HXD1B机车辅助变流系统中高阻抗变压器的变压比设计

2010年第3期 2010年5月10日 机 车 电 传 动 ELECTRICDRIVEFORLoCOMoTlVES №3，2010 May10．2010 作者简介：黄细友(1965一)， 摘要：·简述了HXDIB机车辅助变压器的特殊结构，对辅助变压器的T作原理、空载运行特点男，高级工程师，现从事机 及变压比计算进行了理论分析，结合具体计算过程说明了辅助变压器计算中应注意的问题，总结了车变压器产品开发工作。 HXDIB机车辅助变压器的经验和实验数据。 关键词：辅助变流供电系统；辅助变压器；磁集成技术；高阻抗电压；高空载电流；空载运行； 变压比；HXDIB机车 中图分类号：U264．2+23；TM426文献标识码：A文章编号：1000-128X(2010)03-0005一04 DesignOHTransformationRatioofTransformerwithHigh—impedance forAuxiliaryConverterSysteminHXDlBLocomotive HUANGXi-youl，CIⅢNⅪ粕g-HIl92，LONGGu-zon91 (1．CSRZhuzbouElectricCo．，Ltd，Zhuzhou，Hunan412001，China； 2．HunanRailwayProfessionalTechnologyCollege，Zhuzhou，Hunan412001，China) Abstract：Tllispaperbrieflyintroducedthespecificstructureofthetransformerwithhigh-impedanceforauxiliaryconvertersystemin HXDlBelectriclocomotive．Thetheoryanalysisaboutprinciples，no-loadoperation，andtransformationratiooftheauxiliarytransformer werepresented．Combiningthepracticalcalculationprocess．theproblemsshouldbepayattentionabouttheauxiliarytransformer．ne expe五enceandtestdataalesmmn{lrized． Keywords：auxiliaryconverterpowersystem；auxiliarytransformer；magnetic—·integrationtechniques；high--impedancevoltage；high no—loadcurrent；no-loadoperation；transformationratio；HXDIBlocomotive 0引言 南车株洲电力机车有限公司自主设计的HXDIB六 轴交流传动电力机车采用三相异步电动机驱动，该车 辅助供电电路的供电模式采用西门子系机车模式Hl， 主变流器的中间直流环节为辅助变流器提供电源，中 间直流环节的直流电压为3700V，辅助变流器输出三 相l672V／60Hz电压，再采用三相干式变压器将辅助逆 变器的输出电压变换到机车辅助系统设备的电压要求 值440V。该三相干式变压器被称为机车的辅助变压器。 HXDlB六轴交流传动电力机车辅助供电系统框图 如图1。 机车牵引变流器内部设置有2个完全独立的辅助 收藕日期：2009—11—27 辅助逆变器模块l 辅助变压器1 滤波电容器 辅助逆变器模块2 辅助变压器2 滤波电容器 图l HxDlB六轴交流传动电力机车辅助供电系统框图 逆变器(PWMI)模块l和模块2将3700V的直流电压分别 转换为变频、变压和恒频、恒压的三相交流电压，分别 研究开发 万方数据 机 车 电 传 动 为2台辅助变压器l、2供电。辅助变压器1将变频、变压 的三相交流电压变换为三相80—440V／10～60Hz的电压 供给机车的各类通风机电机；辅助变压器2将恒频、恒 压的三相交流电压变换为三相440V／60Hz的电压供给 机车的空气压缩机电机、油泵电机和空调电机【4J。 南车株洲电机股份有限公司2008年开始自主研发 该型机车辅助变流供电系统中使用的辅助变压器，2009 年实现批量生产。笔者结合HXDlB六轴交流传动电力 机车辅助供电系统中辅助变压器的特殊结构，对辅助 变压器的工作原理、空载运行特点及变压比计算进行 了分析，总结了HXDlB六轴交流传动电力机车辅助变 压器的设计经验和试验数据。 1 电力机车辅助变压器工作原理及特点 1．1 辅助变压器电气参数特点 HXDlB电力机车辅助供电系统中辅助变压器主要 技术参数如下： 额定容量 相数 额定频率 联结组别 变压器变压比 阻抗电压 漏电感(折算到一次侧) 空载电流 二次侧的输出电压／ 频率特性如图2。 可以看出辅助变压器 的电气参数具有下列2个 特点： ①高阻抗电压 HXDlB机车辅助变压 器的阻抗电压为40．5％，折 算到一次侧的漏电感为 300kVA 3相 60Hz Dyn5 3．8 40．5％ 28mH 9％一13％ 图2 辅助变堠器二次侧 输出电压，频率特性fl}l线 28mH，与3kV级同等容量干式电力变压器4％的阻 抗电压值拍1相比，其阻抗电压值大大高于常值。 ②高空载电流 在一般的变压器中，空载电流一般小于2％t61，空载 电流在变压器一次绕组上产生的电压降很小，工程汁 算中可以忽略¨j。但HXDIB电力机车辅助系统中变压器 的额定容量为300kVA，空载电流却要求为9％．13％， 从变压器的一次侧计算，其空载电流为9．9～14．3A，大 大高于一般变压器空载电流的百分值。 因为该辅助变压器的空载电流和阻抗电压不同于 常值，使得该辅助变压器的结构、空载运行、变压比设 计具有不同的特点。 1．2辅助变压器结构特点 在HXDlB六轴交流传动电力机车辅助供电系统框 图中，辅助变压器连接于辅助IGBT逆变器之后，由于 IGBT逆变器的输出电压和电流为一脉宽调制波，含有 丰富的高次谐波分量。为改善电源质量，需在机车辅 助供电系统中设置滤波环节将谐波电流分流，减少系 统中电流的波形畸变。 HXD!B六轴交流传动电力机车辅助供电系统利用 辅助变压器的电感与后续的电容一起组成正弦波滤波 器，从而可以不再另外设置单独的滤波电抗器。同时 将变压器和电抗器集成在一起组成磁集成变压器的磁 集成技术来实现高阻抗，所谓磁集成技术就是将2个 或多个分立磁件制作成一体，从结构上集中在一起心1。 辅助变压器绕组和铁心截面结构示意图如图3。 U相主铁心 v榴 二次绕组 w相 图3 HXD1B机车辅助变jK器绕组和铁心截面结构不意图 如图3所示，每相的主铁心和副铁心被组合使用， 变压器的一次绕组绕在主、副铁心上，二次绕组仅绕 在主铁心上，使变压器的漏感集中在一次侧，通过改 变副铁心中的气隙和叠厚可精确设计漏感的大小。 同时为避免高次谐波在主铁心中产生过高的涡流 损耗，辅助变压器的主铁心中设置一个气隙，抑制高 次谐波的不利影响。 辅助变压器的电气原理等效为铁心电抗器和变压 器的组合，同时电抗器的电感主要集中在变压器的一 次侧，辅助变压器实质上是一次侧带高电感的变压器， 而二次侧仅为二次绕组的漏磁电感，其值很小。 1．3辅助变压器空载运行特点 辅助变压器单相空载运行示意图如图4。 成 ——．．．．．2‘．．．．—— 五22xyr． ，Io ， 、 ．隔’／ I l ‘20＼ ● I’_J ／ ：、／吒 ● 卜 域 ．I． ，I I -l忘l屯’I。 ，fⅣt Ⅳ2 I ·’ lr l I，．1 ’， 7 i ＼ 7 I - J＼⋯．．⋯／’ 图4 辅助变压器单相空载运行 图中： 嚷——流经铁心中的主磁通幅值； 万方数据 第3期 黄细友．陈湘令．龙谷宗：HXDIB机车辅助变流系统中高阻抗变压器的变压比设计 Ⅳ。、Ⅳ2——一次绕组和二次绕组的匝数； 三。--4．卅∥．；。——一次绕组中产生的感应电势； 三：=4．44／u2k,。——二次绕组中产生的感应电势； 参。。——一次绕组的空载漏磁通； 童。。——一次绕组的空载漏磁感应电势； 反——一次绕组外加电压； ． 西：。=壹：——二次绕组的空载电压； j，。——流过一次绕组的空载电流； L，——变压器一次绕组的集成高电感； X,=2xfL，——变压器一次绕组的集成高电抗。 变压器空载运行时，大部分磁通在铁心中流通， 在铁心中建立交变主磁通易。，还有--d,部分分散的漏 磁通$⋯主要沿一次绕组周围的非磁性介质构成的磁 路闭合，仅与一次绕组交链，称为一次绕组的漏磁通， 在一次绕组内产生感应电势童。。，只起电压降的作用， 可用-j，loxlo来替代Ⅲ。 与一般变压器相比，辅助变压器在一次绕组中集 成有高电抗，空载电流流过一次绕组的高电抗时，同 样产生电压降一j，。。X，，故辅助变压器空载时一次绕组 的电压方程式为： ， Ui=-IEl+Eso|+‰R+jI,o墨= ＼ ／ 一El+，10Ri+jIIo(Xto+■)=一El+lloZto(1) 式中：zI。=Rj+j(x。。+x，)为空载时一次绕组的阻抗， R．为一次绕组的直流电阻。 在一般变压器中，空载励磁电流，．。较小，空载时 一次绕组的阻抗Z。。=R。+jxl。，其值比较小，故，，石。可以 忽略不计⋯，矗。一言。。于是单相变压器的电压比⋯： 足=卧阱瓮 ㈨ 在三相变压器中，因变压器的变压比定义为变压 器空载运行时的一、二次侧线电压比，故不同接线方 式的j相变压器，其变压比与匝数比有不同的关系， D／y接线的三相变压器，其变压比为13l： K=卧蚓=盘 ㈩ HXDlB六轴交流传动电力机车辅助变压器采用磁 集成技术使一次侧具有高阻抗，同时空载电流也较大， ，。oZ，。不能忽略，U，与一E。相差较大，这样辅助变压器的 电压比不再符合计算公式式(3)。 2辅助变压器电压比设计 变压器铁心中的主磁通；。的相位超前感应电动势 壹。12290。相角；同时由于铁心损耗的影响，空载电流j。。 由磁化电流，。和铁耗电流J，n合成，空载电流，。。的相位 角超前于主磁通刍。铁耗角伍，。⋯。再结合式(1)可得辅 助变压器空载相量图如图5。 ‘ q 图5 辅助变压器空载相量图 从图5可以看出，IUl与喝I差距较大，如果按照通常 的设计方法采用lU．I进行一次绕组的匝数计算，由于感 应电势峨I兰4．44∥。I痧。I，这样最终得到的I∽I将大于设 计值，测得的变压比将超出设计值。为了消除一次绕 组中空载电流及电抗产生的电压降，，oz加带来的匝数计 算差别，必须根据变压器的具体参数，利用图5所示的 空载相量图，计算出喝I的值，再采用峨I计算一次绕组 的匝数，最后计算变压比。 由图5的空载相量图可得： IltoZi。I=批。R12+‰(五。+墨)12(4) 口-36¨删g笔粤一90"+aF,)=一 ·D ， 2700—arctg半吲n (5) 在实际的变压器中，空载电流，。。主要是磁化电流 ，。，铁耗电流，，。所占的比例很小，在工程计算中可以 忽略铁心损耗的影响⋯，故铁耗角a，。z0。。 根据余弦定理可得： IUl[2=l‘。Z，。12+I巨12_2‰ZI。I．I巨lcosa(6) 解方程式(6)可得： I互I=J‘。z】。JCOSa±√|‘。ZI。12cos2a—J‘。Zl。12+lv,12(7) 因d≥900，且喝I小于IUl，所以 ’ I巨l=l‘。ZI。Icosa+√I，l。Zl。12cos2a—I‘。ZI。12+Ju。12(8) 又由于Ri孙于Xi以，i毁arctg华硼。。 这样简化后Ota1800，将COSa—cos]800=-1代 入式(8)可得： 万方数据 机 车 电 传 动 吲=lu。I-I,'。。ZI。I． (9) 进一步忽略R。的影响，可简化得： I巨l=Iu,l-l／,。(x，。+x，)I (10) 实际上，一次绕组的漏磁电抗X。。也远小于x，‘¨，计 算中可进一步简化。 lElI=IU。I-Iz。。Xrl (11) 按式(10)或式(11)计算IE。I的值，根据确定的变 压器绕组匝电压P。，即可计算出一、二次绕组的匝数 Ⅳl：鲥、Ⅳ2：魁：幽。最后结合辅助变压器的联结 组{JIJDyn5，辅助变压器的变压L-g为： K：l盟卜；墨!±匕垂苎!±兰!!：竺曼±匕等!苎!±墨!! lU：。l √3I岛I √3J7v2q (12) 舻=卧觜=≮掣㈤， 3电压比计算实例 下面以HXDIB六轴交流传动电力机车辅助变压器 的变压比设计为例，说明计算过程及应注意的问题。 3．1绕组匝数计算 HXolB六轴交流传动电力机车辅助变压器电气参 数要求如本文1．1所示，初步设计后，在额定频率60Hz 时，确定匝电压P．=6．35V／匝，计算得到一次侧空载线电 流，10。=10．5A，因一次侧为D接，则一次侧空载相电流 lLq=I。帆|43—6．06Ao 在电源频率50Hz情况下，根据辅助变压器二次侧 电压，频率特性曲线，匝电压P．’=5．77v／匝，铁心中磁密 将变大，计算得到一次侧空载线电流‘。=12．5A，一次 侧空载相电流，lo=‘oL／√3。7．22A。 频率为60Hz时，绕组匝数计算如下： 折算到一次侧的电抗为： 五=五o+墨=29fL。=21tx60x28x10q=10．55Q 一次绕组的匝数： Ⅳl：固：—Iu,l-ll,o(—X,o+x,)I： et q 3．8x4401-16．06x10．55 =253．2 6．35 二次绕组的匝数： M：幽：—440／—,fi：40 ‘ q Pt 频率为50Hz时，绕组匝数计算如下： 因电感与绕组匝数的平方和磁路的磁导成正比⋯， 频率由60Hz变化到50Hz时，变压器主铁心中的磁密虽 有所升高，但仍在硅钢片的饱和值以下，一次线圈的 漏电感和集成电感基本没有变化，故50Hz时折算到一 次侧的电抗为： ． Z=■o+Z=2／tfL,,=29x50x28x10一=8．792Q 一次绕组的匝数： Ⅳ．：蚓：竖!二l兰!!耋!二兰!l： ‘ et et—13．8x4001-1—7．22×8．7921=252．4 5．77 二次绕组的匝数： M：幽：—400—／≈40 ‘ et 5．77 3．2电压比计算及分析 根据3．1的计算，可以取定辅助变压器一次绕组的 匝数为253匝。二次绕组的匝数为40匝。 频率为60"Hz的情况下，辅助变压器的变压比按式 (12)计算为：。．K；竺!垒±喀苎!±型：—253x6．35+—6．06x10．55：3．797 √3N2et 43x40x6．35 频率为50Hz的情况下，辅助变压器的变压比按式 (12)计算为： K*Ⅳl邑+K(≮!±一)I一253×5型里3×8．7—93面呖一一—]瓦丽 =3．8l 计算结果表明，不管是采用60Hz还是采用50Hz情 况下的数据计算，得到的变压比数据都相近。 如果按一般变压器的计算方法，采用辅助变压器 一、二次侧的感应电势之比计算变压比，则其值为： 套虹；当二生：3．652r--—；=LL=—；：_k——=． 03N2et43N143x40 其设计误差为K3．652-3．8)／3．8】×100％m一3．89％，大 大超出了±0．5％的标准要求口1。 从式(12)、(13)可以看出，一次侧空载相电流，。和 一次绕组的集成高电抗x，直接决定变压比的计算精度， 如果这2个参数不符合设计值，不能保证I，10(x。。+墨)I大 致相近，最终测得的变压比将超出设计值。 HXDlB六轴交流传动电力机车辅助变压器主铁心 中设置有气隙，通过调整主铁心中的气隙厚度，可以 使一次侧空载相电流，．。较精确地符合计算值，同时又 可通过改变副铁心中的气隙厚度来调整电抗X，的大 小，使之准确地符合计算值，采取这2个措施可以纠正 制造过程中空载相电流，，。和集成高电抗X，出现的误 差，最终确保变压比的准确度。 4试验结果验证 HXDIB六轴交流传动电力机车辅助变压器一、二 次绕组的匝数按上述计算结果制造及试制过程中，采 (下转第12页) 万方数据 机 车 电 传 明 通过RS485通信交换数据。 9)保证微机控制系统的散热 机车(动车)在马来西亚运行时车内温度高及湿 度很大，在装置内装有3个由DC110V驱动的风机，对 微机箱内所有插件进行上下对流的强迫风冷，以保证 良好的散热效果；在风扇冷却盒正面为3个风扇设置 了3个状态指示灯及保险管，用于监视风扇是否正常工 作。 6结语 2010年1月，出口马来西哑机车及动车组在马来西 亚沙巴州铁路公司完成验收交车工作，运行情况良好。 该系统采用了成熟百r靠的LCS32微机控制装置，实现了 对卡特柴油机的通信及调速，同时为了提高可靠性增 加了故障调速及故障励磁、机车救援动车组的功能， 还实现j，机车与机车、动车组与动车组的重联通信控 制功能。通过在马来西亚实际运行考核，各项指标均 达到要求。 参考文献： [1]戚墅堰机车车辆厂．东风。。型内燃机车[Ml北京，中国铁 道出版社，1999． ， [2]白伟强．180km／h内燃动车组微机控制系统[Jl机车电传 动。2000(3l [3]何良．加装LCU的DF。。型机车微机控制系统软件设计[J1 机车电传动，2005(4l [4]孟卡发．出121巴西车SDD8内燃机车电气系统的优化设计 [Jl机车电传动，2007(5l (上接第8页) 用频率为50Hz的电源对变压器的参数进行了测试。空 载试验一次侧施加l393V的交流电压，负载试验时一 次侧施加110A的交流电压，变压比测量采用QJ一35型 变压比电桥，测试结果如表1。 j⋯一次侧漏电感厶、变压比K均符合设计值，其偏差 均在国标允许的误差范嗣内。 实际上，只要制成产品的参数能保证l，10(x。。+xr)I大 致相等，即使乩、厶}与计算值存在一定的偏差，测得的 变压比K就一定会符合设计值。 ．． 表1 Hx01B六轴交流传动电力机车辅助变压器参数调整测试结果 产品状态 主铁心 副铁心 气隙厚度 气隙厚度 二达型皇塾塑皇鎏!垒一次侧 窒!蔓些 ‰‰Iiow乏觜粉糌丽IW,1Ul 从测试结果看出，辅助变压器主铁心气隙厚度维 持在设计值、副铁心气隙厚度减少4mm，测得的一次 侧空载相电流、一次侧漏电感和变压比均较好地符合 计算值。 HXDlB六轴交流传动电力机车辅助变压器主、副 铁心按卜述措施调整并制造完成后，在沈阳国家变压 器质量监督检验中心进行了型式试验，型式试验中仍 然使用频率为50Hz的试验电源，有关一次侧空载相电 流、一次侧漏电感、变压比的试验结果如表2。 表2 HXDlB六轴交流传动电力机车辅助变压器型式试验结果 5结论 ①具有高空载电流和高阻抗电压的 变压器，变压比的设计计算必须消除高 空载电流和高阻抗电压带来的影响。 ②高空载电流变压器的一次绕组匝 数不能直接采用一次空载电压Iu．I计算， 而是忽略铁心损耗的影响，采用一次侧 感应电势I巨I--Iu，I-Iz．。(x。。+x，)I计算一次绕组的匝 数，其计算误差在工程计算中可以接受。 ③一般来说，空载电流必然会使变压器的变压比 产生误差。空载电流大于某个极限值，产生的变压比 误差将超出标准的要求，高窄载电流的变压器设 计匝数比时，必须考虑消除空载电流带来的误差。 参考文献： [1]汤蕴缪．电机学[M1北京： 机械丁业出版社．2000． [2]陈乾宏．开关电源中磁集成技术及其应用[Jl电-亡技术学 报，200413)． [3]李建明，朱康．高压电气设备试验方法[Ml北京：中国 电力出版社．2001． [4] [5] 试验结果表明，辅助变压器的一次侧空载相电流 [6] 苑丰彪，杨君．高速动车组辅助供电系统[Jl机车电传 动。2009(1)． IEC60310：2004．机车车辆变压器和电抗器[s1 GB／T10288：1997，干式电力变压器技术参数和要求[sl 万方数据 HXD1B机车辅助变流系统中高阻抗变压器的变压比设计 作者： 黄细友， 陈湘令， 龙谷宗 作者单位： 黄细友,龙谷宗(南车株洲电机有限公司,湖南,株洲,412001)， 陈湘令(湖南铁道职业技术学 院,湖南,株洲,412001) 刊名： 机车电传动 英文刊名： ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES 年，卷(期)： 2010(3) 参考文献(6条) 1.IEC 60310:2004,机车车辆变压器和电抗器 2.苑丰彪;杨君 高速动车组辅助供电系统[期刊论文]-机车电传动 2009(01) 3.李建明;朱康 高压电气设备试验方法 2001 4.陈乾宏 开关电源中磁集成技术及其应用[期刊论文]-电工技术学报 2004(03) 5.汤蕴缪 电机学 2000 6.GB/T 10288:1997,干式电力变压器技术参数和要求 本文读者也读过(10条) 1. 刘强.朱建伟.LIU Qiang.ZHU Jian-wei HXD3型机车变压器真空干燥工艺过程分析[期刊论文]-内燃机车2011(3) 2. 动态消息[期刊论文]-机车电传动2010(3) 3. 蒋铁桥 降低机车变压器铁心空载损耗的探讨[期刊论文]-电力机车与城轨车辆2003,26(3) 4. 翟启斌 HXD1B型电力机车故障分析与对策[期刊论文]-机车电传动2010(3) 5. 钟福兵.黄细友.龙谷宗.陈湘令.ZHONG Fu-bing.HUANG Xi-you.LONG Gu-zong.CHEN Xiang-ling 轨道牵引辅助 变流系统中变压器绝缘强度的研究[期刊论文]-机车电传动2008(1) 6. 廖保华.钟福兵.黄细友.LIAO Bao-hua.ZHONG Fu-bing.HUANG Xi-you HXD1B电力机车用300kVA辅助变压器研制 [期刊论文]-机车电传动2011(4) 7. 陈斗.CHEN Dou 变压器结构强度及模态分析[期刊论文]-黑龙江电力2011,33(1) 8. 任建华.Ren Jianhua 机车牵引变压器故障分析和诊断[期刊论文]-铁道机车车辆工人2011(1) 9. 冯业锋.咸日常.尹立忠 出口短路对变压器的影响及预防措施[期刊论文]-山东电力高等专科学校学报 2011,14(4) 10. 张中.郭美荣.徐锦春 电力机车或电动车组用25 kV高压电缆总成[期刊论文]-机车电传动2010(3) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jcdcd201003002.aspx