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          地鐵變壓器管理

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          地鐵變壓器管理

          摘要:地鐵逆變牽引系統中平衡電抗器的存在對減少大功率逆變器體積、降低造價不利。為此,運用磁集成技術將平衡電抗器與變壓器有機結合,構造出新型12脈波二重逆變牽引供電系統,實現利用集成磁件的等效電感取代平衡電感的設計思想。采用基于邊單元的穩態非線性有限元法,建立地鐵變壓器的三維有限元模型,對各繞組間的等效電感進行分析計算。仿真結果與樣機現場試驗數據非常接近,驗證了所提出的有限元計算方法的正確性和可行性。

          關鍵詞:逆變牽引系統;磁集成;電感;平衡電抗器;穩態非線性;有限元法;地鐵

          深圳地鐵三號線逆變系統采用多重逆變電路,將幾個矩形波組合起來,使輸出波形盡可能接近正弦形波。多重逆變器由多個基本三相逆變橋并聯而成,而逆變橋之間必須接有平衡電抗器,以平衡各逆變橋輸出電壓,提高逆變橋的利用率,減少各逆變橋容量。對大功率逆變器來說,平衡電抗器的存在對減少逆變器體積、降低造價不利。為此,提出了采用磁集成技術,將平衡電抗器與變壓器集成于一體[1,2],采用基于穩態非線性有限元法,對該牽引變壓器各相間漏抗進行三維有限元分析和計算,并與現場經過各相短路試驗得到的變壓器等效漏抗值進行對比分析。

          1系統原理分析

          1.1電路結構

          高壓、大功率電壓源型逆變器多采用門極可關斷晶閘管作功率元件,輸出電壓多為方波。方波電壓、電流含有較多的低次諧波,嚴重影響輸出特性,如用于交流電機供電,會使電機附加損耗增加,效率降低,運行功率因數惡化,產生諧波轉矩,引起噪聲與振動等[3]。

          本文采用的二重三相電壓源逆變電路,如圖1所示。

          圖中Ud為直流電壓;Ⅰ和Ⅱ分別表示上下2個逆變橋;T為集成磁件;LP為2個逆變橋間的平衡電感;LS為集成磁件的副方等效電感;A,B,C和A1,B1,C1分別為變壓器的2個高壓繞組;a,b,c為變壓器副方繞組;N為單元個數。

          選擇這種電路結構是將2個逆變器的輸出矩形波在相位上錯開一定角度進行疊加,使獲得的波形盡可能接近正弦波形。

          1.2磁件結構

          磁件型號采用ArkadiyKats所提出的E型磁芯組合方法,如圖2所示[4]。通過變壓器與電感的集成實現漏感的控制。變壓器繞組聯接方式為Ddyny5,變壓器一次側繞組為軸向雙分裂形式,并均為三角形聯結,彼此獨立運行,即當某一高壓側發生臨時故障的時候,另一方能繼續工作運行。二次側繞組為星型聯結。圖2中磁芯Ac,Bc被組合使用,變壓器的一次繞組在Ac和Bc2副磁芯上,二次繞組僅在磁芯Ac上,使變壓器的漏感集中到一次側,通過調節磁芯Bc的氣隙可精確控制漏感的大小,變壓器一次側充當多重同步逆變系統中逆變橋之間平衡電感LP的作用,以消除各個逆變橋間的電壓鉗位,使各個逆變橋同時工作,降低通過晶閘管的平均電流,提高其利用率,減小換相電流對功率元件的沖擊損害,并起到合成波形的作用,從而減小逆變器的體積和降低造價;變壓器副方等效電感LS與正弦濾波器構成低通諧振電路,以改善輸出電壓波形,提高輸出動態性能。

          2變壓器漏抗的三維有限元計算

          2.1穩態非線性法

          有限元法中的穩態非線性法[5]能夠很好地求解變壓器的漏磁場。其主要特點有:①可以較為真實地反應磁芯材料磁化曲線的非線性變化,利用函數進行迭代求解,從而能夠較正確地反應實驗情況下磁芯中磁通密度的分布情況;②能夠通過漏磁場能量計算出變壓器各繞組間的等效電感,計算值與實驗得出的等效電感值非常接近;③計算時間短,迭代收斂精度較高,方便進行多項仿真任務。

          因此,本文采用穩態非線性有限元分析法,變壓器中的漏磁能量有限元計算表達式為

          式中:Ωe為對應于某個單元的子區域;μ為材料的磁導率,可以用磁化非線性曲線來表示;B為磁通密度;A為磁矢量勢。

          2.2有限元建模

          地鐵多重逆變牽引變壓器的FEA模型如圖3所示,由于變壓器三相對稱,因此建立單相模型即可(該圖形中只包括磁芯與單相線圈),剖分成8節點6面體單元,相應的有限元剖分單元數為67994個,邊數為121926個,有效邊數為98942個。

          2.3結果分析

          通過各相短路試驗有限元仿真,利用能量法可以方便地求得變壓器高壓與高壓,兩高壓與低壓以及單高壓與低壓之間的等效電感,具體數值列于表1。各短路情況下磁心的磁通密度分布如圖4所示,主磁芯Ac中磁通密度趨近于零;磁芯Bc中的最高磁通密度位于其EE型磁芯柱中部,其大小約為0.5~0.7T,處于非飽和狀態。

          上述仿真數值與現場進行的變壓器短路試驗所測各相之間的等效電感值非常接近,具體數值見表2,其中高壓對低壓間的等效電感值測試允許誤差為30%~0%,表明采用三維有限元穩態非線性法可以快捷、準確地計算出各繞組之間的等效電感值,從而為該類型的磁集成地鐵變壓器的參數設計提供技術支持。

          3多重逆變系統平衡電感LP的設計

          平衡電感LP兩端電壓UP只含有交流成分,而且主要是6次諧波[6],在其幅值為ωt=π/2時,UP的最大值為

          式中:UA為變壓器一組高壓繞組的三相交流電壓。

          因為最大環流為Id/2,且環流實際上就是平衡電感的勵磁電流。因此,平衡電感的電抗值XP亦可從規定的最小負載電流Idmin估算得出(只考慮6次諧波),即

          采用磁集成技術的牽引變壓器原邊等效電感可以完全取代平衡電感,消除各個逆變橋之間的電壓鉗位,使各逆變橋同時工作。從而大大降低大功率逆變器的體積和造價[7]。

          4結論

          (1)該種地鐵牽引變壓器通過采用高壓繞組軸向雙分裂以及磁集成技術,實現了單臺變壓器應用于12脈波二重PWM逆變電路。

          (2)仿真計算得出的變壓器兩高壓繞組之間的電感值5.56mH和現場實驗值5.166mH基本吻合,該等效電感值遠大于系統理論所需的平衡電感設計值2.11mH,從而大大減少了逆變器的體積和造價。

          (3)采用磁集成技術能使逆變電路換相電流降低,趨于零電流,可降低變壓器噪音和震動,并能提高輸出動態性能,具有廣闊的應用前景。

          參考文獻

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