平板式移相變壓器的磁場(chǎng)分析

王眾，趙鏡紅，孫盼，李兵

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平板式移相變壓器的磁場(chǎng)分析

王眾，趙鏡紅，孫盼，李兵

（海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033）

提出了一種應(yīng)用于多脈波整流的移相變壓器，該新型移相變壓器采用直線電機(jī)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造等優(yōu)點(diǎn)。介紹了其工作原理。在不考慮平板式移相變壓器的縱向端部效應(yīng)和橫向端部效應(yīng)的前提下，分析了平板式移相變壓器的磁場(chǎng)分布，為以后平板式移相變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

多脈波整流 移相變壓器 磁場(chǎng) 直線電機(jī)

0 引言

文獻(xiàn)[1]對(duì)多脈波整流技術(shù)的現(xiàn)狀做了詳盡的介紹，總結(jié)了現(xiàn)有的多脈波整流技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的諸多不足。尋找一種低容量，可以交、直流側(cè)電隔離的新型移相變壓器拓?fù)涫俏磥矶嗝}波整流技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。圖1所示的平板式移相變壓器就是一種新的移相變壓器拓?fù)洌腔谥本€感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，稍作改進(jìn)而來。因此需要對(duì)這種新型移相變壓器的磁場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，以便于以后進(jìn)一步的研究。

圖1 平板式移相變壓器二維示意圖

1 平板式移相變壓器的工作原理

我們知道，通過向旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)的定子繞組供對(duì)稱正弦三相電，其氣隙中就會(huì)產(chǎn)生沿氣隙方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)正弦磁場(chǎng)，然后轉(zhuǎn)子繞組會(huì)產(chǎn)生正弦電流，從而受力旋轉(zhuǎn)。如果對(duì)其轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)，引出轉(zhuǎn)子繞組，會(huì)得到一個(gè)正弦的電壓或者電流。如果把旋轉(zhuǎn)電機(jī)從一半徑剖開，展開成直線電機(jī)，同樣的對(duì)其原邊繞組供對(duì)稱正弦三相電，它的氣隙中會(huì)產(chǎn)生平移的幅值不變的正弦磁場(chǎng)，從而在次邊繞組中會(huì)產(chǎn)生正弦電流。如圖1所示的平板式移相變壓器，對(duì)其原邊繞組中的ABC三相施加對(duì)稱的正弦三相電，其氣隙中就會(huì)產(chǎn)生平移的正弦磁場(chǎng)，次邊繞組中的六個(gè)繞組會(huì)感應(yīng)出兩組相位相差30°的三相電。

這種新型平板式移相變壓器有著直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)，接線和繞組都比傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)更加方便；同時(shí)能夠做成方形結(jié)構(gòu)，便于模塊化，在需要大電壓或大電流的時(shí)候，通過多個(gè)平板式移相變壓器的串并聯(lián)就能實(shí)現(xiàn)；它的初級(jí)鐵心和次級(jí)鐵心通過螺栓固定在一起，相對(duì)靜止，因此它的氣隙可以通過調(diào)整初級(jí)鐵心和次級(jí)鐵心間的墊片厚度就能調(diào)整氣隙的大小，如果是旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)，這基本上是不可能的；另外通過對(duì)次邊開槽數(shù)目的調(diào)整，可按需要制成用于任意脈波整流的移相變壓器（圖1是用于十二脈波整流的移相變壓器）。

2 平板式移相變壓器的物理模型

為了能夠有效的使用麥克斯韋方程組分析該平板式移相變壓器內(nèi)部的電磁場(chǎng)，必須把開了槽的初級(jí)鐵心用一光滑表面所代替，用一理想的無限薄的電流層來代替初級(jí)繞組中的電流，這個(gè)電流層用線電流密度表示。

圖2 二維理想場(chǎng)模型

—電機(jī)極距；—電源角頻率；1—初級(jí)繞組的相數(shù)；1——初級(jí)繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；w——初級(jí)繞組系數(shù)；1——初級(jí)繞組的極對(duì)數(shù)；1——初級(jí)相電流的有效值；

圖3 多層通用模型

3 平板式移相變壓器的電磁場(chǎng)方程式和解析解

為求得平板式移相變壓器的電磁場(chǎng)，首先得對(duì)如圖4所示的區(qū)域n的電磁場(chǎng)問題進(jìn)行分析。

圖4 區(qū)域n的通用模型

由式(1) ~ (3) 和式(6) 可以得到

將式(4) 入式(8) 可得

式中，

式中：n——電磁波的透入深度，

又因?yàn)?i>B是和的函數(shù)。可以表示為

將式(11) 帶入(10)得到

式中：B—B在坐標(biāo)y上的分量；

B—B在坐標(biāo)x上的分量。

帶入式(12) 中可求得

式中1、2——積分常數(shù)。

同理B可表示為

由磁場(chǎng)連續(xù)原理得

將式(15)和式(16)帶入式(17)中，可得

由式(6) 和式(18)得

式中，

式(22) 和式(23) 可表示成矩陣形式

如果D趨于無窮大，則B趨于0，于是得

對(duì)于第1區(qū)域，有

(28)

如果1趨于無窮大，0趨于0，于是得

由式(24) 考慮各個(gè)邊界上的邊界條件，可得到

于是由式(27) 、式(30) 、式(31)和式(32)求得1、1、r、r、N-1、N-1。再根據(jù)(24可求出圖3中任意邊界上的n和n。

4 結(jié)論

本文介紹了一種用于多脈波整流的新型移相變壓器——平板式移相變壓器，介紹了其工作原理并說明了其優(yōu)點(diǎn)，在不考慮平板式移相變壓器的縱向端部效應(yīng)和橫向端部效應(yīng)的前提下，計(jì)算了平板式移相變壓器的磁場(chǎng)分布n和n，為以后平板式移相變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

[1] 孟凡剛, 楊世彥, 楊威. 多脈波整流技術(shù)綜述[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2012, 32(2): 9-22

[2] A.E. Fitzgerald, Charles Kingsley,Jr., Stephen D. Umans. Electric Machinery[M], Sixth Edition, 2004.

[3] 王鐵軍, 饒翔, 姜小弋等. 用于多重化逆變的移相變壓器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(6): 32-37.

[4] Jin Xu, Weiming Ma, Junyong Lu, et al. Analysis of magnetic field distribution and parameter calculation of linear induction motor with novel winding construction[C]. XIX ICEM Rome, 2010.

[5] 湯蘊(yùn)璆, 梁燕萍. 電機(jī)電磁場(chǎng)的分析與計(jì)算[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

[6] Nasar S A，Boldea I. Linear Motion Electric Machine [M]. New York: Wiley, 1976.

[7] 許金, 馬偉明, 魯軍勇. 無槽雙邊長(zhǎng)定子直線異步電動(dòng)機(jī)二維磁場(chǎng)分布及電磁力計(jì)算[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 23(9): 38-44.

Field Analysis of Flat Phase-shifting Transformer

Wang Zhong, Zhao Jinghong, Sun Pan, Li Bing

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM402

A

1003-4862（2014）12-0035-04

2014-05-08

王眾（1989-），男，研究生。研究方向：電機(jī)與電器。