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场路耦合联合仿真分析 赵鲁/助理研究员 ? 2015 ANSYS, Inc. 1 单相整流器场路耦合分析 ? 2015 ANSYS, Inc. 2 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 短路电压大------40% 引 变 开关频率低------350Hz 压 器 含有丰富的谐波------谐波损耗不能忽略 ------场路耦合 ? 2015 ANSYS, Inc. 3 基于2D有限元模型场路耦合联合仿真框图 ? 2015 ANSYS, Inc. 4 控 制 策 略 谐振控制器锁相环原理框图 ? 2015 ANSYS, Inc. y v (s) ? s2 ? ks ks ? ?n2 z ? ?n s2 ? ?n2 x y? s x s2 ? ?n2 5 实际变压器外形图 变压器2D平面尺寸图 2D有限元模型 2?D20模15 A型NSY轴S, In向c. 拉伸图 2D模型轴向拉伸图 3D有限元模型 6 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 ? 2015 ANSYS, Inc. 7 场 路 耦 合 仿 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 真 结 果 Udc_ref=556 电压Uab波形 ? 2015 ANSYS, Inc. 直流母线电压波形 副边绕组感应电压波形 8 场 路 耦 合 原边绕组磁链 变压器绕组铜耗损 变压器绕组铁耗损 仿 Udc1 Is Is_THD Is1 Is1_THD m1 真 1 510.2167 28.9730 0.4032 36.2194 0.4032 0.8804 结 2 537.4689 32.1934 0.4023 40.2430 0.4024 0.8345 果 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 ? 2015 ANSYS, Inc. 七种不同工况场路耦合有限元仿真结果 9 场 路 耦 合 不同工况下输入电流Is 60 2D场路耦合有限元仿真 55 2D场路耦合有限元仿真---加入补偿 50 实验结果 45 40 输入电流Is 仿 真 与 实 35 30 251 2 3 4 5 6 7 七种不同工况 输入电流Is场路耦合联合仿真与实验结果的偏差量 6 输入电流Is偏差量(%) 验 5.5 结5 果 4.5 对 比 4 2D场路耦合有限元仿真 2D场路耦合有限元仿真---加入补偿 3.51 2 ? 2015 ANSYS, Inc. 345 七种不同工况 6 7 输入电流Is谐波含量THD 输入电流Is谐波含量THD偏差量(%) 0.48 不同工况下输入电流Is谐波含量THD 0.46 0.44 0.42 0.4 0.38 0.36 0.34 2D场路耦合有限元仿真 0.32 2D场路耦合有限元仿真---加入补偿 实验结果 0.31 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 5 0 -5 -10 -15 -20 -251 2D场路耦合有限元仿真 2D场路耦合有限元仿真---加入补偿 23456 七种不同工况 107 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