船舶新型平衡變壓器的設計與仿真

孫宏光，楊 明

?

船舶新型平衡變壓器的設計與仿真

孫宏光，楊 明

（海軍駐大連地區軍事代表室，遼寧大連 116021）

船舶電力系統帶單相負載運行時引起三相不平衡問題，目前采用的基于平均分配負荷法的供電方式并不能有效解決這個問題。提出了適用于船舶電力系統的平衡變壓器的設計基本要求，設計了一種適用于船舶三相三線絕緣電力系統的新型結構平衡變壓器，該變壓器具有結構簡單、材料利用率較高、不需要阻抗匹配、生產制造容易等特點，深入研究平衡變壓器的基本原理、運行特性和有限元仿真，結果表明該平衡變壓器能夠消除零序電流，有效降低負序電流，可以為船舶電力系統解決單相負載運行引起的三相不平衡問題提供了理論支撐和技術支持，具有重要的工程意義和軍事應用價值。

平衡變壓器 船舶 單相負載

0 引言

當船舶電力系統帶單相負載運行時，電網電流的正序分量、負序分量和零序分量相等，這是一種極不平衡狀態。尤其是單相負載較大時，電力系統的不平衡度可能超標，對船舶電力系統造成一系列危害，甚至威脅到系統的安全運行[1-3]。

目前船舶帶單相負載運行時，采用基于平均分配負荷法的供電方式，單相變壓器從電網獲得電能向單相負載供電，如圖1所示。船舶電力系統在設計之初，將所有的單相負載進行功率計算，盡可能的把所有的單相負載按功率平均分配到A、B、C三相，從而減小系統的不平衡度。但該方法存在以下問題：

1）當所有的單相負載同時運行時，電力系統基本能夠保持平衡，達到了國軍標規定的要求。但是在實際運行時，這種方法存在很大的局限性，因為在不同的時段，單相負載運行狀態是隨機的，實際上并不能保證A、B、C三相的瞬態功率相等。

2）不能抑制電網局部區域的三相不平衡。單相變壓器帶單相負載運行，將造成單相變壓器周圍的局部電力系統的三相不平衡，對鄰近用電設備造成不良影響，相當于底層“污染”。

3）負荷平均分配法給船舶單相負載的布置和接線帶來不便。在船舶設計之初，單相負載要按照設計要求接入到相應的單相變壓器，當船舶新增或者減少單相負載時，單相負載必將造成不平衡，必須要重新接線來達到新的平衡。

平衡變壓器是一種可以將三相對稱電壓變換為一對相位垂直、幅值相等單相電壓的特殊變壓器[4]。平衡變壓器帶任何不對稱的單相負載運行，系統都不會產生零序電流分量，且能夠降低負序電流分量，它目前被廣泛應用在電氣化鐵路、冶金、電鍍等場合。早在20世紀20年代西方國家就發明了斯科特接線平衡變壓器，并成功應用在電氣化鐵道，隨后李布郎克（Le Blanc）接線變壓器、伍德橋（Wood Bridge）接線變壓器以及它們的變形相繼出現。中國最早的平衡變壓器是阻抗匹配平衡變壓器，該平衡變壓器已經在我國鐵路中被廣泛應用，后來又相繼出現了十幾種各種結構的平衡變壓器，推動了平衡變壓器在各領域的實際應用。

現有的各類平衡變壓器應用在陸地電網，普遍存在以下幾個特點：

1）變壓器一次側普遍采用了星形連接，有可以引出接地的中性點。電氣化鐵路、冶金、電鍍等場合，變壓器功率很大，一般為兆瓦級別，采用的電制為三相四線制或者三相大電流接地制，因此除了斯科特變壓器和李布蘭克變壓器外，其他所有類型的平衡變壓器一次側都為星形連接，這是因為星形連接的中性點可以引出接地，變壓器一次側的絕緣設計就可以采用相電壓絕緣，所要克服的絕緣電壓由線電壓變為相電壓，因此絕緣成本大大降低。

2）變壓器二次側設計有三角形或其他形狀的閉環繞組回路。為了防止磁通和電壓的三次諧波對電壓波形以及電網產生影響，在變壓器的二次側一般設計有三角形繞組回路，或者其他形狀的閉環繞組回路來容納三次諧波，形成環流。

3）變壓器二次側繞組數量較多，實現阻抗匹配較困難。在設計閉環繞組回路的基礎上，變壓器往往要附加其他的繞組才能得到一對相互垂直的單相電壓，因此繞組數量較多，實現阻抗匹配困難，設計和生產過程復雜。

4）材料利用率相差較大。銅材料利用率從70%多到100%不等，最新設計的變壓器鐵材料利用率普遍較高，甚至達到100%。

1 船舶平衡變壓器的設計

1.1船舶平衡變壓器設計要求

船舶電力系統一般為三相三線制，與傳統的陸地電力系統電制存在巨大差異，現有的平衡變壓器無法直接在艦船應用。結合船舶電力系統的特點，船舶用平衡變壓器應該滿足以下要求：

1）不存在一次側必須靠中性點接地的問題。我國船舶電力系統采用的是三相三線絕緣制交流系統，中性點不允許接地，并且船舶上單相負載的總功率相對于民用的來說要小很多、電壓等級低，因此基本不需要考慮一次側絕緣成本問題，所以變壓器一次側中性點接地問題在船舶上不用考慮。

2）要有容納三次諧波環流的閉環繞組回路。為了防止三次諧波磁通和電壓的影響，變壓器必須在一次側或者二次側存在閉合的繞組回路。

3）變壓器結構要簡單，易于設計和制造，變壓器運行的可靠性要高。因為變壓器不需要考慮一次側中性點接地問題，因此變壓器的設計限制條件變少了，可以得到更為簡單的結構，設計和制造應該更方便。

4）有較高的材料利用率。盡量提高材料利用率，提高經濟性，同時減小變壓器的體積，節約有限的船舶空間。

下面將按照以上設計要求，研究新型的適用于船舶三相三線絕緣制電力系統的平衡變壓器。

1.2船舶平衡變壓器設計方案

變壓器一次側構成了一個三相系統，二次側構成了一個兩相系統。

變壓器繞組匝數關系為：

令變比為

當滿足式（2）時，平衡變壓器繞組間的電壓向量圖如圖3所示。

在三角形axc中，

那么，

得到：

2 船舶平衡變壓器仿真分析

2.1有限元建模

平衡變壓器運行時，電場量和磁場量是隨時間變化的，因此需要采用瞬態場求解器。啟動ANSOFT軟件，選擇Maxwell 2D設計分析類型，采用Magnetic欄下的Transient求解器，建立平衡變壓器幾何模型，定義材料類型，從而建立容量為1 kVA的平衡變壓器二維瞬態模型，如圖4所示。

圖4平衡變壓器二維物理模型

平衡變壓器的主要結構數據及參數如下：

鐵芯材料：DW465-50；

疊壓系數：0.97。

2.2外圍電路設計

為了更準確且有效的仿真平衡變壓器的運行過程，采用了ANSYS Maxwell自帶的Maxwell Circuit Editor編輯變壓器外圍電路，生成電路列表信息，然后將其導入ANSOFT中進行仿真。平衡變壓器的外圍電路如圖5所示（兩相負載都以200 Ω為例），一次側輸入電壓為三相380 V交流電。

一次側三相交流電源頻率設置為頻率50 Hz、相電壓峰值311 V的正弦交流電，其中A相參數設置如圖6所示，B相和C相的相角分別為120°和240°。LWindingA、 LWindingB和LWindingC分別為一次側繞組，LWinding_ac和LWinding_b分別為二次側輸出電壓繞組。

圖5 新型平衡變壓器外圍電路圖

2.3對稱負載特性

在實際應用中，阻感性負載是最常見的，設定平衡變壓器帶300 mH電感與100 Ω電阻串聯而成的阻感性負載，仿真結果如圖7所示。

圖7（b）說明對稱阻感性負載不影響輸出電壓。

圖7（c）可以看出，輸出電流波形是對稱的，并且暫態過程幾乎可以忽略不計，該平衡變壓器帶對稱阻感性負載不會產生尖峰電流。

圖7（a）可以看出，一次側三相電流基本保持對稱狀態，不含有零序和負序分量。

2.4不對稱負載特性

平衡變壓器運行過程中，不可能保持兩相負載始終是對稱的，因此仿真其不對稱負載運行特性非常有必要。通過仿真，觀察負載電流對輸出電壓波形的影響以及新型平衡變壓器抑制負序電流的能力，驗證新型平衡變壓器帶不對稱負載時的平衡特性。

圖8 不對稱阻感負載運行時波形圖

從以上仿真結果可以看出：1新型平衡變壓器帶不對稱負載運行時，一次側電流雖然不再是對稱的，但保仍然是平衡的，含有負序分量，但不含有零序分量；2輸出電壓波形與空載運行是完全一樣的，說明變壓器的電壓調整率較低，且變壓器具有較硬的外特性，負載變化基本不影響輸出電壓波形。

3 結語

本文結合當前船舶電力系統單相負載供電引起的三相不平衡問題，在分析了現有平衡變壓器基本原理基礎上，提出了適用于船舶電力系統單相負載的平衡變壓器設計要求，結合船舶電力系統的特點，設計了一種新型結構的平衡變壓器。

建立了數學模型，分析了平衡變壓器電磁關系和繞組電流關系，著重研究了帶對稱負載和不對稱負載時的負序特性；總結了新型平衡變壓器的特點，并與現有平衡變壓器進行比較，結果表明：新型平衡變壓器繞組數量較少，變壓器結構簡單，材料利用率較高，且不需要進行復雜的阻抗匹配，生產制造容易。

最后，采用ANSOFT Maxwell有限元仿真軟件對新型平衡變壓器進行仿真，結果表明：帶對稱負載時，該平衡變壓器可以實現兩相到三相的對稱變換；帶不對稱負載時，可以有效抑制負序電流，消除零序電流，仿真結果與理論推導是一致的。

[1] 壽海明, 冀路明, 回志澎．船舶電力系統的電能質量問題[J]．船電技術, 2006, 26（6）：19-21．

[2] QIU Daqiang，ZHOU Fulin，GAO Shibin，et al．Digital detection, control, and distribution system for co-phase traction power supply application[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60（5）:1831-1839．

[3] ZHU Songfeng，WANG Xinhang．A SVM approach to ship power load forecasting based on RBF kernel [C]．InProceedings of the 5th World Congress on Intelligent Control and Automation．Hangzhou,China, 2004：1824- 1828．

[4] 歐陽帆．基于平衡變壓器三相—單相變換供電方式研究[D]．長沙：湖南大學, 2008.

[5] 張志文．新型平衡變壓器和諧波抑制變壓器理論與應用研究[D]．長沙：湖南大學, 2006．

[6] ZHU Chu，LI Yongsheng．Research on a novel balance transformer with asymmetrical windings[J]．Advanced Materials Research，2014, (915): 1149-1152.

Design and Simulation of Marine New Balance Transformer

Sun Hongguang, Yang Ming

(Naval Representatives Office in Dalian Area, Dalian 116021, Liaoning, China)

TM401

A

1003-4862（2018）01-0008-05

2017-10-15

孫宏光(1987-)，男，碩士研究生，工程師。研究方向：艦船監造。