平板式移相變壓器的磁場分析

王眾，趙鏡紅，孫盼，李兵

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平板式移相變壓器的磁場分析

王眾，趙鏡紅，孫盼，李兵

（海軍工程大學電氣與信息工程學院，武漢 430033）

提出了一種應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結構，具有結構簡單，易于制造等優點。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和橫向端部效應的前提下，分析了平板式移相變壓器的磁場分布，為以后平板式移相變壓器的優化設計提供了依據。

多脈波整流 移相變壓器 磁場 直線電機

0 引言

文獻[1]對多脈波整流技術的現狀做了詳盡的介紹，總結了現有的多脈波整流技術在實際應用中存在的諸多不足。尋找一種低容量，可以交、直流側電隔離的新型移相變壓器拓撲是未來多脈波整流技術發展的一個方向。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撲，它是基于直線感應電機的結構，稍作改進而來。因此需要對這種新型移相變壓器的磁場分布進行計算，以便于以后進一步的研究。

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，通過向旋轉感應電機的定子繞組供對稱正弦三相電，其氣隙中就會產生沿氣隙方向旋轉的旋轉正弦磁場，然后轉子繞組會產生正弦電流，從而受力旋轉。如果對其轉子堵轉，引出轉子繞組，會得到一個正弦的電壓或者電流。如果把旋轉電機從一半徑剖開，展開成直線電機，同樣的對其原邊繞組供對稱正弦三相電，它的氣隙中會產生平移的幅值不變的正弦磁場，從而在次邊繞組中會產生正弦電流。如圖1所示的平板式移相變壓器，對其原邊繞組中的ABC三相施加對稱的正弦三相電，其氣隙中就會產生平移的正弦磁場，次邊繞組中的六個繞組會感應出兩組相位相差30°的三相電。

這種新型平板式移相變壓器有著直線電機的結構，接線和繞組都比傳統的旋轉電機更加方便；同時能夠做成方形結構，便于模塊化，在需要大電壓或大電流的時候，通過多個平板式移相變壓器的串并聯就能實現；它的初級鐵心和次級鐵心通過螺栓固定在一起，相對靜止，因此它的氣隙可以通過調整初級鐵心和次級鐵心間的墊片厚度就能調整氣隙的大小，如果是旋轉電機結構，這基本上是不可能的；另外通過對次邊開槽數目的調整，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部的電磁場，必須把開了槽的初級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繞組中的電流，這個電流層用線電流密度表示。

圖2 二維理想場模型

—電機極距；—電源角頻率；1—初級繞組的相數；1——初級繞組每相串聯匝數；w——初級繞組系數；1——初級繞組的極對數；1——初級相電流的有效值；

圖3 多層通用模型

3 平板式移相變壓器的電磁場方程式和解析解

為求得平板式移相變壓器的電磁場，首先得對如圖4所示的區域n的電磁場問題進行分析。

圖4 區域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，

又因為B是和的函數。可以表示為

將式(11) 帶入(10)得到

式中：B—B在坐標y上的分量；

B—B在坐標x上的分量。

帶入式(12) 中可求得

式中1、2——積分常數。

同理B可表示為

由磁場連續原理得

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

對于第1區域，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(24可求出圖3中任意邊界上的n和n。

4 結論

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點，在不考慮平板式移相變壓器的縱向端部效應和橫向端部效應的前提下，計算了平板式移相變壓器的磁場分布n和n，為以后平板式移相變壓器的優化設計提供了依據。

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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：電機與電器。