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基于谐波平衡有限元法的变压器直流偏磁特性研究

作　者: 赵小军
导　师: 李琳
学　校: 华北电力大学（北京）
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 压器直流偏磁谐波平衡有限元法改进迭代法定点磁阻率
分类号: TM401.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在高压直流输电系统的运行过程中,电力变压器易受直流偏磁的影响。深入分析直流偏磁现象的机理对变压器的制造和维护具有重要意义。谐波平衡有限元法是求解非线性时域周期电磁场的有效方法。深入研究谐波平衡有限元法的基础理论与高效计算方法,在频域内研究电力变压器的直流偏磁问题具有重要的理论意义与工程价值。在国家自然科学基金项目“非对称周期时域有限元法方法与电力变压器直流偏磁特性的研究”(50677016)与河北省自然科学基金项目“直流偏磁对变压器特性的影响”(E2006000772)的资助下,本文将直流偏磁实验与数值分析方法相结合,研究变压器铁心在直流偏磁条件下的磁化特性和损耗特性。主要研究成果如下：1.对应于不同的直流偏磁磁化方式,分别进行了基于爱泼斯坦方圈和叠片铁心的直流偏磁实验。利用谐波平衡有限元法计算直流偏磁条件下绕组中的励磁电流和铁心中的磁场,计算结果与实验结果相吻合。对励磁电流进行谐波分析,研究了直流偏置量和交流电压对各次谐波分量的影响。2.提出了适用于直流偏磁情况的谐波平衡分解方法,利用基于块矩阵的高斯赛德尔解法和松弛迭代法对磁矢量位和励磁电流的各次谐波依次进行求解。大大降低了计算机的内存需求,使谐波平衡有限元法适用于大规模计算。分析了直流偏置量和交流激励对直流磁通和交流磁通的不同影响。3.提出了预测叠片铁心中直流磁通的改进迭代法和直流偏磁磁滞回线的模拟方法。改进迭代法方法采用基于损耗函数的磁滞模型对直流偏磁磁滞效应进行模拟,并对直流偏磁磁化曲线进行修正,从而获得准确的直流磁通。对非对称的直流偏磁磁化曲线和直流偏磁磁滞回线进行分析,研究了直流偏磁量对叠片铁心磁化特性的影响。4.提出了定点谐波平衡有限元法。确定定点磁阻率的不同方法关系到谐波解的不同收敛方式,由此分别给出了定点谐波平衡法的全局收敛算法和局部收敛算法。全局收敛算法占用内存小,计算时间较短：局部收敛算法则能够实现谐波解的收敛速度。5.基于无偏磁磁化曲线和直流偏磁磁化曲线分别计算直流偏磁条件下叠片铁心内的磁场。对计算得到的励磁电流和磁通密度的分析表明,基于直流偏磁磁化曲线的计算结果更加准确。在定点谐波平衡有限元法中考虑了无偏磁和有偏磁条件下叠片铁心的磁滞效应,计算得到的励磁电流与测量结果相吻合。根据直流偏磁磁场的谐波解对叠片铁心内不同位置的磁滞特性进行了分析。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第1章引言  14-23
  1.1 变压器的直流偏磁问题  14-16
    1.1.1 导致直流偏磁现象的原因  14-15
    1.1.2 直流偏磁对变压器和电网运行的影响  15-16
  1.2 直流偏磁问题的研究动态  16-19
    1.2.1 国外直流偏磁研究现状  16-17
    1.2.2 国内直流偏磁研究现状  17-18
    1.2.3 直流偏磁研究中存在的问题  18-19
  1.3 谐波平衡有限元法的发展和应用  19-20
  1.4 本文的主要工作  20-23
第2章直流偏磁问题的实验研究  23-33
  2.1 基于爱泼斯坦方圈的直流偏磁实验  23-28
    2.1.1 实验内容及方法  24-26
    2.1.2 测量结果及分析  26-28
      2.1.2.1 励磁电流及其谐波分析  26-27
      2.1.2.2 铁损  27-28
  2.2 基于叠片铁心的直流偏磁实验  28-31
    2.2.1 实验内容及方法  28-29
    2.2.2 测量结果及分析  29-31
      2.2.2.1 励磁电流及其谐波分析  29-31
      2.2.2.2 铁损  31
  2.3 本章小结  31-33
第3章谐波平衡有限元法及其分解算法  33-57
  3.1 谐波平衡有限元法  33-45
    3.1.1 谐波平衡在有限元中的引入  33-36
    3.1.2 场路耦合关系  36-39
    3.1.3 计算结果分析  39-45
      3.1.3.1 励磁电流  39-40
      3.1.3.2 偏置量对磁通密度的影响  40-44
      3.1.3.3 磁通分布  44-45
  3.2 谐波平衡分解算法  45-56
    3.2.1 磁阻率矩阵的分解  46-48
    3.2.2 场路耦合矩阵的分解  48-49
    3.2.3 高斯赛德尔解法  49-51
    3.2.4 两种算法的比较  51-56
  3.3 本章小结  56-57
第4章叠片铁心的直流偏磁磁化特性分析  57-78
  4.1 基于损耗函数的磁滞模型  57-62
    4.1.1 损耗函数的简单模型  58-60
    4.1.2 损耗函数的改进模型  60-62
  4.2 叠片铁心的直流偏磁磁化特性  62-75
    4.2.1 简单迭代法  62-65
    4.2.2 改进迭代法  65-68
    4.2.3 直流偏磁磁滞回线和直流偏磁磁化曲线  68-71
    4.2.4 直流偏磁磁滞回线的准确模拟与铁损的计算  71-75
  4.3 电工钢片的直流偏磁磁化特性  75-77
  4.4 本章小结  77-78
第5章定点谐波平衡有限元法  78-96
  5.1 定点技术的引入  78-79
  5.2 定点谐波平衡有限元  79-85
    5.2.1 全局收敛算法  80-82
    5.2.2 局部收敛算法  82-84
    5.2.3 两种算法的比较和分析  84-85
  5.3 基于直流偏磁磁化曲线的计算  85-88
    5.3.1 励磁电流计算结果的比较  85-86
    5.3.2 磁场计算结果的比较  86-88
  5.4 考虑磁滞效应的定点算法  88-94
    5.4.1 无偏磁条件下的计算结果  89-92
      5.4.1.1 无偏磁条件下的励磁电流  90
      5.4.1.2 无偏磁条件下的磁滞回线  90-92
    5.4.2 直流偏磁条件下的计算结果  92-94
      5.4.2.1 直流偏磁条件下的励磁电流  92-93
      5.4.2.2 直流偏磁条件下的磁滞回线  93-94
  5.5 本章小结  94-96
第6章结论  96-99
参考文献  99-105
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  105-107
攻读博士学位期间参加的科研工作  107-108
致谢  108-109
作者简介  109

基于谐波平衡有限元法的变压器直流偏磁特性研究

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