基于场路耦合有限元法的牵引变压器特性分析（三）

wanlyi · 发表于 2013-9-11 15:17:16

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2.牵引变压器短路运行

当原边侧绕组电流达到额定值时，原边侧所施加电压与额定电压比值称为阻抗电压uk。此时，变压器主磁通较小，铁耗和激磁电流均可以忽略不计，其损耗主要为原、副边侧绕组的铜耗。图7为短路运行时牵引变压器原边电压随时间变化曲线，其电压有效值为34V，阻抗电压uk=8.93%；图8为牵引变压器短路运行时铜耗随时间变化曲线，其平均值约为1.125kW，占整个额定容量的2.25%；图9为变压器短路运行时磁力线空间分布图，图10为变压器短路运行时磁场密度空间分布图，从两图中可以看出大部分磁力线并没有从铁心构成闭合回，而是沿着气隙形成闭合回路，磁场为漏磁场。根据上面空载运行、短路运行所得到的仿真结果，再利用牵引变压器等效电路可以分别求出变压器原边侧绕组电阻R1=0.0325Ω、漏感L1l=0.398mH，副边侧绕组电阻R2=0.0325Ω、漏感L2l=0.398mH，激磁电阻Rm=61.71Ω、电感Lm=0.603H。

图7 牵引变压器短路运行电压随时间变化曲线

图8 牵引压器短路运行铜耗随时间变化曲线

图9 牵引压器短路运行磁力线空间分布

图10 牵引压器短路运行磁场密度空间分布

4 牵引变压器场路耦合仿真 图11是牵引变压器与四象限整流器场路耦合有限元联合仿真原理图及控制框图。为了减小谐波损耗，四象限整流器采用两套并联，且三角载波相位互差90度电角度。

图11 牵引变压器与整流控制电路场路耦合仿真框图在SIMPLORER中建立四象限整流控制电路模型；仿真的时间步长T=20μs，每一时间步长中牵引变压器有限元模型计算结果都与控制电路仿真结果交换数据，实现实时数据耦合，可以更真实地反映实际情况。直流母线电压选取为Vdc=600V，负载为纯电阻额定负载50kW，负载电阻值选取为R=7.2Ω，直接利用变压器的漏感作为整流器输入侧的电感，进行能量传递。控制电路采用电压外环PI调节(Kp=5，KI=50)，电流内环PR调节(Kp=0.5，KR=20)，电网频率为f=50Hz，三角载波频率为fz=350Hz，采用单极性调制。

图12 直流母线电压随时间变化曲线

图13 牵引变压器输入侧电压、电流随时间变化曲线

图14 牵引变压器副边侧绕组感应电势随时间变化曲线图12为直流母线电压随时间变化曲线，经过几个周期后电容上的电压达到600V且一直保持稳定；图13为牵引变压器输入侧电压、电流随时间变化曲线，从图中可以看出功率因数近似为1；图14为牵引变压器副边侧绕组感应电势随时间变化曲线，因调制三角波频率是网侧频率的7倍，所以其波形为7脉波；图15为牵引变压器原、副边绕组电流随时间变化曲线，因三角载波采用90度相移，原边侧绕组的电流谐波比副边侧绕组电流大大减小。

图15 牵引变压器原、副边侧绕组电流随时间变化曲线5 结论 常规基于ANSYS场路耦合联合仿真主要偏重于电磁场的分析，其电路仿真能力有限。本文给出一种基于ANSOFT公司下面的有限元仿真软件MAXWELL、电路仿真软件SIMPLORER，建立牵引变压器有限元与四象限变流器控制电路耦合仿真模型。控制电路采用电压外环PI调节，电流内环PR调节，直流母线电压快速地稳定在600V，功率因数为1，控制的动态效果良好。如果要进一步提高仿真的精确度，可以建立三维有限元模型，但计算量将会有所增加。

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