（电磁场与微波技术专业论文）整流器电流分布的频域计算.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 0 i i i i l l l l l li l l i l l li ii1 1 1 i l l l l l l 17 9 6 5 8 9 在通信、电解、电镀、钢铁冶炼、城市轨道交通等领域，直流供电系统都发挥 着举足轻重的作用。其直流电源是由大量整流器并联而成，以便获得足够大的电流， 满足工业、科研的需要。 大功率整流器的内部结构都是多条支路并联排列的，必然产生涡流使电流分布 不均匀，从而匀流问题越来越重要了。本文首先对整流器进行电路仿真，得出不考 虑涡流时的三相电流，再运用傅里叶变换分解谐波，通过在a n s y s 的模型中加载电 压的方式，分析各谐波电流在不同相之间、同相不同支路之间分布不均匀的情况。 探索出一种通过频域计算来分析电流分布不平衡的研究方法，为匀流研究提供更为 简单有效的途径。 关键词：整流器，匀流，谐波 a b s t r a c t i nc o m m u n i c a t i o n s ，d e c t r o l y s i s ，e l e c t r o p l a t i n g , i r o na n ds t e e ls m e l t i n g , u r b a nr a i l t r a n s p o r t ，t h ed cp o w e rs u p p l ys y s t e m sa r ep l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l e a n di t sd cp o w e r s u p p l ym a d eb yal a r g en u m b e ro fr e c t i f i e r si np a r a l l di no r d e rt oo b t a i nal a r g ee n o u g h c u r r tt om e e tt h ei n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i cr e s e a r c hn e e d s t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fh i g h - p o w e rr e c t i f i e r si sa r r a n g e di np a r a l l e la n dan u m b e ro f s l i p sw o u l di n e v i t a b l yp r o d u c ee d d y - c u r r e n t ，s ot h a tt h ec u r r e n td i s t r i b u t i o na m o n gt h e mi s n o n - u n i f o r m t h u su n i f o r mc u r r e n tp r o b l e m sa r em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h i sp a p e ri s s i m u l a t e dt h ec i r c u i to fr e c t i f i e rw i t h o u tc o n s i d e r i n ge d d yc u r r e n td r a wi nt h et h r e e - p h a s e ， a n dt h e nt h eh a r m o n i c si sd e c o m p o s e db yf o u r i e rt r a n s f o r m t h em o d di na n s y si st o a n a l y z et h eh a r m o n i cc u r r e n t sd i s t r i b u t e du n e v e n l yi nt h ed i f f e r e n tp h a s e sb e t w e e ni n p h a s e a n db e t w e e nt h ed i f f e r e n ts l i ps i t u a t i o n s t h i sp a p e rd e m o n s t r a t e sar e s e a r c hm e t h o do fa f r e q u e n c y - d o m a i nc a l c u l a t i o nu s dt oa n a l y z et h ec u r r e n td i s t r i b u t i o ni m b a l a n c ea n dp r o v i d e sa m o r es i m p l ea n de f f e c t i v ew a yf o ru n i f o r mc u r r e n tm e t h o d x ul i j u a n ( e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dm i c r o w a v et e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz e z h o n g k e y w o r d s ：r e c t i f i e r , u n i f o r mc u r r e n t , h a r m o n i c 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要2 英文摘要2 第一章引言1 1 1 课题背景l 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文的主要工作5 第二章电磁场有限元原理7 2 1 电磁场有限元的介绍7 2 2 电磁场基本理论8 2 2 1 频域下的电磁场方程9 2 2 2 涡流场的边值问题9 2 3 集肤效应和邻近效应1 0 2 3 1 集肤效应：1 0 2 3 2邻近效应1 1 第三章整流器电路仿真12 3 1 整流器的电路原理：1 2 3 2p s c a d 对整流装置电路的仿真1 4 3 2 1p s c a d 软件简介1 4 3 2 2p s c a d 对电路的仿真1 4 3 3m a t l a b 对电流的谐波分析1 6 3 3 1m a t l a b 介绍1 6 3 3 2m a t l a b 对电流的谐波分析1 7 3 4 本章小结1 9 第四章a n s y s 对涡流场的仿真2 0 4 1 整流器的结构介绍2 0 4 2a n s y s 软件的介绍2 1 4 3 运用a n s y s 建模2 2 4 4 三维涡流场频域仿真计算流程2 4 4 4 1 频域仿真计算步骤2 5 4 4 2 功率损耗的分析2 6 4 5 仿真计算结果分析2 7 4 5 1 基波的情形2 7 4 5 23 次谐波的情形2 8 4 5 35 次谐波的情形3 0 4 5 47 次谐波的情形3 l 4 5 59 次谐波的情形3 3 4 5 61 1 次谐波的情形3 4 4 5 71 3 次谐波的情形3 5 4 6 结果分析3 6 一 华北电力大学硕士学位论文 第五章结论3 8 5 1 工作总结3 8 5 2 工作展望3 8 参考文献4 0 致谢4 3 在学期问发表的学术论文和参加科研情况4 4 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 目前，大功率整流设备的应用已经十分广泛。在电解、电镀、冶金、通信、城 市轨道交通等行业中，整流设备是至关重要的关键设备之一。 随着电力电子技术的飞速发展，在生产中使用的晶闸管整流装置单机容量不断 增大。尤其在电解行业，近年来随着直流系列电流达3 5 0k a 、单槽日产量为2 8 t 的 大型电解槽的出现，就要求有强直流电源和大容量整流设备与之匹配，继而要求整 流设备单机供电电流向大型化发展。为满足工业所需直流大电流输出的要求，通常 采用一个桥臂上并联多个元件或者多台整流器并联运行。 整流系统的研究在为核聚变装置供电的直流电源方面也至关重要。i t e r ( i n t e r n a t i o n a lt h e r m o n u c l e a re x p e r i m e n t a lr e a c t o r ) ，即国际热核聚变实 验反应堆，是目前规模最大的国际科技合作项目。i t e r 计划，正是将类似太阳内部 的核聚变反应，在一个容器内实现并加以控制。核聚变反应产生的能量，是核电站 所利用的核裂变反应的7 倍，而且反应产物是无放射性污染的氦。聚变能采用的原 料氘，在自然界中几乎取之不尽。虽然核聚变能的优势如此明显，原理也似乎简单， 但自1 9 5 2 年美国爆炸第一颗氢弹至今，人们仍然没能真正控制住聚变能。最大的 难题在于，核聚变反应需要上亿度的高温，而且高温的等离子体还必须在足够长的 时间里“老实地呆在容器里一，使聚变反应稳定持续地进行。用什么容器来盛装 上亿摄氏度的等离子体? 图卜l 托卡马克模型 华北电力大学硕士学位论文 2 0 世纪7 0 年代以后，研究重点逐渐集中到托卡马克类型装置上。苏联科学 家提出“环形磁约束容器 的概念其外面大量的大线圈和磁体产生一个环形 的磁容器，在磁场中，带正电的原子核会沿着无形的磁力线做螺旋式运动，这样便 不会碰到容器内壁。这个用来约束高温等离子体的装置被称为托卡马克( t o k a m a k ) ， i t e r 应用的正是全超导托卡马克的原理。它是一种强磁场环形等离子体装置，其中 流有环向电流，所以又称环流器，其主要结构见图i - i 。中心螺线管起变压器初级 线圈的作用。外线圈的一部分也作为初级线圈，另一部分用来维持等离子体平衡。 而等离子体相当于变压器的次级，在其中感应产生大的等离子体电流并对其加热。 装置另一重要部件是环向磁场线圈，它产生和等离子体环平行的强磁场以约束等离 子体。当然，等离子体要置于环形的真空室中。 i t e r 脉冲电源是采用晶闸管构成的a c d c 大功率整流器将电网交流电变成直 流，为超导线圈供电。要求达到数百k a 的电流，具备极高的可靠性，并具有各种 故障抑制能力。但是现在整流器的结构都是各支路并联排列，随之就会出现电流分 布不均匀的现象，它会影响装置的正常工作。所以本文着重研究的是大功率大直流 整流器在频域下的电流分布规律1 3 1 。 1 2 国内外研究现状 在整流装置中，为满足大电流输出的要求，采用大量并联的晶闸管元件。单个整 流臂需要很多个整流元件并联联接构成多个并联支路，相应地就会出现多个并联支 路电流分配不均衡现象。尤其更为严重的问题是这种不平衡的电流会改变各部件正 确的开关时间。这种现象的存在非常普遍，并且也有很多甚至很昂贵的方法来减小 这种电流不平衡的现象。产生这种现象的根源在于在整流过程中，各部件电压所感 应的强烈的磁场，从而产生感应电流进入到整流器中。这种现象致使一些部件相对 于额定电流来说欠载，不能充分利用；而是其他的部件产生大电流而过载，产生很 大的热量。很明显，对于整流器的纯粹的电路研究已经找不到有效的办法，因为算 出等效的阻抗和电感对于这么复杂的结构来说是相当困难的，同样也很难计算出局 部的感应的效果。以下举例具体说明国外研究现状和存在的问题。 在整流器的电路原理和所有输电工作的条件下，用三维软件研究各开关的电流 分布。像整流器的非线性运作这种更复杂的情况都考虑在内，结合电路分析的途径， 进行状态仿真。在此主要研究瞬变的、非线性的整流器，结合电流耦合，去计算分 布在铝条上的电流产生的磁场的影响。 此整流器是用来供给熔炉直流电的。其直流输出电压非常低，大约为9 0 0 v 。其 结构是由三条垂直的y 形状的铝条组成。其中最下面的一条是连接交流电源的顶部， 其他两个分支形成正负两极。6 根垂直的铝条是与直流母线相连。整流器底部的两 2 华北电力大学硕士学位论文 图1 - 2 整流装置总体结构图图1 3 单相整流支路结构 条水平的大铝条是传输直流电的母线。垂直的交流条和水平的直流条彼此相隔很 近，而且晶闸管和熔断器嵌在铝条上。整个铝条是的结构是通过水冷散热器处理的。 6 根铝条上分别平行有1 0 个晶闸管，则总共有6 0 个晶闸管。其中每1 0 个晶闸管属 于一个开关，它们分布在垂直铝条的两侧，5 个为一组是为了控制其整流器的高度。 其额定直流电大约为5 0 k a ，但是增加晶闸管的数量( 每个开关增至1 4 1 6 个) 原则 上可以增至7 0 8 0 k a 。 应用有限元模块儿进行三维分析，此仿真是嵌入有限元单元，允许电压触发， 进行迭代运算。它是由离散的部分组成的，既有线性的又有非线性的。由一个开关 控制两个线性的电阻来代替晶闸管，由输入信号触发。当然，这个分析是非线性的， 每一项都要建模：实体的结构、触发器、负载和半导体。非线性重复迭代的整合时 间也要设置，每一步时间设为5 0 胛仿真分析从所有开关都关断的时刻( 即所有的 磁场和电流都为o ) ，然后加入触发电压。假设条件是开始所有开关装置都是关断， 在进行瞬态变化的过程中都是打开的。根据电气参数说明书，发生瞬态变化过程的 时间为2 0 m s ，整个过程持续到5 0 m s 仿真分析的结果是在3 0 m s 到5 0 m s 之间。 仿真每次运行需要9 4 到1 9 5 个小时，其中一些问题的研究方法已经发展到分 析由外部电压触发的装置，例如，电路仿真软件还要依照实物实际的几何尺寸建模。 在此例中，由于晶闸管很明显是嵌入在有限元单元网络中，所以没有采用这种建模 方法。正因为如此，折中的办法是把二极管的端口嵌在1 2 根窄长垂直的洞里，并 且不用将其网格化。我们选择上述洞的方法来解决暂时的问题，大部分情况下可避 免非线性方程组求解器的收敛问题。假设计算机的条件完全符合要求，有限元网格 的节点的总数大概在1 0 0 ，0 0 0 左右，而相应的单元的大小也确定了。非线性方程 每次迭代的步数大概在1 7 0 ，0 0 0 步。在这种情况下也很难把所有有用的参数都考 虑进去，从而得出最准确的结果。 图1 - 4 时域下的负载电流 图 - 5 交流侧的电流 ；| 鎏蒸黼麟 褂m ：二一，i 巍戮攫麓；蔡0 ； _ ；：h ，鬻删! 鬈譬剃? ； 0 0 0j 0 ，? ：i ，：，麓 。j 以“j t - _ ? ，：“一。( i 。、：，。：一 ? ：。：二r 。i 7 “7 d ：，7 ：，t 一。7 、! ? ，一。， 。j 图 - 61 0 个晶闸管的电流( 同一开关) 图1 7 水平方向的磁感应强度 上述仿真的结果与实验数据相比较，实验数据是从两台同一型号的换流器运行 时获得的。一些问题必须考虑进去，例如，仪器供数据收集的输入端最多为2 0 个， 所有电流的数据收集在实际中不能同时由一个获得，最少要三个。这样的话，整流 器工作的条件要尽可能的相似就变得至关重要了。所以在此情况下，一些微小的不 同和不一致性就能得到合理的解释。 讲静 图1 8 整流器内部结构图 4 w 静 n m 旷n m m 讲懈肾 n m 旷n m 飞 趣讳 肾蝣 啦 讲蚋挣协 廿 计讷静田 廿埘 华北电力大学硕：t 学位论文 各种数据结果列出了每组中1 0 个晶闸管的每个开关从不平衡电流到额定平均 电流的比率，最后与实验数据相比较。这些结果很明显由于晶闸管的位置。最终的 结果是可信的：不平衡电流共同作用的结果是器件满负荷运行的1 5 倍，欠负荷时 的o 7 倍。值得注意的是一些器件的实际运行的数据和仿真的结果是相反的。本文 作者的观点是，其原因可能是仿真模型和实际整流器的差异所造成的。 虽然一些部件的仿真数据和实验数据存在差异，但是对以后的研究具有借鉴意 义。总的趋势还是非常正确的。以后在完善晶闸管模型的研究中，需要考虑比如触 发电压之类的动态参数的一些方面，这些正在研究中。在结果数据中的差别很大的 地方是由于仿真的模型相对于实际部件太简单。如果不对仿真软件进行很大程度上 可行的改进，如此复杂的仿真计算也不可能把更多复杂的因素考虑进去【4 j 。 综上所述，以上通过时域的仿真计算耗时长，在建模和网格划分方面作简化处 理，减少了电脑的计算量，结果使一些部件的仿真数据与实际存在差异。 此外，对整流装置的均流措施也很多。通过设计和改造整流器内部结构的方法 来实现均流的目的，措施有：缩短整流器桥臂尺寸，改变整流器桥臂进出线位置， 选用功率因数较大的元器件，和采用同相逆并联等。对于地铁整流器的匀流措施有 串联均流电抗器、均流互感器、串联电阻等，根据不同情况选择不同方式解决。另 外，在同步发电机交流励磁机和静止整流励磁系统中，在励磁整流柜中加装均流磁 环也效果显著1 5 j 【7 。 1 3 本文的主要工作 为提高大功率整流器的电流定额，减小涡流磁场的影响，采用整流桥逆并联的 方式。随着并联支路的增多，电流的匀流问题显得十分重要。将涡流有限元原理应 用于求解整流器电流分布、磁场分布等方面研究都是在时域下分析，而且按步数计 算耗时、耗内存，为研究带来极大的不便。据查阅文献可知，目前尚未有在频域下 对整流器电流、磁场分布的研究。本文将对涡流场的有限元分析以及在大功率整流 器中的应用进行了仿真研究，初步探索出一种通过分解谐波来分析电流分布不平衡 的研究方法。 本文主要完成了以下几方面的工作： ( 1 ) 运用p s c a d 、m a t l a b 对其进行电路仿真分析，计算在不考虑电磁感应 的情况下三相电流的分布情况，并进行谐波分解。 ( 2 ) 提出了一套通过频域计算来分析电流分布不均匀的研究方法。运用a n s y s 对整流器的结构建模、网格划分和仿真计算。以上述仿真计算的三相电流为基准值， 针对各次谐波，对各相加载不同频率的电压。在考虑涡流的条件下进行计算，获得电 华北电力大学硕士学位论文 - - _ - _ _ _ - 一_ 流在基波、3 次谐波、5 次谐波、1 1 次谐波下整流器内部各相之间、同相各支 路之间电流分布不均匀的特点。 ( 3 ) 进一步分析导体内部电流的分布情况，以及功率损耗在各次谐波下各相之 间、同相不同支路之间的分布规律。 i 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章电磁场有限元原理 2 1 电磁场有限元的介绍 有限元法是大型复杂结构或多自由度体系分析的有力工具，近2 0 年来已广泛 地应用于工程结构、传热、流体运动、电磁等连续介质的力学分析中，并在气象、 地球物理、医学等领域得到应用和发展。 从当前电磁计算的前沿发展来看有限元法不仅本身在应用方面具有很大的潜 力而且结合其他理论和方法还有广阔的发展前景。它们进一步开拓了有限元法的 应用范围，也适应了更复杂的、精确度要求更高的问题求解之需要。此外，这些前 沿性发展还包括了些尚处于探索性阶段的工作，如逆问题、人工智能和专家系 统在电磁装置优化设计中的应用、边基有限元法等。 电磁分布边值问题的数值计算方法包括有有限差分法、有限元法、积分方程法 和边界元法等四种基本类型以及近几年来发展产生的有限元法和边界元法相结合 的所谓混合法。其中，有限元法占有绝对主要的地位，具有较大的应用范围。目前， 有限元法的这种优势越来越显著。 有限元法最主要的特点是根据该方法编制的软件系统对于各种各样的电磁计 算问题具有较强的适应性，通过前处理过程能有效地形成方程并求解。它能方便地 处理非线性介质特性，如铁磁饱和特性等。它所形成的代数方程具有系数矩阵对称 正定、稀疏等特点，所以求解容易、收敛性好、占用计算机内存量也较少。这些正 是有限元法能成为电气设备计算机辅助设计核心模块的优势所在。有限元法的主要 缺点是对于形状和分布复杂的三维问题，由于其变量多和剖分要求细往往因计算机 内存而受限制，持别是包含开域自由空间的电磁计算问题，其建模及求解比较闲难。 如近年来发展起来的所谓膨胀技术，便是为了解决有限元法处理开域问题。 在三维场情况下，不仅有解的唯一性问题，需要选取适当的规范加以限制，更 主要的是待求未知数较多。由于计算机资源的限制以致于对于涡流时变场等的数 值计算精确度成为比较突出的问题。针对不同的介质区域采用不同的场量表征形 式，可以达到减少未知数个数的目的，为此产生了各种各样的方法，这是在三维场 有限元法计算中一个比较明显的持点。目前，三维电磁场数值计算的发展还是相当 成熟的，已经有一批商业化软件被应用于不同的电磁计算中。如在医疗设备核磁共 振成像系统的磁体，这样一些三维静磁场的计算中，最高精度已达干分之一。 涡流问题是从综合考虑在实际工程应用中各种物理现象间相互影响的角度来 提高电磁计算精确度。首先便是因为有限元法的应用提供了这样一个基础，即一般 7 华北电力大学硕士学位论文 地单纯一个场的数值计算已达到了较高精确度，以致于必须同时考虑其他物理现象 的影响。例如，电磁计算结果获得受力分布和损耗分布，其中受力分布作为应力数 值分析的外源，损耗分布作为热传导温度场数值计算的输入条件。而温度场数值计 算的结果又可用于调整电磁场数值计算中参数的选取。尽管温度场随时间变化速度 相对于电磁变化比较缓慢，但其分布中的数值差异在较大程度上影响电磁计算的精 确度持别对于那些如感应加热、电动机等应用中温度分布差异较大的情况，这种 影响显著，由此可相当程度地提高电磁计算的精确度。应力场与电磁场的变化速度 比较接近，因此也必须耦合起来考虑。 涡流场问题，特别是包含较多非线性材料区域的情况下，必须采用矢量磁位作 为场量。在二维场情况下，由于矢量磁位只有一个方向分量，应用起来比较方便。 在三维场情况下，矢量磁位具有三个方向未知分量，它会使得最终形成的代数方程 的阶数较高。为此产生了一系列的方法，主要目的是通过采取一些措施，使矢量位 的区域尽量限制得比较小，或通过变换用简化的、未知数个数少的变量来表征场的 分布，进行求解。这时对位函数规范的选取也很重要，它可以避免多值解问题。由 于许多工程应用电气设备中大量采用铁磁材料实现聚磁目的，而铁磁材料具有饱和 现象等非线性特点，因此，为达到一定精确度，采用有限元法还是十分必要的 8 】8 【9 1 。 2 2 电磁场基本理论 库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律为电磁场理论提供了坚实的实验基 础。在此基础上，根据电荷守恒定理，麦克斯韦提出了位移电流的假设，从而揭示 了电场和磁场之间既对称又统一的内在联系一一存在变化电场的空间必存在变化 的磁场；存在变化磁场的空间也必存在变化的电场。这就是说，时变电场和时变磁 场永远是相互依存又相互制约，组成一个统一的电磁场整体。麦克斯韦以精辟的数 学语言将这一宏观电磁现象的规律性归结为如下四个方程，合称为麦克斯韦方程 组，其微分形式为： v x h 氐七鼍 v xe ：一塑 8 t v b = 0 v d = p 在各向同性媒质中，有关场矢量之间的关系用下列辅助方程表示： d = s e b = p h j c = y e ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 频域下的电磁场方程 我们工程电磁场问题中经常研究的是随时间按正弦规律变化的电磁场( 有时即 使是非正弦规律变化，可将其分解为基波和各次谐波分析处理) ，跟正弦电流电路 一样，可以来用复数符号法。从而得到复数形式的m a x w e l l 方程组 飞x 直= j ? + j 6 0 2 - 8 ) v 应= 一，国雪 ( 2 - 9 ) v 雪= 0( 2 1 0 ) v 西= 匆 ( 2 1 1 ) 在各向同性媒质中，复数形式的辅助方程为： 西= s 雪 ( 2 1 2 ) 雪：“矗 ( 2 - 1 3 ) 歹= 擅 ( 2 1 4 ) 从以上两式可见，场量按同频率作正弦变化时，采用复数符号法，可以去掉时 间因子。显然，采用复数表示时谐电磁场后，在麦克斯韦方程织的频域形式中，不 再含有场量对时间t 的偏导数，从而使时谐电磁场的分析与直接在时域形式下的分 析相比得以明显简化。 2 2 2涡流场的边值问题 由于在准静态磁场( 涡流场) 中，根据磁通连续性n 町巾7 1 v b = 0 可以设 b = v a 根据电磁感应定律，有 v 一一詈= 一昙( v 彳) = - v x 詈西a 、 7 西 整理，得 v ( e + 詈) = 。 根据矢量恒等式v 专伊：。，设 置+ 詈= 一v 矽 得 一( v 9 + 詈) 根据全电流定律 v 日= ，+ 百a d 忽略位移电流，将式( 2 1 6 ) 和( 2 1 9 ) 代入，得 9 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 一1 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 v 1 v x a + y ( v 缈+ 署) = 以 式中，以为线圈中电流的等效电流密度。 根据电流连续性，有 v 水矿+ 静。 式( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 为涡流场的基本方程。 考虑正弦稳态情况，采用相量表示，则基本方程为： v 丢v + 厂( v 矽+ j 缈) = z 、 7 。 v - y ( v c ) + j 国力：0 媒质分界面条件为 气c 去v 幺一去v 却= 玄 二= 幺 织= 织 f l y 0 , 巳= 以v 识巳 边界条件为 e 。( 上v 天) = 量。 2 a = 4 ( j ( o y a + 痧) e n = 0 式( 2 2 8 ) 和式( 2 - 2 9 ) 表示磁场的边界条 边界条件。 2 3 集肤效应和邻近效应 2 3 1 集肤效应 将导电媒质放置在变化的磁场中或在导电 场产生的感应电场的作用，将使场量在导体表面 呈现所谓集肤效应。 在高频交变电流情况下，导体内因传导电流 1 0 ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) 州 鳓 争 华北电力大学硕士学位论文 电流的电场e = ，r 相比已不再允许忽略。从圆导体截面内电磁场分布可清楚地观 察这一现象，噩与蜃在导体表面区域相互增强，而在内部区域则部分相消，导致场 量在导体表而分布集中，而内部衰减衰减严重的集肤效应。场量减小的程度与透入 i 厂百一 深度d = f 二的大小有关，频率越高、磁导率越大、电导率越大，则透入深度越 、国厂 小，集肤效应越明显。 由于集肤效应，交变电流流过导体截面的有效面积减小。因此一段导线的交流 电阻将比直流电阻大，从而使导体的功率损耗增大。在设计高频电器设备时必须考 虑这种影响。集肤效应在本文研究的整流器中表现为各频率电流集中分布于导体表 面附近，而且频率越高，集肤效应越明显。 2 3 2 邻近效应 如果有若干个载有交变电流的导体彼此相距较近，则每一导体不仅处在本身电 流产生的电磁场中，同时还处在其他载流导体产生的电磁场中，因此，每一个导体 的电流分布与只有单一导体时不同。这种效应称为邻近效应。设有一单根导线，其 中通以正弦交变电流，由于集肤效应，电流主要集中在导体表面附近。如果在其相 邻处有另一根载有相同方向的正弦交变电流的导线，则将使两导线之间内侧的电磁 场减弱、而使外侧的电磁场加强。因此，两导体外侧处的电磁场量和电流密度比内 侧的大，从而使电流的分布更趋于不均匀，使导体的有效电阻增大。如果两根相邻 导体载有相反方向的正弦交变电流，则将使两导线之间的内侧的电磁场增强、而使 外侧的电磁场减弱。这样，电磁场量和电流密度将集中在两导体相对应的内侧。 本文研究整流器各支路电流和功率损耗的分布时，由于邻近效应，各频率下同一 相的两条支路电流电流分布不均匀，与其他相相邻的支路电流比较大。功率损耗也相应 的分布不平衡，在基波、3 次谐波、5 次谐波、1 1 次谐波的情况下，三相中b 1 与其 他两相毗邻，损耗功率最大。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 整流器的电路原理 第三章整流器电路仿真 其装置的电路原理图如图3 1 ： 图3 - 1 整流器电路原理图 由图3 1 可看出，电路是由两个6 脉动整流桥并联而成的同相逆并联电路，两边分 别加相差1 8 0 度的交流三相电压，图中一条支路代表实际装置的一组4 个晶闸管。通过 图3 2 对比可知，装置下面的直流条是正极，上面的是负极。并且两个整流桥的晶闸管 是相互交错排列的。两边整流桥上边和下边的晶闸管分别按1 a 、1 b ，3 a 、3 b ，5 a 、5 b 和4 b 、4 a 、6 b 、6 a 、2 b 、2 a 的方式排列，而不是按电路图中l a 、3 a 、5 a ，5 b 、3 b 、1 b 和4 a 、6 a 、2 a 、2 b 、6 b 、4 b 的方式排列。主要是因为两边所加电压相角相差1 8 0 度， 这样交错排列可使两边产生的磁场相互抵消，降低磁场对机器的影响。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图3 2 整流器结构示意图 由电路原理和实际结构图相对照可得出各组晶闸管的开始导通和关断的顺序如图3 3 ： o ，卢砷 郴 邓 h d 卵那 郴 钟 2 | 图3 3 晶闸管导通顺序图 。 由图3 3 分析得出：各组晶闸管导通的时间为1 3 个周期，而且整流桥上方中一组 晶闸管在导通的时间里，下方的两组晶闸管轮流导通，各占i 6 个周期。比如晶闸管1 a 在导通的0 2 万3 的时间里，6 a 在0 万3 周期里导通，2 a 在3 万2 万3 的时间 里导通。而总观各个晶闸管的导通情况都是导通i 3 个周期。 华北电力大学硕士学位论文 3 2p s c a d 对整流装置电路的仿真 3 2 1p s c a d 软件简介 p s c a d 是一种有效的用户图形界面，能够显著地提高电力系统电磁暂态模拟研 究的效率。利用p s c a d 家族的软件工具，使得电力系统工程师能够充分利用现代微 机工作站的资源，更为有效地使用马尼托巴高压直流研究中心的e m t d c 暂态模拟 软件。该族软件还可作为该中心的实时数字模拟器( r t d s ) 的用户界面。 p s c a d 由下述软件模块构成：文件管理系统、建模( d r a f t ) 模块、架空线( t l i n e ) 和电缆( c a b l e ) 模块、运行( r u nt i m e ) 模块、单曲线绘图( u n i p l o t ) 和多曲线绘图( m u l t i p l o t ) 模块1 8 h 1 们。 。 3 2 2p s c a d 对电路的仿真 运用p s c a d 软件按照上述装置的电路原理图建立的模拟电路图如图3 - 4 图3 4 仿真电路图 负载为2 2 5 k a 的恒流源，电路两边所加电压为u 。i _ 1 4 8 0 9 0 ，u 。3 = 1 4 8 0 一3 0 ， 以5 = 1 4 8 0 , 一1 5 0 ，u 6 i = 1 4 8 0 z 一9 0 ，u ”= 1 4 8 0 2 1 5 0 ，u 6 5 = 1 4 8 0 2 3 0 。由于上下晶 闸管的电流分布规律是相同的，所以只输出了整流桥上方的各支路电流，分布如图3 5 、 图3 - 6 、图3 7 、图3 - 8 、图3 - 9 、图3 ：- 1 0 1 4 图3 - 5l a 的电流波形 一二一二一，- 蚺 图3 - 63 a 的电流波形 一1 f 菡铲蔼产蕊铲蔷r 莳百r 丽r 晶： 诚 瘟如“”4 。” ”! j 乙a j j l 一j 。j 图3 75 a 的电流波形 图3 8i b 的电流波形 e q _ 一 。 一矗上一l l 一一 图3 - 93 b 的电流波形 图3 一1 05 b 的电流波形 1 5 华北电力大学硕士学位论文 各支路电流合成如图3 - 1 1 图3 一1 1 电流合成图 从上图可分析得出，各支路电流都近似为矩形波，幅值为2 2 5 k a ，周期为0 0 2 s 。 3 3m a t l a b 对电流的谐波分析 3 3 1m a t l a b 介绍 m a t l a b 是美国m a t h w o r k s 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、 数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，m a t l a b 的应用范围非常 广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计 算生物学等众多应用领域。附加的工具箱( 单独提供的专用m a t l a b 函数集) 扩展了 m a t l a b 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。m a t l a b 是矩阵实验室( m a t r i x l a b o r a t o r y ) 的简称，和m a t h e m a t i c a 、m a p l e 并称为三大数学软件。它在数学类科技 应用软件中在数值计算方面首屈一指。m a t l a b 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、 实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设 计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 m a t l a b 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 m a t l a b 来解算问题要比用c ，f o r t r a n 等语言完成相同的事情简捷得多，并且m a t h w o r k 也吸收了像m a p l e 等软件的优点，使m a t l a b 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也 加入了对c ，f o r t r a n ，c + + ，j a v a 的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实 用程序导入到m a t l a b 函数库中方便自己以后调用，此外许多的m a t l a b 爱好者都编写了 一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。2 0 世纪7 0 年代，美国新墨西哥 大学计算机科学系主任c l e v em o l e r 为了减轻学生编程的负担，用f o r t r a n 编写 了最早的m a t l a b 。1 9 8 4 年由l i t t l e 、m o l e r 、s t e v eb a n g e r t 合作成立了的m a t h w o r k s 1 6 华北电力大学硕士学位论文 公司正式把m a t l a b 推向市场。到2 0 世纪9 0 年代，m a t l a b 已成为国际控制界的标 准计算软件伽1 。 3 3 2m a t l a b 对电流的谐波分析 对上述i a l 、i b l 、i a 3 支路中的电流进行谐波分析，得出的幅度频谱和相位 频谱如图3 - 1 2 、图3 - 1 3 i a l 支路： 图3 - 1 2 幅度频谱 取部分数据如表3 1 图3 - 1 3 相位频谱 表3 - ii a l 支路各频率平均电流 频率电流幅值( a )电流相位电流( 实虚部表示) ( a ) o3 9 2 9 e + o o0 0 0 0 e + 0 0 ( 3 9 2 9 e + 0 0 ) + ( 0 0 0 0 e + 0 0 ) i 5 07 4 4 0 e + 0 01 2 1 2 e + 0 2 ( 一1 9 3 0 e + 0 0 ) 一( 3 18 0 e + 0 0 ) i 1 0 06 2 7 0 e + 0 01 1 7 4 e + 0 2 ( - 1 4 4 6 e + 0 0 ) + ( 2 7 81e + 0 0 ) i 1 5 04 5 8 7 b 0 0- 3 7 7 2 e + 0 0 ( 2 2 8 8 e + 0 0 ) 一( 1 5 0 9 e - 01 ) i 2 0 02 7 1 9 e + 0 01 2 5 0 e + 0 2 ( - 7 8 0 6 e - 0 1 ) 一( 1 1 1 3 e + 0 0 ) i 2 5 01 0 0 0 b 0 01 1 3 6 e + 0 2 ( - 2 0 0 9 e - 0 1 ) + ( 4 5 8 1 e 一0 1 ) i 3 0 03 0 7 4 e o l1 7 2 5 e + 0 2 ( - 1 5 2 4 e - 0 1 ) + ( 1 9 8 3 e 0 2 ) i 3 5 0 1 0 6 8 e + 0 0 5 1 2 3 e + 0 l ( 3 3 4 4 e - 0 1 ) + ( 4 1 6 4 e 0 1 ) i 4 0 01 2 8 6 e + o o，7 0 0 4 e + 0 l ( 2 1 9 5e - 0 1 ) - ( 6 0 4 7 e - 0 1 ) i 4 5 01 0 8 5 e + o o1 6 8 6 e + 0 2 ( - 5 3 2 2e - 0 1 ) + ( 1 0 6 6 e 一0 1 ) i 5 0 06 5 3 3 e 014 7 3 7 e + 01 ( 2 2 1 2 e - 0 1 ) + ( 2 4 0 3 e 一0 1 ) i 5 5 0l - 8 3 0 e 0l- 7 4 1 0 e + 0 1 ( 2 5 0 6 e 一0 2 ) 一( 8 8 0 1 e 一0 2 ) i 6 0 01 7 9 2 e o l。1 4 8 2 e + 0 l ( 8 6 6 2 e - 0 2 ) 一( 2 2 9 4 e - 0 2 ) i 6 5 0 3 6 2 7 e 0 1 1 3 6 2 e + 0 2 ( - 1 3 1 0 e - 0 1 ) 一( 1 2 5 3 e 一0 1 ) i 7 0 03 7 2 9 e 0l1 0 2 4 e + 0 2 ( - 4 0 0 3 e - 0 2 ) + ( 1 8 2 1 e - 0 1 ) i 华北电力大学硕士学位论文 i b l 支路： 图3 - 1 4 幅度频谱 部分数据如表3 - 2 冒 已 援 霉 图3 - 1 5 相位频谱 表3 - 2i b l 支路各频率平均电流 频率电流幅值( a )相位电流( 实虚部表示) ( a ) 03 9 3 7 e + 0 0o 0 0 0 e + o o ( 3 9 3 7 e + 0 0 ) + ( 0 0 0 0 e + 0 0 ) i 5 07 4 5 2 e + o o1 7 5 4 e + 0 2 ( - 3 71 4 e + 0 0 ) 一( 2 9 3 5 e - 01 ) i 1 0 06 2 7 6 e + 0 09 0 3 5 e + 0 0 ( 3 0 9 9 e + 0 0 ) + ( 4 9 2 8 e 0 1 ) i 1 5 04 5 8 5 e + o o1 6 6 4 e + 0 2 ( - 2 2 2 9 e + 0 0 ) 一( 5 3 7 3 e - 0 1 ) i 2 0 02 7 1 0 e + 0 01 8 0 7 e + 0 1 ( 1 2 8 8 e + 0 0 ) + ( 4 2 0 3 e - 0 1 ) i 2 5 09 8 7 7 e - 011 5 7 4 e + 0 2 ( - 4 5 5 9 e - 0 1 ) 一( 1 8 9 6 e - 0 1 ) i 3 0 03 1 9 9 e 0 11 5 2 8 e + 0 2 ( - 1 4 2 3 e - 0 1 ) 一( 7 2 8 8 e 一0 2 ) i 3 5 01 0 7 6 e + o o3 1 6 2 e + 0 1 ( 4 5 8 3 e - 01