孟祥鵬，孫富華

基于Ansoft的高鐵牽引電機(jī)用新型電壓互感器研究

孟祥鵬，孫富華

給出了一種針對高速動車組牽引電機(jī)電壓測量的新型電壓互感器設(shè)計方案，通過搭建基于Ansoft的模型及典型工況下的仿真分析，表明該方案設(shè)計合理，可為同類產(chǎn)品的設(shè)計與批量生產(chǎn)提供參考。

電壓互感器；Ansoft軟件；有限元方法

0 引言

近年來，選擇高速動車組出行的人越來越多，為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，我國的鐵路交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展較快[1]，高速動車組也隨之快速發(fā)展。為確保高速動車組安全、平穩(wěn)、快速運(yùn)行，高速動車組上的各類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)的電壓互感器對列車的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[2]，它能夠?qū)崟r測量電機(jī)的電壓和頻率，并將其及時傳送至合并單元模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊計算后，將計算結(jié)果傳輸?shù)搅熊囻{駛室內(nèi)的顯示模塊進(jìn)行顯示。

動車組運(yùn)行速度越來越高，牽引電機(jī)的功率和電壓也越來越高，為與之相適應(yīng)，本文對高速動車組牽引電機(jī)電壓測量的新型電壓互感器的設(shè)計方案進(jìn)行研究。

1 基于Ansoft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算方法，可以將待求微分方程離散化，然后編寫計算機(jī)代碼，依靠計算機(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)行三維磁場分析并計算參數(shù)。通過運(yùn)用這些方法，可大大提高計算精度和效率，縮短電壓互感器的設(shè)計時間并降低設(shè)計成本。Ansoft Maxwell 3D電磁場有限元仿真流程圖見圖1。

新型電壓互感器的設(shè)計方案是基于鐵芯階梯接縫技術(shù)對鐵芯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用高精度新型電壓互感器對電壓信號進(jìn)行采集，可確保電壓互感器允許的誤差范圍。現(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)字信號處理，并將采集的信息實(shí)時傳遞到駕駛室。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，而且還具有勵磁電流小和損耗小的優(yōu)點(diǎn)。

電壓互感器的數(shù)值計算，首要需要解決的問題是建立數(shù)學(xué)模型。一個好的數(shù)學(xué)模型既可準(zhǔn)確反映客觀實(shí)際，還可滿足易于求解的要求。因此建模時通常需對其進(jìn)行適當(dāng)簡化，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

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

新型電壓互感器對牽引電機(jī)的輸入電壓進(jìn)行檢測，首先將高電壓信號轉(zhuǎn)換為低電壓信號，然后對低電壓信號進(jìn)行處理，并傳輸給合并單元進(jìn)行計算，最后在上位機(jī)上顯示檢測電壓。牽引電機(jī)的額定運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 CRH2型高速動車組牽引電機(jī)額定運(yùn)行參數(shù)

結(jié)合表1，通過計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，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的電壓初相角，R1為電壓互感器的繞組電阻，φ為初級繞組每匝磁通，ψ為初級繞組的磁鏈，即初級繞組的磁通總和。

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個分量大小的總和[11]。

有限元軟件Ansoft Maxwell三維瞬態(tài)場將根據(jù)搭建模型時選擇的激勵源形式進(jìn)行網(wǎng)格剖分。如果求解的結(jié)果未達(dá)到要求，軟件算法將自動進(jìn)行迭代計算，直到仿真計算結(jié)果符合收斂條件。由于電壓互感器的模型比較規(guī)則，在分析時可以選擇模型的一半進(jìn)行網(wǎng)格剖分計算，以縮短仿真計算時間。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，對建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行更加細(xì)化的剖分，可通過執(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部件的剖分單元數(shù)目、剖分單元最大邊長、最小邊長、平均邊長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 新型電壓互感器勵磁電流及磁通仿真

電壓互感器的勵磁電流和勵磁磁通反映了其鐵芯的特性，在軟件中通過執(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磁電流和勵磁磁通波形圖，如圖6和圖7所示。通過仿真圖可知，無論是勵磁電流還是勵磁磁通均呈現(xiàn)了良好的波形，說明所設(shè)計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，上下不對稱，應(yīng)屬于正常的自激現(xiàn)象。電壓互感器的自激現(xiàn)象不會維持太久，經(jīng)過短暫的調(diào)整就可達(dá)到其穩(wěn)定工作狀態(tài)下的波形圖。整個過程未出現(xiàn)波形畸變的狀況，曲線比較平滑，呈現(xiàn)良好的勵磁特性。

圖6 新型電壓互感器的勵磁電流波形

圖7 新型電壓互感器的勵磁磁通波形

從圖6可知，三相三柱式電壓互感器的磁路系統(tǒng)是不對稱的，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，中間相的勵磁電流比另外兩相的勵磁電流小，形成了三相勵磁電流不對稱。經(jīng)過鐵芯優(yōu)化的新型電壓互感器的勵磁電流為毫安級大小，勵磁電流的減小可更加有效地將一次側(cè)測量的電壓信號傳送到二次側(cè)，通過信號的調(diào)理單元對電壓信號進(jìn)行處理并及時在上位機(jī)顯示，從而方便了高鐵列車駕駛?cè)藛T對行車狀況實(shí)時信息的查看。勵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個芯柱上的勵磁電流不同產(chǎn)生的結(jié)果。通過仿真圖可知新型電壓互感器200 ms以后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時勵磁電流和勵磁磁通數(shù)值的變化，通過軟件自帶功能選擇345 ms和414 ms 2個時刻的勵磁電流和勵磁磁通數(shù)值，經(jīng)計算，勵磁電流和勵磁磁通數(shù)值關(guān)系近似線性關(guān)系，說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仿真分析

電壓互感器的磁感線可反映工作狀態(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強(qiáng)度的大小。磁感線分布不均勻的現(xiàn)象會引起鐵芯磁通密度增大，導(dǎo)致鐵芯的電磁飽和。因此，觀察電壓互感器磁感線的走勢具有十分重要的意義。新型電壓互感器的磁感線分布情況如圖8所示。

圖8 新型電壓互感器磁感線分布

通過圖8可知，新型電壓互感器的磁場分布均勻，不但沒有磁感線越密磁感越強(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)計算，在同等測量條件下，新型電壓互感器鐵芯重量減小了約50%，符合高速動車組輕量化的設(shè)計理念。

5 結(jié)語

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)計計算正確。本文給出的采用階梯接縫技術(shù)進(jìn)行設(shè)計的新型電壓互感器方案達(dá)到了設(shè)計目的，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)計和批量生產(chǎn)提供參考和依據(jù)。

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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