 （转载自http://zw.NSEAC.com科教作文网）
选择这种电路结构是将2个逆变器的输出矩形波在相位上错开一定角度进行叠加,使获得的波形尽可能接近正弦波形。
1.2 磁件结构
磁件型号采用ArkadiyKats所提出的E型磁芯组合方法,如图2所示[4]。通过变压器与电感的集成实现漏感的控制。变压器绕组联接方式为Ddyny5,变压器一次侧绕组为轴向双分裂形式,并均为三角形联结,彼此独立运行,即当某一高压侧发生临时故障的时候,另一方能继续工作运行。二次侧绕组为星型联结。图2中磁芯Ac,Bc被组合使用,变压器的一次绕组在Ac和Bc2副磁芯上,二次绕组仅在磁芯Ac上,使变压器的漏感集中到一次侧,通过调节磁芯Bc的气隙可精确控制漏感的大小,变压器一次侧充当多重同步逆变系统中逆变桥之间平衡电感LP的作用,以消除各个逆变桥间的电压钳位,使各个逆变桥同时工作,降低通过晶闸管的平均电流,提高其利用率,减小换相电流对功率元件的冲击损害,并起到合成波形的作用,从而减小逆变器的体积和降低造价;变压器副方等效电感LS与正弦滤波器构成低通谐振电路,以改善输出电压波形,提高输出动态性能。2 变压器漏抗的三维有限元计算
2.1 稳态非线性法
有限元法中的稳态非线性法[5]能够很好地求解变压器的漏磁场。其主要特点有:①可以较为真实地反应磁芯材料磁化曲线的非线性变化,利用函数进行迭代求解,从而能够较正确地反应实验情况下磁芯中磁通密度的分布情况;②能够通过漏磁场能量计算出变压器各绕组间的等效电感,计算值与实验得出的等效电感值非常接近;③计算时间短,迭代收敛精度较高,方便进行多项仿真任务。