磁集成地铁变压器漏抗三维有限元模型的建立与计算分析

1、磁集成地铁变压器漏抗三维有限元模型的建立与计算分析摘要: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

2、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

3、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;和分别表示上下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。 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

4、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

5、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: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;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;计算时间短,迭代收敛精度较高,方便进行多项仿真任务。 因此,本文采用稳态非线性有限元分析法,变压器中的漏磁能量有限元计算表达式为 式中:e为对应于某个单元的子区域;为材料的磁导率,可以用磁化

6、非线性曲线来表示;B为磁通密度;A为磁矢量势。2.2 有限元建模 地铁多重逆变牵引变压器的FEA模型如图3所示,由于变压器三相对称,因此建立单相模型即可(该图形中只包括磁芯与单相线圈),剖分成8节点6面体单元,相应的有限元剖分单元数为67994个,边数为121926个,有效边数为98942个。2.3 结果分析 通过各相短路试验有限元仿真,利用能量法可以方便地求得变压器高压与高压,两高压与低压以及单高压与低压之间的等效电感,具体数值列于表1。各短路情况下磁心的磁通密度分布如图4所示,主磁芯Ac中磁通密度趋近于零;磁芯Bc中的最高磁通密度位于其EE型磁芯柱中部,其大小约为0.50.7T,处于非饱和

7、状态。进行的变压器短路试验所测各相之间的等效电感值非常接近,具体数值见表2,其中高压对低压间的等效电感值测试允许误差为30%0%,表明采用三维有限元稳态非线性法可以快捷、准确地计算出各绕组之间的等效电感值,从而为该类型的磁集成地铁变压器的参数设计提供技术支持。 3 多重逆变系统平衡电感LP的设计平衡电感LP两端电压UP只含有交流成分,而且主要是6次谐波6,在其幅值为t=/2时,UP的最大值为 式中:UA为变压器一组高压绕组的三相交流电压。 因为最大环流为Id/2,且环流实际上就是平衡电感的励磁电流。因此,平衡电感的电抗值XP亦可从规定的最小负载电流Idmin估算得出(只考虑6次谐波),即采用磁集成技术的牵引变压器原边等效电感可以完全取代平衡电感,消除各个逆变桥之间的电压钳位,使各逆变桥同时工作。从而大大降低大功率逆变器的体积和造价7。4 结论 (1)该种地铁牵引变压器通过采用高压绕组轴向双分裂以及磁集成技术,实现了单台变压器应用于12脉波二重PWM逆变电路。 (2)仿真计算