一种直线移相变压器等效电路建模及其性能参数获取方法技术

本发明专利技术属于变压器领域，公开了一种直线移相变压器等效电路建模及其性能参数获取方法，分析直线移相变压器稳态运行时一次侧绕组与气隙之间的电磁关系，以及直线移相变压器的麦克斯韦方程组；基于一维场的理论，建立并求解直线移相变压器计及纵向边端效应时的等效电路。同时还公开了性能参数获取方法，包括：对建立等效电路模型进行求解，得到一次侧绕组的电阻与漏抗，励磁电抗、二次侧绕组电阻；基于等效电路求解结果计算直线移相变压器的性能参数。本发明专利技术在电磁分析中考虑变压器的实际情况，模型更为精确，计算精度高，可以快速有效地计算出变压器的绕组损耗、效率和电压调整率等性能参数，在实际计算分析中也较为方便，实用价值高。高。高。

【技术实现步骤摘要】
一种直线移相变压器等效电路建模及其性能参数获取方法


[0001]本专利技术属于变压器
，尤其涉及一种直线移相变压器等效电路建模及其性能参数获取方法。

技术介绍

[0002]直线移相变压器是借鉴直线电机的结构与原理所提出的新型移相变压器，其一、二次侧长度相等且固定不动，一次侧通入三相交流电后在气隙内产生行波磁场，二次侧导体产生感应电流，通过对控制电路与绕组接入位置的设计起到移相的作用，理论上可以实现任意相数的移相，极大简化了移相变压器的结构。与传统移相变压器相比，直线移相变压器具有绕组结构简单、易于模块化和可任意角度移相的优点，可用于舰船供电、电动汽车、户外电源等微电网系统中，在满足电气隔离的条件下，能够消除高次谐波，改善输出侧波形品质。
[0003]直线移相变压器的绕组结构有不等节距型、发卡式和环形三种类型，不同绕组结构的铁心体积与铜线重量有较大区别，气隙磁场的分析也受到绕组结构的影响。因此在分析直线移相变压器的效率、温升、电压调整率、三相不对称度和输出电压谐波含量等各种性能参数时需要考虑不同绕组结构下各个参数的差别。
[0004]直线移相变压器主要有数学模型和等效电路两种模型，数学模型主要用来描述变压器的暂态过程，等效电路侧重于直线移相变压器的电与磁的关系。两种模型相互存在联系，在一定条件下可以相互转化，但又存在较大的不同，前者多用于分析直线移相变压器暂态性能计算，可为控制研究提供策略，后者多用于描述直线移相变压器的稳态电磁关系，可用于分析稳态运行特性，为直线移相变压器的设计优化提供指导。r/>[0005]目前常用的直线移相变压器T型等效电路模型假设一次侧绕组中各相的电动势是对称的，实际上由于各种因素的影响导致各相电动势并不对称。另外还存在以下不足：一是未考虑一次侧各相绕组电动势不对称的影响；二是未考虑直线移相变压器不同绕组结构产生的影响；三是未考虑直线移相变压器由于自身铁心结构而存在的边端效应、绕组分布不对称以及磁路开断等问题产生的影响。
[0006]直线移相变压器等效电路模型的建立主要有两种方法，1)基于气隙磁密分布模型推导的等效电路。2)基于电磁场理论推导等效电路。第一种方法计算精度较低，且气隙磁场的解析式只有在一次侧电流已知的基础上才能够计算得来，实际上通常只已知一次侧的输入电压。第二种方法基于电磁场理论及实际变压器模型，结合边界条件可以解出各个区域场量的解析表达式，计算精度较高，且通常已知一次侧的输入电压。因此本文采用电磁场分析的方法对气隙磁场的表达式进行求解，并根据场路复功率相等的原则推导出边端效应系数，得到计及边端效应时的直线移相变压器等效电路。
[0007]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0008](1)目前常用的直线移相变压器T型等效电路模型假设一次侧绕组中各相的电动势是对称的，实际上由于各种因素的影响导致各相电动势并不对称，未考虑一次侧各相绕
组电动势不对称的影响。
[0009](2)现有技术未考虑直线移相变压器不同绕组结构产生的影响。
[0010](3)现有技术未考虑直线移相变压器由于自身铁心结构而存在的边端效应、绕组分布不对称以及磁路开断等问题产生的影响。

技术实现思路

[0011]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种直线移相变压器等效电路建模及其性能参数获取方法。
[0012]本专利技术是这样实现的，一种直线移相变压器等效电路建模方法，所述直线移相变压器等效电路建模方法包括：
[0013]步骤一，分析直线移相变压器稳态运行时一次侧绕组与气隙之间的电磁关系，并分析直线移相变压器的麦克斯韦方程组；
[0014]步骤二，基于一维场的理论，建立并求解直线移相变压器计及纵向边端效应时的等效电路。
[0015]进一步，所述步骤一，具体包括以下流程：
[0016](1)根据麦克斯韦方程组建立直线移相变压器的电磁场关系和方程式。
[0017](2)引入矢量磁位A，将气隙的磁通密度和感应电场强度用矢量磁位表示出来。
[0018](3)根据场路复功率相等的原则，可以写出一次侧输入电能等于气隙部分、二次侧部分的复功率之和。
[0019]进一步，具体包括以下流程：
[0020](1.1)建立直线移相变压器的麦克斯韦方程组:
[0021][0022]式中，B为磁通密度，H为磁场强度，E为电场强度，j1为一次侧导体电流密度，j2为二次侧导体从行波磁场中感应出来的电流密度，μ0为铁心磁导率，σ为二次侧电导率；
[0023](1.2)由场路复功率相等的关系可得
[0024][0025]式中，为一次侧平衡气隙相电势有效值，P2、P3为二次侧和气隙中的有功功率，等效为P3＝0，Q2、Q3为二次侧和气隙中的无功功率，为一次侧相电流有效值，m1为一次侧相数；一次侧电流层的幅值与一次侧相电流的有效值的关系为
[0026][0027]式中，p为极对数，τ为极距，J1为行波电流密度幅值，W1为一次侧绕组每相串联匝
数，k
w1
为一次侧绕组系数。
[0028](1.3)引入矢量磁位A，则增加以下两式
[0029][0030][0031]式中，B
3y
为气隙中磁通密度在坐标y上的分量，A
3z
为气隙中矢量磁位的z分量，E
3z
为气隙中感应电场强度的z分量。
[0032]进一步，所述相关假设，包括：
[0033](2.1)用表面电流层代表一次侧磁势，只考虑基波分量；
[0034](2.2)用气隙系数考虑一次侧齿和槽的影响；
[0035](2.3)铁心饱和、磁滞损耗和二次侧导体的集肤效应均忽略不计；
[0036](2.4)电流都沿坐标Z方向流动；
[0037](2.5)各种场量都随时间按正弦规律变化。
[0038]进一步，所述等效电路包括：区域1、区域2、区域3、区域4、区域4，所述区域1为一次侧支路，所述区域2为二次侧支路，区域三为气隙区域，区域4为坐标x＝0区域，区域5为端部磁通。
[0039]进一步，步骤二包括：
[0040](1)假设一次侧电流层为已知条件，并写出一次侧绕组中导体的线电流密度表达式，建立气隙的磁通密度和一、二次侧电流层的关系。
[0041](2)求出气隙中矢量磁位的z分量。
[0042](3)根据边界上磁场强度切线分量相等和磁通连续性定理计算出各个系数的表达式。
[0043](4)忽略横向端部效应，只考虑纵向端部效应，求出气隙中电场强度的z分量。
[0044](5)总复功率为z方向单位长度的复功率乘上z方向长度，可求出由一次侧传到二次侧级和气隙中的总复量功率。
[0045]进一步，所述建立并求解直线移相变压器计及纵向边端效应时的等效电路，具体包括以下流程：
[0046](1)假设变压器表达式为：
[0047]j1＝J1e
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计及边端效应的克莱姆绕组式直线移相变压器等效电路建模方法，其特征在于，所述计及边端效应的克莱姆绕组式直线移相变压器等效电路建模方法包括：步骤一，分析直线移相变压器稳态运行时一次侧绕组与气隙之间的电磁关系，并分析直线移相变压器的麦克斯韦方程组；步骤二，基于一维场的理论，建立并求解直线移相变压器计及纵向边端效应时的等效电路。2.如权利要求1所述计及边端效应的克莱姆绕组式直线移相变压器等效电路建模方法，其特征在于，所述步骤一具体包括以下流程：(1)根据麦克斯韦方程组建立直线移相变压器的电磁场关系和方程式；(2)引入矢量磁位A，将气隙的磁通密度和感应电场强度用矢量磁位表示出来；(3)根据场路复功率相等的原则，可以写出一次侧输入电能等于气隙部分、二次侧部分的复功率之和。3.如权利要求1所述计及边端效应的克莱姆绕组式直线移相变压器等效电路建模方法，其特征在于，所述直线移相变压器简化的二维模型包括：区域1、区域2、区域3、区域4，所述区域1为一次侧铁心，所述区域2为二次侧铁心，区域三为气隙区域，区域4为坐标x＝0区域，区域5为x＝2pτ区域；直线移相变压器计及边端效应T型等效电路组成部分有一次侧绕组电阻、一次侧绕组漏抗、励磁电抗、二次侧绕组归算到一次侧的电阻值；直线移相变压器一、二次侧的铁心完全对称且固定不动，一次侧绕组采用整距的绕组结构，共有十二相，二次侧绕组采用长短距配合的绕组结构，共有三相。4.如权利要求1所述计及边端效应的克莱姆绕组式直线移相变压器等效电路建模方法，其特征在于，所述步骤二具体包括以下流程：(1)假设一次侧电流层为已知条件，并写出一次侧绕组中导体的线电流密度表达式，建立气隙的磁通密度和一、二次侧电流层的关系；(2)求出气隙中矢量磁位的z分量；(3)根据边界上磁场强度切线分量相等和磁通连续性定理计算出各个系数的表达式；(4)忽略横向端部效应，只考虑纵向端部效应，求出气隙中电场强度的z分量；(5)总复功率为z方向单位长度的复功率乘上z方向长度，可求出由一次侧传到二次侧级和气隙中的总复量功率。5.一种实施如权利要求1
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4任意一项所述计及边端效应的克莱姆绕组式直线移相变压器等效电路建模方法的计及边端效应的克莱姆绕组式直线移相变压器性能参数获取方法，其特征在于，所述计及边端效应的克莱姆绕组式直线移相变压器性能参数获取方法包括：(2.1)采用基于一维场分析并计及边端效应克莱姆绕组结构式直线移相变压器的等效电路建模方法；(2.2)对等效电路模型进行求解，得到二次侧绕组电阻、励磁电抗、一次侧绕组的电阻与一次侧绕组的漏抗；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵镜红，周长朵，严思念，熊义勇，王涵铭，严冬傲，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：