船舶新型平衡变压器的设计与仿真

孙宏光，杨 明



船舶新型平衡变压器的设计与仿真

孙宏光，杨 明

（海军驻大连地区军事代表室，辽宁大连 116021）

船舶电力系统带单相负载运行时引起三相不平衡问题，目前采用的基于平均分配负荷法的供电方式并不能有效解决这个问题。提出了适用于船舶电力系统的平衡变压器的设计基本要求，设计了一种适用于船舶三相三线绝缘电力系统的新型结构平衡变压器，该变压器具有结构简单、材料利用率较高、不需要阻抗匹配、生产制造容易等特点，深入研究平衡变压器的基本原理、运行特性和有限元仿真，结果表明该平衡变压器能够消除零序电流，有效降低负序电流，可以为船舶电力系统解决单相负载运行引起的三相不平衡问题提供了理论支撑和技术支持，具有重要的工程意义和军事应用价值。

平衡变压器 船舶 单相负载

0 引言

当船舶电力系统带单相负载运行时，电网电流的正序分量、负序分量和零序分量相等，这是一种极不平衡状态。尤其是单相负载较大时，电力系统的不平衡度可能超标，对船舶电力系统造成一系列危害，甚至威胁到系统的安全运行[1-3]。

目前船舶带单相负载运行时，采用基于平均分配负荷法的供电方式，单相变压器从电网获得电能向单相负载供电，如图1所示。船舶电力系统在设计之初，将所有的单相负载进行功率计算，尽可能的把所有的单相负载按功率平均分配到A、B、C三相，从而减小系统的不平衡度。但该方法存在以下问题：

1）当所有的单相负载同时运行时，电力系统基本能够保持平衡，达到了国军标规定的要求。但是在实际运行时，这种方法存在很大的局限性，因为在不同的时段，单相负载运行状态是随机的，实际上并不能保证A、B、C三相的瞬态功率相等。

2）不能抑制电网局部区域的三相不平衡。单相变压器带单相负载运行，将造成单相变压器周围的局部电力系统的三相不平衡，对邻近用电设备造成不良影响，相当于底层“污染”。

3）负荷平均分配法给船舶单相负载的布置和接线带来不便。在船舶设计之初，单相负载要按照设计要求接入到相应的单相变压器，当船舶新增或者减少单相负载时，单相负载必将造成不平衡，必须要重新接线来达到新的平衡。

平衡变压器是一种可以将三相对称电压变换为一对相位垂直、幅值相等单相电压的特殊变压器[4]。平衡变压器带任何不对称的单相负载运行，系统都不会产生零序电流分量，且能够降低负序电流分量，它目前被广泛应用在电气化铁路、冶金、电镀等场合。早在20世纪20年代西方国家就发明了斯科特接线平衡变压器，并成功应用在电气化铁道，随后李布郎克（Le Blanc）接线变压器、伍德桥（Wood Bridge）接线变压器以及它们的变形相继出现。中国最早的平衡变压器是阻抗匹配平衡变压器，该平衡变压器已经在我国铁路中被广泛应用，后来又相继出现了十几种各种结构的平衡变压器，推动了平衡变压器在各领域的实际应用。

现有的各类平衡变压器应用在陆地电网，普遍存在以下几个特点：

1）变压器一次侧普遍采用了星形连接，有可以引出接地的中性点。电气化铁路、冶金、电镀等场合，变压器功率很大，一般为兆瓦级别，采用的电制为三相四线制或者三相大电流接地制，因此除了斯科特变压器和李布兰克变压器外，其他所有类型的平衡变压器一次侧都为星形连接，这是因为星形连接的中性点可以引出接地，变压器一次侧的绝缘设计就可以采用相电压绝缘，所要克服的绝缘电压由线电压变为相电压，因此绝缘成本大大降低。

2）变压器二次侧设计有三角形或其他形状的闭环绕组回路。为了防止磁通和电压的三次谐波对电压波形以及电网产生影响，在变压器的二次侧一般设计有三角形绕组回路，或者其他形状的闭环绕组回路来容纳三次谐波，形成环流。

3）变压器二次侧绕组数量较多，实现阻抗匹配较困难。在设计闭环绕组回路的基础上，变压器往往要附加其他的绕组才能得到一对相互垂直的单相电压，因此绕组数量较多，实现阻抗匹配困难，设计和生产过程复杂。

4）材料利用率相差较大。铜材料利用率从70%多到100%不等，最新设计的变压器铁材料利用率普遍较高，甚至达到100%。

1 船舶平衡变压器的设计

1.1船舶平衡变压器设计要求

船舶电力系统一般为三相三线制，与传统的陆地电力系统电制存在巨大差异，现有的平衡变压器无法直接在舰船应用。结合船舶电力系统的特点，船舶用平衡变压器应该满足以下要求：

1）不存在一次侧必须靠中性点接地的问题。我国船舶电力系统采用的是三相三线绝缘制交流系统，中性点不允许接地，并且船舶上单相负载的总功率相对于民用的来说要小很多、电压等级低，因此基本不需要考虑一次侧绝缘成本问题，所以变压器一次侧中性点接地问题在船舶上不用考虑。

2）要有容纳三次谐波环流的闭环绕组回路。为了防止三次谐波磁通和电压的影响，变压器必须在一次侧或者二次侧存在闭合的绕组回路。

3）变压器结构要简单，易于设计和制造，变压器运行的可靠性要高。因为变压器不需要考虑一次侧中性点接地问题，因此变压器的设计限制条件变少了，可以得到更为简单的结构，设计和制造应该更方便。

4）有较高的材料利用率。尽量提高材料利用率，提高经济性，同时减小变压器的体积，节约有限的船舶空间。

下面将按照以上设计要求，研究新型的适用于船舶三相三线绝缘制电力系统的平衡变压器。

1.2船舶平衡变压器设计方案

变压器一次侧构成了一个三相系统，二次侧构成了一个两相系统。

变压器绕组匝数关系为：

令变比为

当满足式（2）时，平衡变压器绕组间的电压向量图如图3所示。

在三角形axc中，

那么，

得到：

2 船舶平衡变压器仿真分析

2.1有限元建模

平衡变压器运行时，电场量和磁场量是随时间变化的，因此需要采用瞬态场求解器。启动ANSOFT软件，选择Maxwell 2D设计分析类型，采用Magnetic栏下的Transient求解器，建立平衡变压器几何模型，定义材料类型，从而建立容量为1 kVA的平衡变压器二维瞬态模型，如图4所示。

图4平衡变压器二维物理模型

平衡变压器的主要结构数据及参数如下：

铁芯材料：DW465-50；

叠压系数：0.97。

2.2外围电路设计

为了更准确且有效的仿真平衡变压器的运行过程，采用了ANSYS Maxwell自带的Maxwell Circuit Editor编辑变压器外围电路，生成电路列表信息，然后将其导入ANSOFT中进行仿真。平衡变压器的外围电路如图5所示（两相负载都以200 Ω为例），一次侧输入电压为三相380 V交流电。

一次侧三相交流电源频率设置为频率50 Hz、相电压峰值311 V的正弦交流电，其中A相参数设置如图6所示，B相和C相的相角分别为120°和240°。LWindingA、 LWindingB和LWindingC分别为一次侧绕组，LWinding_ac和LWinding_b分别为二次侧输出电压绕组。

图5 新型平衡变压器外围电路图

2.3对称负载特性

在实际应用中，阻感性负载是最常见的，设定平衡变压器带300 mH电感与100 Ω电阻串联而成的阻感性负载，仿真结果如图7所示。

图7（b）说明对称阻感性负载不影响输出电压。

图7（c）可以看出，输出电流波形是对称的，并且暂态过程几乎可以忽略不计，该平衡变压器带对称阻感性负载不会产生尖峰电流。

图7（a）可以看出，一次侧三相电流基本保持对称状态，不含有零序和负序分量。

2.4不对称负载特性

平衡变压器运行过程中，不可能保持两相负载始终是对称的，因此仿真其不对称负载运行特性非常有必要。通过仿真，观察负载电流对输出电压波形的影响以及新型平衡变压器抑制负序电流的能力，验证新型平衡变压器带不对称负载时的平衡特性。

图8 不对称阻感负载运行时波形图

从以上仿真结果可以看出：1新型平衡变压器带不对称负载运行时，一次侧电流虽然不再是对称的，但保仍然是平衡的，含有负序分量，但不含有零序分量；2输出电压波形与空载运行是完全一样的，说明变压器的电压调整率较低，且变压器具有较硬的外特性，负载变化基本不影响输出电压波形。

3 结语

本文结合当前船舶电力系统单相负载供电引起的三相不平衡问题，在分析了现有平衡变压器基本原理基础上，提出了适用于船舶电力系统单相负载的平衡变压器设计要求，结合船舶电力系统的特点，设计了一种新型结构的平衡变压器。

建立了数学模型，分析了平衡变压器电磁关系和绕组电流关系，着重研究了带对称负载和不对称负载时的负序特性；总结了新型平衡变压器的特点，并与现有平衡变压器进行比较，结果表明：新型平衡变压器绕组数量较少，变压器结构简单，材料利用率较高，且不需要进行复杂的阻抗匹配，生产制造容易。

最后，采用ANSOFT Maxwell有限元仿真软件对新型平衡变压器进行仿真，结果表明：带对称负载时，该平衡变压器可以实现两相到三相的对称变换；带不对称负载时，可以有效抑制负序电流，消除零序电流，仿真结果与理论推导是一致的。

[1] 寿海明, 冀路明, 回志澎．船舶电力系统的电能质量问题[J]．船电技术, 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] 欧阳帆．基于平衡变压器三相—单相变换供电方式研究[D]．长沙：湖南大学, 2008.

[5] 张志文．新型平衡变压器和谐波抑制变压器理论与应用研究[D]．长沙：湖南大学, 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

孙宏光(1987-)，男，硕士研究生，工程师。研究方向：舰船监造。