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摘要:地鐵逆變牽引系統(tǒng)中平衡電抗器的存在對(duì)減少大功率逆變器體積、降低造價(jià)不利。為此,運(yùn)用磁集成技術(shù)將平衡電抗器與變壓器有機(jī)結(jié)合,構(gòu)造出新型12脈波二重逆變牽引供電系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)利用集成磁件的等效電感取代平衡電感的設(shè)計(jì)思想。采用基于邊單元的穩(wěn)態(tài)非線性有限元法,建立地鐵變壓器的三維有限元模型,對(duì)各繞組間的等效電感進(jìn)行分析計(jì)算。仿真結(jié)果與樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近,驗(yàn)證了所提出的有限元計(jì)算方法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞:逆變牽引系統(tǒng);磁集成;電感;平衡電抗器;穩(wěn)態(tài)非線性;有限元法;地鐵

深圳地鐵三號(hào)線逆變系統(tǒng)采用多重逆變電路,將幾個(gè)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(gè)基本三相逆變橋并聯(lián)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(duì)大功率逆變器來說,平衡電抗器的存在對(duì)減少逆變器體積、降低造價(jià)不利。為此,提出了采用磁集成技術(shù),將平衡電抗器與變壓器集成于一體[1,2],采用基于穩(wěn)態(tài)非線性有限元法,對(duì)該牽引變壓器各相間漏抗進(jìn)行三維有限元分析和計(jì)算,并與現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過各相短路試驗(yàn)得到的變壓器等效漏抗值進(jìn)行對(duì)比分析。

1系統(tǒng)原理分析

1.1電路結(jié)構(gòu)

高壓、大功率電壓源型逆變器多采用門極可關(guān)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(yán)重影響輸出特性,如用于交流電機(jī)供電,會(huì)使電機(jī)附加損耗增加,效率降低,運(yùn)行功率因數(shù)惡化,產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩,引起噪聲與振動(dòng)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(gè)逆變橋;T為集成磁件;LP為2個(gè)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(gè)高壓繞組;a,b,c為變壓器副方繞組;N為單元個(gè)數(shù)。

選擇這種電路結(jié)構(gòu)是將2個(gè)逆變器的輸出矩形波在相位上錯(cuò)開一定角度進(jìn)行疊加,使獲得的波形盡可能接近正弦波形。

1.2磁件結(jié)構(gòu)

磁件型號(hào)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(shí)現(xiàn)漏感的控制。變壓器繞組聯(lián)接方式為Ddyny5,變壓器一次側(cè)繞組為軸向雙分裂形式,并均為三角形聯(lián)結(jié),彼此獨(dú)立運(yùn)行,即當(dāng)某一高壓側(cè)發(fā)生臨時(shí)故障的時(shí)候,另一方能繼續(xù)工作運(yùn)行。二次側(cè)繞組為星型聯(lián)結(jié)。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(cè),通過調(diào)節(jié)磁芯Bc的氣隙可精確控制漏感的大小,變壓器一次側(cè)充當(dāng)多重同步逆變系統(tǒng)中逆變橋之間平衡電感LP的作用,以消除各個(gè)逆變橋間的電壓鉗位,使各個(gè)逆變橋同時(shí)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(duì)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(jià);變壓器副方等效電感LS與正弦濾波器構(gòu)成低通諧振電路,以改善輸出電壓波形,提高輸出動(dòng)態(tài)性能。

2變壓器漏抗的三維有限元計(jì)算

2.1穩(wěn)態(tài)非線性法

有限元法中的穩(wěn)態(tài)非線性法[5]能夠很好地求解變壓器的漏磁場(chǎng)。其主要特點(diǎn)有:①可以較為真實(shí)地反應(yīng)磁芯材料磁化曲線的非線性變化,利用函數(shù)進(jìn)行迭代求解,從而能夠較正確地反應(yīng)實(shí)驗(yàn)情況下磁芯中磁通密度的分布情況;②能夠通過漏磁場(chǎng)能量計(jì)算出變壓器各繞組間的等效電感,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)得出的等效電感值非常接近;③計(jì)算時(shí)間短,迭代收斂精度較高,方便進(jìn)行多項(xiàng)仿真任務(wù)。

因此,本文采用穩(wěn)態(tài)非線性有限元分析法,變壓器中的漏磁能量有限元計(jì)算表達(dá)式為

式中:Ωe為對(duì)應(yīng)于某個(gè)單元的子區(qū)域;μ為材料的磁導(dǎo)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(shì)。

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(duì)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(jié)點(diǎn)6面體單元,相應(yīng)的有限元剖分單元數(shù)為67994個(gè),邊數(shù)為121926個(gè),有效邊數(shù)為98942個(gè)。

2.3結(jié)果分析

通過各相短路試驗(yàn)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(shù)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(tài)。

上述仿真數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的變壓器短路試驗(yàn)所測(cè)各相之間的等效電感值非常接近,具體數(shù)值見表2,其中高壓對(duì)低壓間的等效電感值測(cè)試允許誤差為30%~0%,表明采用三維有限元穩(wěn)態(tài)非線性法可以快捷、準(zhǔn)確地計(jì)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(shù)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

3多重逆變系統(tǒng)平衡電感LP的設(shè)計(jì)

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(shí),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?yàn)樽畲蟓h(huán)流為Id/2,且環(huán)流實(shí)際上就是平衡電感的勵(lì)磁電流。因此,平衡電感的電抗值XP亦可從規(guī)定的最小負(fù)載電流Idmin估算得出(只考慮6次諧波),即

采用磁集成技術(shù)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(gè)逆變橋之間的電壓鉗位,使各逆變橋同時(shí)工作。從而大大降低大功率逆變器的體積和造價(jià)[7]。

4結(jié)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(shù),實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)變壓器應(yīng)用于12脈波二重PWM逆變電路。

(2)仿真計(jì)算得出的變壓器兩高壓繞組之間的電感值5.56mH和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)值5.166mH基本吻合,該等效電感值遠(yuǎn)大于系統(tǒng)理論所需的平衡電感設(shè)計(jì)值2.11mH,從而大大減少了逆變器的體積和造價(jià)。

(3)采用磁集成技術(shù)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(dòng),并能提高輸出動(dòng)態(tài)性能,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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