电气化铁路节能型卷铁心牵引变压器建模与仿真

摘要

随着电气化铁路的快速发展，牵引变压器的数量和容量变得越来越大，而我国电气化铁路牵引负荷率却不高，使得牵引变压器的空载损耗问题变得不容忽视。因此，牵引变压器的节能研究就变得刻不容缓。相比于其他的变压器节能技术，卷铁心技术在经济性与可行性等方面具有一定优势。节能型卷铁心牵引变压器采用卷铁心技术为核心技术。该节能型卷铁心牵引变压器因其铁心特殊性，利用常规的分析方法在仿真时会存在一些欠缺，而有限元法在仿真分析这类特殊结构的变压器时具有优势。以往的卷铁心变压器有限元研究多集中于农网和城网配电变压器等方面，就牵引变压器而言，这类研究还比较缺乏。本文在Ansoft Maxwell中建立了节能型卷铁心牵引变压器的有限元模型，并对建模方法进行了验证。运用该有限元模型，主要完成了以下工作:
　　节能型卷铁心牵引变压器的空载试验及短路试验仿真。结合实际绕组的接线方式，设计并搭建了节能型卷铁心牵引变压器三维瞬态场有限元模型的外加激励电路模型，利用有限元模型对节能型卷铁心牵引变压器进行了仿真。仿真结果表明:与同等容量叠铁心牵引变压器相比，节能型卷铁心牵引变压器空载电流下降50％左右，空载损耗减少24％左右，短路电压百分比也有所下降。仿真结果与理论分析结果相符。
　　铁心温度场仿真。运用ANSYS Workbench仿真平台搭建了节能型卷铁心牵引变压器的电磁—热耦合仿真模型，结合过负荷曲线，对其在不同负荷情况下的铁心温度分布进行了仿真。仿真结果表明该卷铁心满足牵引变压器过负荷运行要求。相比于同等容量的叠铁心变压器，节能型卷铁心牵引变压器铁心内温度分布更加均匀，平均温度更低，该仿真结果与卷铁心磁通分布更加均匀的理论分析结果相符，同时也验证了温度场仿真模型的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 变压器节能技术研究现状

1．2．2 变压器建模方法研究现状

1．2．3 电磁场分析方法研究现状

1．2．4 电磁场仿真软件发展现状

1．3 本文主要工作

第2章 节能型卷铁心牵引变压器有限元建模

2．1 卷铁心结构分析

2．1．1 结构形式

2．1．2 节能原理

2．2 节能型卷铁心牵引变压器描述

2．2．1 铁心结构及材料选择

2．2．2 绕组排列结构

2．3 节能型卷铁心牵引变压器有限元建模方法

2．3．1 有限元分析方法

2．3．2 模型设计

2．4 节能型卷铁心牵引变压器模型设计

2．4．1 几何模型设计

2．4．2 激励源及边界条件选择

2．4．3 网格剖分及其计算原理

2．5 同容量叠铁心变压器模型设计

2．6 本章小结

第3章 变压器有限元建模方法验证

3．1 有限元模型参数计算

3．1．1 铁心直径计算

3．1．2 绕组匝数计算

3．2 有限元模型前处理

3．2．1 变压器模型参数

3．2．2 激励电路模型设计

3．2．3 网格剖分

3．3 仿真结果

3．4 仿真结果对比与结论

3．5 本章小结

第4章 节能型卷铁心牵引变压器有限元仿真

4．1 Ansoft Maxwell三维瞬态场计算原理

4．2 激励电路模型设计

4．2．1 设计思路

4．2．2 激励电路模型设计

4．2．3 激励电路模型导入

4．2．4 铁损选项添加

4．3 节能型卷铁心牵引变压器仿真结果

4．4 叠铁心变压器仿真结果

4．5 仿真结果分析

4．6 本章小结

第5章 基于电磁-热耦合的节能型卷铁心牵引变压器铁心温度分布仿真

5．1 问题描述

5．2 电磁-热耦合仿真设计方法

5．3 基于Ansoft Maxwell的三维涡流场建模仿真

5．3．1 三维涡流场计算原理

5．3．2 涡流场前处理设置

5．4 稳态热仿真模型设置

5．4．1 创建热学分析和数据共享

5．4．2 前处理设置

5．5 仿真结果及分析

5．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研情况