孟祥鵬，孫富華

基于A(yíng)nsoft的高鐵牽引電機(jī)用新型電壓互感器研究

孟祥鵬，孫富華

給出了一種針對(duì)高速動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)電壓測(cè)量的新型電壓互感器設(shè)計(jì)方案，通過(guò)搭建基于A(yíng)nsoft的模型及典型工況下的仿真分析，表明該方案設(shè)計(jì)合理，可為同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與批量生產(chǎn)提供參考。

電壓互感器；Ansoft軟件；有限元方法

0 引言

近年來(lái)，選擇高速動(dòng)車(chē)組出行的人越來(lái)越多，為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)的鐵路交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展較快[1]，高速動(dòng)車(chē)組也隨之快速發(fā)展。為確保高速動(dòng)車(chē)組安全、平穩(wěn)、快速運(yùn)行，高速動(dòng)車(chē)組上的各類(lèi)部件也必須保持可靠的工作狀態(tài)。其中，安裝在牽引電機(jī)側(cè)的電壓互感器對(duì)列車(chē)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[2]，它能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量電機(jī)的電壓和頻率，并將其及時(shí)傳送至合并單元模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算后，將計(jì)算結(jié)果傳輸?shù)搅熊?chē)駕駛室內(nèi)的顯示模塊進(jìn)行顯示。

動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度越來(lái)越高，牽引電機(jī)的功率和電壓也越來(lái)越高，為與之相適應(yīng)，本文對(duì)高速動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)電壓測(cè)量的新型電壓互感器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。

1 基于A(yíng)nsoft的電壓互感器有限元模型

有限元法是一種以部分代替整體的計(jì)算方法，可以將待求微分方程離散化，然后編寫(xiě)計(jì)算機(jī)代碼，依靠計(jì)算機(jī)幫助求解[3]。

本文采用通用有限元軟件Ansoft，在保證模型完整性基礎(chǔ)上，建立適當(dāng)簡(jiǎn)化的三維三相新型電壓互感器模型，并采用有限元法進(jìn)行三維磁場(chǎng)分析并計(jì)算參數(shù)。通過(guò)運(yùn)用這些方法，可大大提高計(jì)算精度和效率，縮短電壓互感器的設(shè)計(jì)時(shí)間并降低設(shè)計(jì)成本。Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)有限元仿真流程圖見(jiàn)圖1。

新型電壓互感器的設(shè)計(jì)方案是基于鐵芯階梯接縫技術(shù)對(duì)鐵芯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用高精度新型電壓互感器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，可確保電壓互感器允許的誤差范圍?，F(xiàn)在的產(chǎn)品不斷向著高度集成、節(jié)能環(huán)保、人工智能方向發(fā)展，牽引電機(jī)用電壓互感器二次側(cè)輸出電壓值較小，便于合并單元模塊的數(shù)字信號(hào)處理，并將采集的信息實(shí)時(shí)傳遞到駕駛室。本文所述的基于階梯接縫技術(shù)的新型電壓互感器不但具有傳統(tǒng)電磁式電壓互感器的結(jié)構(gòu)和輸出低電壓能力，而且還具有勵(lì)磁電流小和損耗小的優(yōu)點(diǎn)。

電壓互感器的數(shù)值計(jì)算，首要需要解決的問(wèn)題是建立數(shù)學(xué)模型。一個(gè)好的數(shù)學(xué)模型既可準(zhǔn)確反映客觀(guān)實(shí)際，還可滿(mǎn)足易于求解的要求。因此建模時(shí)通常需對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略若干次要因素[5]。基于有限元Ansoft軟件建立的新型電壓互感器數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖1 有限元仿真流程

圖2 新型電壓互感器數(shù)學(xué)模型

2 新型電壓互感器參數(shù)值給定

新型電壓互感器測(cè)量系統(tǒng)包括電壓變換部分、輸出信號(hào)調(diào)理部分、計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)處理部分和上位機(jī)顯示部分。

新型電壓互感器對(duì)牽引電機(jī)的輸入電壓進(jìn)行檢測(cè)，首先將高電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電壓信號(hào)，然后對(duì)低電壓信號(hào)進(jìn)行處理，并傳輸給合并單元進(jìn)行計(jì)算，最后在上位機(jī)上顯示檢測(cè)電壓。牽引電機(jī)的額定運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CRH2型高速動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)額定運(yùn)行參數(shù)

結(jié)合表1，通過(guò)計(jì)算整理可得新型電壓互感器基本參數(shù)，如表2所示。

表2 新型電壓互感器的基本參數(shù)

由于電壓互感器的負(fù)荷比較低，可選用解析法導(dǎo)出其暫態(tài)磁通表達(dá)式，以更方便分析牽引電機(jī)用電壓互感器的工作機(jī)理。圖3為電壓互感器的空載合閘等效電路圖。

圖3 電壓互感器空載合閘等效電路

對(duì)電壓互感器的合閘進(jìn)行原理分析，由于一、二次漏電感很小，可以忽略不計(jì)，設(shè)u1=Umcos(wt+α)，由物理關(guān)系推導(dǎo)可得

式中，α為電壓互感器投入時(shí)的電壓初相角，R1為電壓互感器的繞組電阻，φ為初級(jí)繞組每匝磁通，ψ為初級(jí)繞組的磁鏈，即初級(jí)繞組的磁通總和。

由式（1）可得

式中，L為電壓互感器繞組的電感常數(shù)。

設(shè)定邊界條件φ(0)=φr，φr為t=0時(shí)的剩磁通，求解式（2）可得

由式（3）可知，暫態(tài)磁通φ由以正弦變化的周期穩(wěn)態(tài)分量φmsin(α+θ+wt)和以指數(shù)衰減的非周期分量組成，因而暫態(tài)磁通的大小是這2個(gè)分量大小的總和[11]。

有限元軟件Ansoft Maxwell三維瞬態(tài)場(chǎng)將根據(jù)搭建模型時(shí)選擇的激勵(lì)源形式進(jìn)行網(wǎng)格剖分。如果求解的結(jié)果未達(dá)到要求，軟件算法將自動(dòng)進(jìn)行迭代計(jì)算，直到仿真計(jì)算結(jié)果符合收斂條件。由于電壓互感器的模型比較規(guī)則，在分析時(shí)可以選擇模型的一半進(jìn)行網(wǎng)格剖分計(jì)算，以縮短仿真計(jì)算時(shí)間。如圖4所示為新型電壓互感器的模型網(wǎng)格剖分圖。

圖4 新型電壓互感器的網(wǎng)格剖分圖

為了查看更加詳細(xì)的剖分結(jié)果，對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行更加細(xì)化的剖分，可通過(guò)執(zhí)行軟件中的Maxwell 3D/Results/Solution Data命令彈出如圖5所示模型網(wǎng)格的剖分信息表。表格信息中顯示了模型繞組、鐵芯以及求解域等各個(gè)部件的剖分單元數(shù)目、剖分單元最大邊長(zhǎng)、最小邊長(zhǎng)、平均邊長(zhǎng)以及剖分單元最大面積、最小面積、平均面積等信息。

圖5 新型電壓互感器的剖分信息

3 新型電壓互感器勵(lì)磁電流及磁通仿真

電壓互感器的勵(lì)磁電流和勵(lì)磁磁通反映了其鐵芯的特性，在軟件中通過(guò)執(zhí)行Maxwell 3D/Results/Create Transient Report/Rectangular Stacked Plot中的Current和Fluxlinkage選項(xiàng)卡操作，調(diào)取新型電壓互感器的勵(lì)磁電流和勵(lì)磁磁通波形圖，如圖6和圖7所示。通過(guò)仿真圖可知，無(wú)論是勵(lì)磁電流還是勵(lì)磁磁通均呈現(xiàn)了良好的波形，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的新型電壓互感器具有良好的工作特性。

圖6表明新型電壓互感器的三相勵(lì)磁電流的穩(wěn)態(tài)最大值分別為0.009 3、0.006 9、0.011 3A，數(shù)值大小不同，上下不對(duì)稱(chēng)，應(yīng)屬于正常的自激現(xiàn)象。電壓互感器的自激現(xiàn)象不會(huì)維持太久，經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)整就可達(dá)到其穩(wěn)定工作狀態(tài)下的波形圖。整個(gè)過(guò)程未出現(xiàn)波形畸變的狀況，曲線(xiàn)比較平滑，呈現(xiàn)良好的勵(lì)磁特性。

圖6 新型電壓互感器的勵(lì)磁電流波形

圖7 新型電壓互感器的勵(lì)磁磁通波形

從圖6可知，三相三柱式電壓互感器的磁路系統(tǒng)是不對(duì)稱(chēng)的，中間相的磁路比兩邊稍短。因此，在情況下，中間芯柱的磁阻小，空載阻抗高，兩旁的芯柱磁阻大于空載阻抗。所以剛通電時(shí)，中間相的勵(lì)磁電流比另外兩相的勵(lì)磁電流小，形成了三相勵(lì)磁電流不對(duì)稱(chēng)。經(jīng)過(guò)鐵芯優(yōu)化的新型電壓互感器的勵(lì)磁電流為毫安級(jí)大小，勵(lì)磁電流的減小可更加有效地將一次側(cè)測(cè)量的電壓信號(hào)傳送到二次側(cè)，通過(guò)信號(hào)的調(diào)理單元對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理并及時(shí)在上位機(jī)顯示，從而方便了高鐵列車(chē)駕駛?cè)藛T對(duì)行車(chē)狀況實(shí)時(shí)信息的查看。勵(lì)磁電流的減小也使電流分量的有功分量變得更小，進(jìn)一步減小了繞組損耗。

仿真圖7表明A、B、C三相磁通的最大值分別為3.013 1、3.380 3和3.562 9 Wb。磁通大小不同是由3個(gè)芯柱上的勵(lì)磁電流不同產(chǎn)生的結(jié)果。通過(guò)仿真圖可知新型電壓互感器200 ms以后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁電流和勵(lì)磁磁通數(shù)值的變化，通過(guò)軟件自帶功能選擇345 ms和414 ms 2個(gè)時(shí)刻的勵(lì)磁電流和勵(lì)磁磁通數(shù)值，經(jīng)計(jì)算，勵(lì)磁電流和勵(lì)磁磁通數(shù)值關(guān)系近似線(xiàn)性關(guān)系，說(shuō)明新型電壓互感器未發(fā)生電磁飽和，具有良好的工作特性。

4 新型電壓互感器磁場(chǎng)仿真分析

電壓互感器的磁感線(xiàn)可反映工作狀態(tài)下鐵芯內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布狀況，不同的深淺顏色表示磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。磁感線(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象會(huì)引起鐵芯磁通密度增大，導(dǎo)致鐵芯的電磁飽和。因此，觀(guān)察電壓互感器磁感線(xiàn)的走勢(shì)具有十分重要的意義。新型電壓互感器的磁感線(xiàn)分布情況如圖8所示。

圖8 新型電壓互感器磁感線(xiàn)分布

通過(guò)圖8可知，新型電壓互感器的磁場(chǎng)分布均勻，不但沒(méi)有磁感線(xiàn)越密磁感越強(qiáng)的缺點(diǎn)，而且磁密度很小，避免了電磁飽和的發(fā)生，減小了鐵芯橫截面積。經(jīng)計(jì)算，在同等測(cè)量條件下，新型電壓互感器鐵芯重量減小了約50%，符合高速動(dòng)車(chē)組輕量化的設(shè)計(jì)理念。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用有限元軟件Ansoft Maxwell搭建新型電壓互感器的有限元模型，并進(jìn)行新型電壓互感器在典型工況下的電磁特性仿真分析。仿真結(jié)果表明，模型搭建正確合理，設(shè)計(jì)計(jì)算正確。本文給出的采用階梯接縫技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的新型電壓互感器方案達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，可為今后高鐵牽引電機(jī)用電壓互感器的產(chǎn)品定型設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)提供參考和依據(jù)。

[1]張曙光.CRH2型動(dòng)車(chē)組[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

[2]王聰.高速列車(chē)牽引電機(jī)用新型電壓互感器的研究[D].大連交通大學(xué)，2014.

[3]朱萍萍，張貴新，羅承沐，等.數(shù)值積分法在電壓互感器中的應(yīng)用及誤差分析[J].高電壓技術(shù)，2008，34（5）：919-924.

[4]成思源.有限元法的方法論[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2001，7（4）：61-63.

[5]張濤，周凱，周承鳴.基于A(yíng)NSYS的電力變壓器三維磁場(chǎng)分析[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，200827（5）：7-9.

[6]張宇.考慮磁滯的變壓器仿真及其差動(dòng)保護(hù)不正確動(dòng)作機(jī)理分析[D].武漢大學(xué)，2004.

[7]谷雷雷.動(dòng)車(chē)組車(chē)載寬頻電壓互感器的研究[J].大連交通大學(xué)，2012.

[8]許曉峰.電機(jī)及拖動(dòng)（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[9]王輝.變壓器磁場(chǎng)分析法與解析法的應(yīng)用對(duì)比[J].變壓器，2000，37（8）：22-26.

[10]唐興倫.ANSYS工程應(yīng)用教程熱與電磁學(xué)篇[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

[11]彭韜，李九虎，鄭玉平，等.基于A(yíng)nsoft的電壓互感器電磁特性的研究[J].變壓器，2008，45（12）：29-31.

The paper puts forward the scheme for designing a new type potential transformer for measurement of traction motor voltage of high speed traction motors,illustrates that the design scheme is rational after simulation and analysis on the basis of the model established with Ansoft under typical work conditions,providing references for design and batch production of thesimilar products.

Potential transformer;Ansoft software;finite element method

U224.2+4

A

1007-936X(2017)06-0020-05

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.006

孟祥鵬.上海鐵路局徐州供電段，助理工程師；孫富華.上海鐵路局徐州供電段，助理工程師。

2017-04-05