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1、维普资讯 http:/第 19卷第 3期电力系统及其 自动化学报Vo119 No32007年 6月Proceedings ofthe CSUEPSAJun 2007采用磁集成技术的大电流输出地铁牵引变压器李 季，罗隆福，许加柱，李 勇(湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082)一受；篡一L摘要：采用磁集成技术将变压器与电抗器集成，能够进一步提高大电流输出地铁牵引变压器 的功率密度和工作效率，改善输出波纹；有效减少一次侧逆变管损耗，磁件的体积和损耗。综述 了磁集成的概念，针对深圳地铁 3号线的应用实例 ，分析集成磁件的等效电路和工作原理，着重讨论其漏抗设计并采用三维有限元稳态非线性法对该地
2、铁变压器进行建模，仿真计算得出的变压器漏抗值与现场试验数据非常接近，验证了该集成磁件能够完全取代多重逆变系统中的平衡电抗器。关键词：牵引变压器；磁集成技术；等效电路；有限元；稳态非线性；平衡电抗器中图分类号：TM853文献标识码：A文章编号：10038930(2007)O3005804Design of the Heavy CurrentSupply Metro TractionTransformer with Integrated M agneticsLIJi，LUO Longfu，XU Jiazhu，LIYong(College ofElectricaland Information En
3、gineering，Hunan University，Changsha 410082，China)1 前言所谓磁集成技术，就是将变换器中的两个或多个分立磁件(discretemagnetics，DM)绕制在一副磁芯上，从结构上集中在一起。集 中后的磁件被称为集成磁件 (integratedmagnetics，IM)。通 过一定的耦合方式、合理的参数设计，该技术能够有效减少磁件体积、质量和损耗，在一定场合还可以减少电源输出波纹、提高输出动态性能。另外，磁集成技术能减少连接端，可有效减少大电流场合连接端子的损耗1叫。一一一一一本文针对深圳地铁三号线，大功率逆变电路中的磁集成变换器进行分析。该地铁逆
4、变系统通常采用多重逆变电路把几个调制波组合起来，使输出波形尽可能接近正弦形。多重逆变器由多个基本三相逆变桥并联而成，而逆变桥之间必须接有平衡电抗器，以平衡各逆变桥输出电压，提高逆变桥的利用率，减少各逆变桥容量。对大功率逆变器，平衡电抗器的存在对减少逆变器体积，降低造价不利。为此 ，采用磁集成技术，将平衡电抗器与变压器集成于一体。文中着重讨论了集成磁件的工作状态，并完成原理样机的设计仿真和硬件实验。收稿日期；20060329；修回日期；20060529维普资讯 http:/第 l9卷第 3期李季等：采用磁集成技术的大电流输出地铁牵引变压器592 磁集成变换器原理分析21 电路结构高压、大功率电压
5、源型逆变器多采用门极可关断晶闸管作功率元件，输出电压多为方波。方波电压、电流含有丰富的低次谐波，严重影响输出特性。如用于交流电机供电，会使电机附加损耗增加，效率降低，运行功率因数恶化，产生谐波转矩，引起噪音与振动等 。采用二重化的三相电压源逆变器电路如图 1Blci图 1 牵引逆变电路系统Fig1 Traction invertersystem所示。选择这种电路结构是将两个逆变器的输出矩形波在相位上错开一定角度进行叠加，使之获得尽可能接近正弦波形。图 1电路中有 3个分立磁件变压器 T，电感 和 ，应用磁集成技术将这 3个磁件集成在一起，从而减小磁件损耗、体积。22 磁件结构磁件结构采用 Ar
6、kadiyKats所提出的 E型磁芯组合方法如图 2所示6。该方法可以实现漏感的A一一B二次绕组一次绕组控制。变压 器绕组联接方式为 Ddyny5，变压 器一次侧绕组为轴向双分裂形式，并皆为三角形联结，彼此独立运行，即当某一高压侧发生临时故障时，另一 方能继续运行；二次侧绕组为星型联结 。变压器，逆变电路以及其他辅助电路设备一并封装在箱柜中，悬挂于地铁机车动力车头底部。图 2中磁芯 A、B组合使用，变压器的一次绕组在两副磁芯上，二次绕组仅在磁芯 A上，使变压器的漏感集 中到一次侧，通过调节磁芯 B的气隙可精确控制漏感的大小，对变压器一次侧充当多重同步逆变系统中逆变桥之间平衡电抗器 作用，以消除
7、各个逆变桥间的电压钳位，使各个逆变桥同时工作，降低通过晶闸管的平均电流，提高其利用率，减小换相电流对功率元件的冲击损害，并起到合成波形的作用，从而大大减少逆变器的体积及其造价；变压器副方漏电感 与正弦滤波器构成低通谐振电路以减少输出电压波纹，提高输出动态性能。23 仿真波形两个三相桥式逆变电路共用同一直流电源输出 E一 1500V，两个三相逆变电路均为 180。导通型，工作时，逆变桥 输出电压相位比桥 I滞后 ，开关频率为 15kHz中频 ；变压器为三绕组变压器，两原边为形联结，副边 Y形联结，图3为牵引变Il沁1Il1IIlll川川朋ts(a)变压器原边电压波形8OO6oO400圣 20o0
8、-200400600800O(b)变压器副边电压波形图 3 牵引变压器原副边电压波形Fig3 Voltage wave of traction transformeron primary and secondary sides压器绕组布置的等效电路，其中 z 、z 分别为高压侧绕组阻抗，z。为低压侧绕组阻抗。各绕组之间的图 2 磁件铁心结构阻抗参数经过有限元法分析计算得出，变压器输出Fig2 Core structure with integrated magnetics端接阻性负载，仿真的变压器原副边的电压波形如图 4所 示。可 以看出，二重化逆变后的三相逆变电维普资讯 http:/维普资讯
9、 http:/第 19卷第 3期李季等：采用磁集成技术的大电流输出地铁牵引变压器6122 315L 一60ddminu 一一21lmH式中： 交流 315V；直流 流最小 图 6 变压器铁心磁通密度分布Fig6 Distribution offlux density inthetransform er cores表 1 变压器漏抗有限元法仿真计算结果Tab1 Calculation resultsofthe transformerleakage reactance by 3D仿真数 与 场对变压器 行短路 验所 各相之 的漏感数 非常接近， 表 2，其 中高 低 的漏感 允许误差 3O 0 ，
10、 明了采用三 有限元稳 非 性法进 行 压 器漏感计算的可靠性和科学性 。表 2 变压器各短路试验数据Tab2 Measured values by short-circuitexperiment4 多重逆变系统平衡电抗器的设计平衡 抗器两端电压 。只含有交流成分，而且主要是 6次 波5，其幅 为 一 7c2 电压峰 减去 ，的瞬时值，即U 一 、 A一 、 Vnsin 30。一 A(5)因 最大 流 a2，而 流 上就是平衡 抗器的励磁 流，因此平衡 抗器的 感量亦可从规定的最小负载 流 估算出(只考虑 6次 波)，即一一112 A 。0 上显然，采用磁集成技术的 引 器原 漏抗可以完全取代
11、平衡 抗器，消除各个逆 之 的 位，使各逆 同 工作，从而大大降低大功率逆 器的体 并降低其造价9。5 结语西 子公司用于深圳地 三号 中直流逆 系 的 引变压器具有磁集成、 相 流小、低噪音与震 、 出 性能好、体 小等特点。 集成磁件不是 起到 引 器的作用，同 也兼 了逆变桥 的平衡 抗器和构成 压器副方 出的 波 振 路，因此具有广 的 用前景。参考文献：1 QuinnConnor，RinneKarl，ODonnelTerence，et口ZA review of planar magnetic techniques andtechnologiesEc3ffIEEE AppliedPow
12、erElectronicsConference and Exposition，Anaheim ，US，2001，2：1175 118323 LoperaJM，PrietoM J，PerniaA M ，eta1Designofintegrated magnetic elements using thickfilmtechnologyC Proceedings of the 1998 13thAnnual Applied Power Electronics Conference andExposition APEC98，Part1Anaheim ，US，1998，1：407 41333 陈乾宏 (
13、ChenQianhong)开关电源中磁集成技术的应用研究 (Application ofthe MagneticsIntegrationTechniquesinSwitchPowerSupply)D南京：南京航空航 天 大 学 (Nanjing：Nanjing University ofAeronautics and Astronautics)，2001-14 Bloom Gordon，SevernsRudyThegeneralizeduseofintegrated magnetics and zeroripple techniques inswitch mode power converte
14、rsC PESC84Record 15th Annual IEEE Power ElectronicsSpecialists Conference，Gaithershburg，US，1984：1533(下 第 95 )XP一 6一一(6)维普资讯 http:/第 19卷第 3期刘为雄等；基于相分量法的电力系统复故障计算95大 学 学 报 (Journal of Harbin Institute ofTechnology)，2001，33(4)：505 51133 Berman A ，Xu W Analysisoffaulted powersystemsby phase coordinatesJ
15、IEEE Trans on PowerDelivery，1998，13(2)：587 5954 姜彤，郭志忠，陈学允，等 (Jiang Tong，GuoZhizhong，ChenXueyun)多态相分量法及其在电力系统三相不对称分析中的应用 (Polymorphicphasecomponentmethod and its application in threephase unbalanceHao)电力系统通用短路算法研究 (Studyofgneral algorithm forshortcircuitin powersystem)I-J电力 系统 自动化学报 (Proceedings of
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17、 (Fu Xu，Wang Xifan)同杆 双回线断相故障计算的解耦相分量法 (A decoupling phasedomain method tO calculate open conductor faults indoublecircuitline)J电力系统自动化(AutomationofElectric Power Systems)，2004，28(6)：41 446 曹国臣，祝滨，蒋建东 (Cao Guochen，Zhu Bin，Jiang Jiandong)虚拟故障端口法及其在电网故障计算中的 应 用 (Fictitious fauh port method and itsappl
18、ication tO fault calculation in power systems)I-J中国电机工程学报(ProceedingsoftheCSEE)，2002，22(5)：42 487 张钊，高 山，陈吴 (Zhang Zhao，Gao Shan，Chen(上接第 61页)5 乔蕾，刘永强(QiaoLei，Liu Yongqiang)磁集成技术及其在电力 电子中的应用 (Integrated magnetictechnology and its application in power electronic)sequence networks)J电力系统 自动化学报(Proceedi
19、ngs ofthe CSUEPSA)，1991，3(1)：12169 张伯明，陈寿孙高等电力网络分析 M北 京：清华大学出版社，1996作者简介：刘为雄 (1969一)，男，副教授，博士研究生，主要从事电力系统分析、继电保护方面的教学与研究。Email：liuwxgdsdxyeducn蔡泽祥 (196O一)，男，教授，博士生导师，主要从事电力系统继电保护、电力系统稳定分析与控制方面的教学与研究。Email：epzxcaiscuteducn9 曹解围，毛承雄 (CaoJiewei，MaoChengxiong)配电系统电子电力变压器的 IGBT缓 冲电路设计 (DesignofIGBT snubb
20、erforelectronic powertransformerinJ电力系统及其自动化学报 (Proceeding ofthedistribution system)I-J电力系统及其自动化学报CSUEPSA)，2005，17(3)：35 41(Proceedings ofthe CSUEPSA)，2005，17(6)：716KatsArkadiy，IvenskyGregory，Ben YakovSAppl74ication ofintegrated magneticsin resonantconverterscProceedings of APEC 97一Applied Power作者简介
21、：Electronics Conference，Atlanta，US，1997，2：925李 季 (1981一)，男，博士研究生，主要从事现代电器设备930的设计、优化及仿真、自耦补偿与谐波屏蔽换流变压器的研7 瓦修京斯基 CB变压器的理论与计算 M崔立君，制及对应的高压直流输 电新理论研究工作 Email：杜恩田，译北京：机械工业出版社，1983edisonjephotmailcorn8李季，罗隆福，许加柱 (Liji，LuoLongfu，XuJiazhu)罗隆福 (1962一)，男，教授，博士生导师，主要从事现代电器电力机车主变压器的三维油箱损耗有限元分析 (3D装备新技术研究及其优化设计、高压直流输电新理论研究finite elementanalysisofthe transformertank lossin工作。Email：llfhnucnelectriclocomotive)J高压电器 (High Voltage许加柱 (198O一)，男，博士研究生，主要从事现代电器设备Apparatus)，2005，41(3)：186 189的设计、优化及仿真研究。Email：xujiazhu02hotmailcorn