场路耦合联合仿真分析

场路耦合联合仿真分析

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单相整流器场路耦合分析

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目前，牵引变压器的设计分析主要有如下三种方法： • 电路仿真法------可以实现控制原理、算法的精确 建 模，但无法考虑变压器本身的磁路饱和、集肤 效应、端部效应 • 磁场分析法------可以实现变压器本体性能的精确 分析，不能考虑控制策略对系统带来的影响

• 场路耦合法------通过时步有限元法对牵引变压器 及其控制系统进行仿真分析，不过计算时间相对较 长，对计算机硬件配置要求较高 牵 引 变 压 器

短路电压大------40% 开关频率低------350Hz

------场路耦合

含有丰富的谐波------谐波损耗不能忽略 © 2015 ANSYS, Inc.

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基于2D有限元模型场路耦合联合仿真框图 © 2015 ANSYS, Inc.

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控 制 策 略

y ks ( s)  2 v s  ks  n 2

谐振控制器锁相环原理框图 © 2015 ANSYS, Inc.

n z 2 x 2 s  n s y 2 x 2 s  n 5

实际变压器外形图

© 2015 ANSYS, Inc. 2D模型轴向拉伸图

变压器2D平面尺寸图

2D有限元模型

2D模型轴向拉伸图

3D有限元模型

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对七种不同的工况进行仿真与实验对比：网侧输 入电压Us=396，直流母线电压参考值Udc_ref=[510 537 556 595 631 666 705] V，负载电阻值R_load=23.4Ω 。 控制器的参数值： 电压外环比例增益：1 电压外环积分增益：0.2

电流内环比例增益：1 电流内环积分增益：0.2

载波频率（双采样）：350Hz 接入的电感：1.8mH

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场 路 耦 合 仿 真 结 果

磁力线空间分布图

磁感应强度B空间分布图

输入电压、电流波形

Udc_ref=556

电压Uab波形

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直流母线电压波形

副边绕组感应电压波形 8

场 路 耦 合 仿 真 结 果

原边绕组磁链 Udc1

变压器绕组铜耗损 Is

Is_THD

Is1

变压器绕组铁耗损 Is1_THD

m1

1

510.2167

28.9730 0.4032 36.2194 0.4032 0.8804

2

537.4689

32.1934 0.4023 40.2430 0.4024 0.8345

3

556.5266

34.4695 0.3882 43.0904 0.3881 0.8082

4

594.8330

39.8207 0.3777 49.7787 0.3778 0.7563

5

631.0733

44.7030 0.3644 55.8834 0.3645 0.7155

6

666.5388

49.7170 0.3487 62.1497 0.3487 0.6772

7

704.2358

55.9367 0.3330 69.9228 0.3331 0.6415

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七种不同工况场路耦合有限元仿真结果

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2D场路耦合有限元仿真

0.46

55

2D场路耦合有限元仿真---加入补偿

0.44

50

实验结果

45 40 35

0.42 0.4 0.38 0.36

0.32

25

0.3

3

4 5 七种不同工况

6

7

输入电流Is场路耦合联合仿真与实验结果的偏差量

5.5

5

4.5 2D场路耦合有限元仿真

4

2D场路耦合有限元仿真---加入补偿 3.5

1

2

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3

4 5 七种不同工况

6

7

2D场路耦合有限元仿真---加入补偿 实验结果 1

2

3

4 5 七种不同工况

6

7

输入电流Is谐波含量场路耦合联合仿真与实验结果的偏差量 10 输入电流Is谐波含量THD偏差量(%)

6

2

2D场路耦合有限元仿真

0.34

30 1

不同工况下输入电流Is谐波含量THD

0.48

输入电流Is谐波含量THD

输入电流Is

60

输入电流Is偏差量(%)

场 路 耦 合 仿 真 与 实 验 结 果 对 比

不同工况下输入电流Is

5 0 -5 -10 -15 2D场路耦合有限元仿真

-20

2D场路耦合有限元仿真---加入补偿 -25

1

2

3

4 5 七种不同工况

6

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小结： （1）提出了嵌入C控制代码有限元场路耦合联合仿真方法，仿 真结果与实验结果相差5%左右，满足工程实际的需求 （2）基于牵引变压器2D有限元场路耦合联合仿真加入漏感补偿 时，电流总谐波失真度THD偏差量从15%下降到5%

（3）采用有限元场路耦合联合仿真时，网侧输入电流、变压 器副边绕组输出电流比实际实验值都要小，这是因为没有考虑 IGBT器件开关过程、关断过程、导通状态时的损耗 （4）该方法可以计算出牵引变压器的铁芯损耗、绕组铜损耗 （5）有限元场路耦合联合仿真方法可以缩短牵引变压器开发时 间、降低研发成本，将会取代传统单一的磁路设计方法，在工 程设计中将具体广泛的应用 © 2015 ANSYS, Inc.

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牵引电机场路耦合联合分析

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逆变侧牵引电机以一台55kW变频调速异步电机为例进

行仿真计算。 转子槽参数： 齿宽：t2=9.05449(mm) 轭高： hy2=44.4006(mm) 斜槽系数：bSK=1 槽类型：圆底槽 槽尺寸： 定子绕组参数： hr0=0.5(mm) 槽数：Q1=48 hr1=2.3094(mm) 绕组类型：双层叠绕组 hr2=37.69(mm) 匝数：W1=88 br0=1(mm) 并联支路数：a1=4 br1=9(mm) 每槽导体数：Cs1=11 br2=3.6(mm) 每导体导线数：n1=5 导线直径：dd1=1.4(mm) rr2=1.8(mm) 转子绕组参数： 短距：Y1=11 槽数：Q2=44 绕组系数：Kw1=0.9495 绕组类型：鼠笼绕组 绕组端部尺寸：d1=20 端环直径：Dr=196(mm) tY=216.128 端环宽：be=58(mm) ld=124.651 端环高：he=26(mm) © 2015 ANSYS, Inc. 额定参数： 输出功率：P=55(kW) 相电压：U=220(V) 额定电流：I=98.4678(A) 额定频率：f=50(Hz)

定子槽参数： 齿宽： t1=9.66063(mm) 轭高：hy1=31.9(mm) 槽类型：圆底槽 槽尺寸： hs0=1(mm) 电 hs1=1.1(mm) 机 hs2=30.2(mm) 参 bs0=3.8(mm) bs1=7.6(mm) 数 bs2=11.6(mm) rs2=5.8(mm) 电机基本参数： 极数：P=4 定子相数：M=3 气隙宽度：g=0.8(mm) 定子外径：Do1=400(mm) 定子内径：Di1=260(mm) 转子内径：Di2=85(mm) 电机铁心长：L=255(mm) 叠片系数：Ks=0.95 13

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创建Rmxprt模型

创建Maxwell 2D模型

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在Simplorer导入Maxwell 2D模型 © 2015 ANSYS, Inc.

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牵引电机场路耦合联合仿真原理框图

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牵引异步电机控制策略

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异步电机磁力线空间分布图

0.6s 磁 场 建 立 过 程 © 2015 ANSYS, Inc.

牵引电机转速随时间变化曲线及局部放大图 16

异步电机电磁转矩随时间变化曲线及局部放大图

异步电机三相电流随时间变化曲线及局部放大图 © 2015 ANSYS, Inc.

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异步电机三相绕组铜损耗随时间变化曲线及局部放大图

异步电机三相绕组涡流损耗随时间变化曲线图及局部放大图 © 2015 ANSYS, Inc.

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异步电机线电压uab随时间变化曲线及局部放大图

异步电机负载转矩参考值Tload随时间变化曲线及局部放大图 © 2015 ANSYS, Inc.

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异步电机d轴参考电流id_ref、d轴反馈电流id随时间变化曲线及局部放大图

异步电机q轴参考电流iq_ref、q轴反馈电流iq随时间变化曲线及局部放大图 © 2015 ANSYS, Inc.

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变流器母排杂散电感分析

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A相

B相

正、负母排

C相

母排设计不同， 导通、关断过程IGBT 电压波形不同，导致 IGBT损耗不同，变流 器温度、尖峰电压不 相同，所以母排的优 化设计是必不可少的 ，特别在大功率变流 器场合。

±100V波动

IGBT电压实验波形及局部放大图 © 2015 ANSYS, Inc.

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母排2 母排1

母排3 母排4

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不同的母排结构其杂散电感值 不相同。

母排3的电密分布图

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将Q3D杂散 参数提取模型链 接到Simplorer模 型中，进行相应 联合仿真，右图 为导入Q3D模型 进行联合仿真的 路径，可以对母 排进行优化设计 。 24

变流器母排杂散电感分析

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Thank you

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