基于Ansoft的高铁牵引电机用新型电压互感器研究

孟祥鹏，孙富华

基于Ansoft的高铁牵引电机用新型电压互感器研究

孟祥鹏，孙富华

给出了一种针对高速动车组牵引电机电压测量的新型电压互感器设计方案，通过搭建基于Ansoft的模型及典型工况下的仿真分析，表明该方案设计合理，可为同类产品的设计与批量生产提供参考。

电压互感器；Ansoft软件；有限元方法

0 引言

近年来，选择高速动车组出行的人越来越多，为了适应经济和社会的快速发展，我国的铁路交通运输行业发展较快[1]，高速动车组也随之快速发展。为确保高速动车组安全、平稳、快速运行，高速动车组上的各类部件也必须保持可靠的工作状态。其中，安装在牵引电机侧的电压互感器对列车的安全运行起着至关重要的作用[2]，它能够实时测量电机的电压和频率，并将其及时传送至合并单元模块，经数据处理模块计算后，将计算结果传输到列车驾驶室内的显示模块进行显示。

动车组运行速度越来越高，牵引电机的功率和电压也越来越高，为与之相适应，本文对高速动车组牵引电机电压测量的新型电压互感器的设计方案进行研究。

1 基于Ansoft的电压互感器有限元模型

有限元法是一种以部分代替整体的计算方法，可以将待求微分方程离散化，然后编写计算机代码，依靠计算机帮助求解[3]。

本文采用通用有限元软件Ansoft，在保证模型完整性基础上，建立适当简化的三维三相新型电压互感器模型，并采用有限元法进行三维磁场分析并计算参数。通过运用这些方法，可大大提高计算精度和效率，缩短电压互感器的设计时间并降低设计成本。Ansoft Maxwell 3D电磁场有限元仿真流程图见图1。

新型电压互感器的设计方案是基于铁芯阶梯接缝技术对铁芯进行优化设计，应用高精度新型电压互感器对电压信号进行采集，可确保电压互感器允许的误差范围。现在的产品不断向着高度集成、节能环保、人工智能方向发展，牵引电机用电压互感器二次侧输出电压值较小，便于合并单元模块的数字信号处理，并将采集的信息实时传递到驾驶室。本文所述的基于阶梯接缝技术的新型电压互感器不但具有传统电磁式电压互感器的结构和输出低电压能力，而且还具有励磁电流小和损耗小的优点。

电压互感器的数值计算，首要需要解决的问题是建立数学模型。一个好的数学模型既可准确反映客观实际，还可满足易于求解的要求。因此建模时通常需对其进行适当简化，忽略若干次要因素[5]。基于有限元Ansoft软件建立的新型电压互感器数学模型如图2所示。

图1 有限元仿真流程

图2 新型电压互感器数学模型

2 新型电压互感器参数值给定

新型电压互感器测量系统包括电压变换部分、输出信号调理部分、计算机数字信号处理部分和上位机显示部分。

新型电压互感器对牵引电机的输入电压进行检测，首先将高电压信号转换为低电压信号，然后对低电压信号进行处理，并传输给合并单元进行计算，最后在上位机上显示检测电压。牵引电机的额定运行参数见表1。

表1 CRH2型高速动车组牵引电机额定运行参数

结合表1，通过计算整理可得新型电压互感器基本参数，如表2所示。

表2 新型电压互感器的基本参数

由于电压互感器的负荷比较低，可选用解析法导出其暂态磁通表达式，以更方便分析牵引电机用电压互感器的工作机理。图3为电压互感器的空载合闸等效电路图。

图3 电压互感器空载合闸等效电路

对电压互感器的合闸进行原理分析，由于一、二次漏电感很小，可以忽略不计，设u1=Umcos(wt+α)，由物理关系推导可得

式中，α为电压互感器投入时的电压初相角，R1为电压互感器的绕组电阻，φ为初级绕组每匝磁通，ψ为初级绕组的磁链，即初级绕组的磁通总和。

由式（1）可得

式中，L为电压互感器绕组的电感常数。

设定边界条件φ(0)=φr，φr为t=0时的剩磁通，求解式（2）可得

由式（3）可知，暂态磁通φ由以正弦变化的周期稳态分量φmsin(α+θ+wt)和以指数衰减的非周期分量组成，因而暂态磁通的大小是这2个分量大小的总和[11]。

有限元软件Ansoft Maxwell三维瞬态场将根据搭建模型时选择的激励源形式进行网格剖分。如果求解的结果未达到要求，软件算法将自动进行迭代计算，直到仿真计算结果符合收敛条件。由于电压互感器的模型比较规则，在分析时可以选择模型的一半进行网格剖分计算，以缩短仿真计算时间。如图4所示为新型电压互感器的模型网格剖分图。

图4 新型电压互感器的网格剖分图

为了查看更加详细的剖分结果，对建立的数学模型进行更加细化的剖分，可通过执行软件中的Maxwell 3D/Results/Solution Data命令弹出如图5所示模型网格的剖分信息表。表格信息中显示了模型绕组、铁芯以及求解域等各个部件的剖分单元数目、剖分单元最大边长、最小边长、平均边长以及剖分单元最大面积、最小面积、平均面积等信息。

图5 新型电压互感器的剖分信息

3 新型电压互感器励磁电流及磁通仿真

电压互感器的励磁电流和励磁磁通反映了其铁芯的特性，在软件中通过执行Maxwell 3D/Results/Create Transient Report/Rectangular Stacked Plot中的Current和Fluxlinkage选项卡操作，调取新型电压互感器的励磁电流和励磁磁通波形图，如图6和图7所示。通过仿真图可知，无论是励磁电流还是励磁磁通均呈现了良好的波形，说明所设计的新型电压互感器具有良好的工作特性。

图6表明新型电压互感器的三相励磁电流的稳态最大值分别为0.009 3、0.006 9、0.011 3A，数值大小不同，上下不对称，应属于正常的自激现象。电压互感器的自激现象不会维持太久，经过短暂的调整就可达到其稳定工作状态下的波形图。整个过程未出现波形畸变的状况，曲线比较平滑，呈现良好的励磁特性。

图6 新型电压互感器的励磁电流波形

图7 新型电压互感器的励磁磁通波形

从图6可知，三相三柱式电压互感器的磁路系统是不对称的，中间相的磁路比两边稍短。因此，在情况下，中间芯柱的磁阻小，空载阻抗高，两旁的芯柱磁阻大于空载阻抗。所以刚通电时，中间相的励磁电流比另外两相的励磁电流小，形成了三相励磁电流不对称。经过铁芯优化的新型电压互感器的励磁电流为毫安级大小，励磁电流的减小可更加有效地将一次侧测量的电压信号传送到二次侧，通过信号的调理单元对电压信号进行处理并及时在上位机显示，从而方便了高铁列车驾驶人员对行车状况实时信息的查看。励磁电流的减小也使电流分量的有功分量变得更小，进一步减小了绕组损耗。

仿真图7表明A、B、C三相磁通的最大值分别为3.013 1、3.380 3和3.562 9 Wb。磁通大小不同是由3个芯柱上的励磁电流不同产生的结果。通过仿真图可知新型电压互感器200 ms以后稳态运行时励磁电流和励磁磁通数值的变化，通过软件自带功能选择345 ms和414 ms 2个时刻的励磁电流和励磁磁通数值，经计算，励磁电流和励磁磁通数值关系近似线性关系，说明新型电压互感器未发生电磁饱和，具有良好的工作特性。

4 新型电压互感器磁场仿真分析

电压互感器的磁感线可反映工作状态下铁芯内部磁感应强度分布状况，不同的深浅颜色表示磁场强度的大小。磁感线分布不均匀的现象会引起铁芯磁通密度增大，导致铁芯的电磁饱和。因此，观察电压互感器磁感线的走势具有十分重要的意义。新型电压互感器的磁感线分布情况如图8所示。

图8 新型电压互感器磁感线分布

通过图8可知，新型电压互感器的磁场分布均匀，不但没有磁感线越密磁感越强的缺点，而且磁密度很小，避免了电磁饱和的发生，减小了铁芯横截面积。经计算，在同等测量条件下，新型电压互感器铁芯重量减小了约50%，符合高速动车组轻量化的设计理念。

5 结语

应用有限元软件Ansoft Maxwell搭建新型电压互感器的有限元模型，并进行新型电压互感器在典型工况下的电磁特性仿真分析。仿真结果表明，模型搭建正确合理，设计计算正确。本文给出的采用阶梯接缝技术进行设计的新型电压互感器方案达到了设计目的，可为今后高铁牵引电机用电压互感器的产品定型设计和批量生产提供参考和依据。

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The paper puts forward the scheme for designing a new type potential transformer for measurement of traction motor voltage of high speed traction motors,illustrates that the design scheme is rational after simulation and analysis on the basis of the model established with Ansoft under typical work conditions,providing references for design and batch production of thesimilar products.

Potential transformer;Ansoft software;finite element method

U224.2+4

A

1007-936X(2017)06-0020-05

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.006

孟祥鹏.上海铁路局徐州供电段，助理工程师；孙富华.上海铁路局徐州供电段，助理工程师。

2017-04-05