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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