[發明專利]一種計及鐵心磁飽和的牽引變壓器渦流損耗求解方法

有效

• 申請號: 202011532346.8
• 申請日: 2020-12-23
• 公開（公告）號: CN112632458B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 周利軍;李沃陽;張陳擎宇
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F17/14
• 分類號: G06F17/14;G06F17/18
• 代理公司: 武漢聚信匯智知識產權代理有限公司 42258
• 代理人: 馬尚偉

本發明公開了一種計及鐵心磁飽和的牽引變壓器渦流損耗求解方法，通過構建基于非線性媒質關系的硅鋼片二維磁準靜態場麥克斯韋方程，并引入工頻條件下集膚效應可忽略的特性，提出了適用于磁飽和條件的牽引變壓器鐵心渦流損耗的簡化計算模型。本發明的有益效果在于有助于提出一種更符合材料物性和運行工況的渦流損耗評估方法，能為牽引變壓器生產優化設計和服役性能測評提供必要的數據保障。

技術領域

本發明屬于電氣設備電磁分析與數值計算領域，具體涉及一種計及鐵心磁飽和的牽引變壓器渦流損耗求解方法。

背景技術

隨著我國國家經濟的迅速發展，高速鐵路里程數不斷增加，乘坐高鐵出行成為了人們的重要出行方式。牽引變壓器作為牽引供電系統中的關鍵設備，具備短時沖擊負荷大、空載時間長的運行特點，對其鐵心能耗的評估與優化研究具有重要的工程價值。而渦流損耗作為鐵心能耗的重要組成部分，為對牽引變壓器鐵心損耗進行進一步優化研究，提出一種足夠精確的牽引變壓器渦流損耗求解方法具有迫切的工程意義。

磁飽和是鐵磁材料的一種物理特性，即材料所能通過的磁通量不可以無限制增大進而維持在一定數量的狀態。牽引變壓器鐵心由鐵磁材料硅鋼片疊制而成，當鐵心處于磁飽和狀態，將會出現空載電流增大、鐵心過熱、低次諧波增多、損耗增加等后果。在實際工程中，由于瞬時沖擊負荷等因素，牽引變壓器鐵心可能會出現磁飽和，勵磁電流不再保持正負半波堆成，且半波內出現尖頂波，產生大量低次諧波，同時導致變壓器損耗顯著增加。在傳統計算公式中，渦流損耗正比于頻率和磁通密度，這種公式無法解釋磁飽和情況下的損耗異常增加現象，誤差較大，不能滿足牽引變壓器發展對損耗計算精度更高的要求。為此，提出一種考慮牽引變壓器鐵心磁飽和狀態的渦流損耗計算公式顯得尤為重要。

發明內容

本發明的目的是提供一種計及鐵心磁飽和的牽引變壓器渦流損耗求解方法，并通過如下技術手段實現：

1)磁飽和情況下，勵磁電流低次諧波分量顯著增加，由于勵磁電流函數滿足狄利克雷充分條件，為分析其諧波性質對其進行傅里葉變換，展開式為：

式中勵磁電流I₀被分解為直流分量和相互正交的基波與各次諧波a_ncosnωt和b_nsinnωt。由于牽引供電系統電流不存在直流分量，并具有周期性質，在勵磁電流一個周期內，可將上式簡化為：

式中I_n表征為勵磁電流基波與各次諧波的幅值，I_n數值依據傅里葉分解性質求得：

由于電網為平衡的三相系統，在平衡的三相系統中，偶次諧波互相抵消，可近似忽略勵磁電流的偶次諧波，將其表達式簡化為：

式中k∈{0,1,2,3…}，由于諧波幅值與諧波次數呈反比，高次諧波對渦流損耗影響較小，計算僅考慮基波與三次諧波作用，故進一步簡化表達式得：

I₀＝I₁cosωt+I₃cos3ωt；

2)由于牽引變壓器鐵心所采用的硅鋼片是冷軋取向型，其在卷繞過程中無論是在心柱、鐵軛還是拐角，都與導磁性能最佳的方向保持一致，可將全電流定律標量化為式中H為磁場強度、N為線圈匝數、l為牽引變壓器鐵心橫截面的幾何中心所在磁路的長度。由此將勵磁電流表達式代入得到牽引變壓器鐵心磁飽和條件下得磁場強度表達式：

式中k∈{0,1,2,3…}，計算僅考慮基波與三次諧波作用，得其簡化表達式為：

H_m＝H₁cosωt+H₃cos3ωt