一种大功率中频电力变压器设计方法技术

一种大功率中频电力变压器设计方法，包括：推导出方形利兹线的单股最优直径d

A design method of high power if power transformer

A design method of high power if power transformer includes: deriving the optimal diameter D of a single strand of square Leeds line

【技术实现步骤摘要】
一种大功率中频电力变压器设计方法
本专利技术属于中频变压器设计领域，具体涉及一种大功率中频电力变压器设计方法。
技术介绍
用于逆变器、开关电源等电力电子设备的低压小容量高频变压器的设计流程较为成熟，基于铁芯面积乘积公式法进行相关设计，计算出的是AP的最小值，所对应的铁芯尺寸也为最小值，因此从实用角度看至少应从铁芯产品手册中选择再大一号的铁芯。例如，一台反激式开关电源用高频变压器的设计实例，采用AP法选择铁芯时，计算得到的AP为0.48cm4，实际选择的铁芯规格的AP为0.91cm4。铁芯面积乘积公式还涉及到窗口利用系数，只能在设计之前按照经验估计，在设计过程中需要对该系数进行反复调整。由此可知，假如采用AP法设计大功率中频电力变压器，可能会导致铁芯尺寸不能达到最优尺寸。此外，AP法没有考虑变压器的绝缘要求。几何参数法(KG法)是一种在AP法基础上改进的方法，从满足一定电压调整率出发，同样存在AP法的缺陷。常规开关电源高频变压器容量较小，体积、重量、绝缘和温升问题并不突出。由于大功率中频电力变压器的频率、铁芯材料、绕组结构、绝缘、损耗和温升特性、电路拓扑和变压器参数配合等与开关电源高频变压器存在不同，传统的高频变压器设计方法不能直接应用于大功率中频电力变压器的优化设计。国外科研机构在电力电子变压器领域起步较早，在大功率中频电力变压器设计方面已取得一些成果。2006年美国电力科学研究院研制了一台20kVA的单相固态变压器。该PET采用IGBT的二极管箝位型三电平变流器，受目前IGBT耐压水平(≤6.5kV)的限制，对6kV以上配电网来说，该PET的应用受到限制。2007年ABB公司研制了一台输入电压为15kV、容量为1.2MVA、隔离中频变压器频率为400Hz的机车牵引用电力电子变压器。采用16个子模块级联组成，单台中频变压器的容量为75kVA。2010年苏黎世联邦理工学院对电力电子变压器的开关管损耗、电路拓扑和调制等方面进行研究，也讨论了中频电力变压器铁芯拓扑结构的选择，但重点关注于变换器的效率优化。2012年北卡州立大学开展了基于碳化硅技术的电力电子变压器研究工作，试验模型中的同轴绕组式中频电力变压器的额定参数为：20kHz，20kW，12kV/400V。由于同轴绕组式变压器载流能力低，不适用于大容量应用场合。2016年瑞典查尔姆斯大学研制的中频电力变压器的额定参数为：5kHz，50kW，3kV/1kV，在设计流程中引入固定参数、自由参数等概念与约束，对选取的若干自由参数进行扫描取值，得到满足绝缘和温升约束条件的解集，设计方法强调了对漏电感的精确控制。2017年苏黎世联邦理工学院设计了一台20kHz，166kW，1kV/400V，导线采用规格为9500×71μm的圆形利兹线，效率达到99.47％。采用遗传算法，以中频电力变压器损耗和体积为优化目标，以开关频率和最大磁密为优化参数，得到满足温升等约束条件的Pareto前沿解，但并没有提及中频电力变压器的漏电感参数控制方法。此外，国内相关单位对电力电子变压器也开展了研究。南京航空航天大学开展了直流变压器的研究工作，直流到交流和交流到直流分别采用全桥拓扑逆变和全桥整流电路，中间用低压中频电力变压器实现电能变换和初次级两侧电路的电气隔离。由于中频电力变压器两侧的电压比较低，而低压中频电力变压器基本不存在如绝缘、温升技术问题，其研究重点主要集中在两侧电路拓扑和开关模态。该课题组完成了一台功率为4kW、输入电压为150-250V、输出电压790-1350V的样机的研制和测试工作。2013年，中科院电工所研制的100kVA三相PET样机由高压侧三相模块化多电平整流器、隔离型DC-DC变换器及低压侧三相逆变器组成，减少了中频变压器数量，但是关于中频变压器的设计及实现没有详细报道。2014年，华中科技大学研制的500kVA三相PET样机，配套的中频变压器的额定参数为：1kHz、28kW、1500V/385V。设计方法兼顾了绝缘、漏电感与温升，但并未考虑漏电感的频变特性。2017年，华北电力大学对电力电子牵引变压器300kW功率单元中的中频变压器进行设计，额定参数为：5kHz、300kW、1500V/1500V。最优方案中变压器总损耗为3.45kW，效率为98.85％，重量达到了39.15kg。变压器样机采用矩形铜管导线加强绕组散热，运行时管中通循环绝缘散热介质，导致了变压器体积和重量的增加。大功率中频电力变压器的设计，依赖于对新型铁芯材料高频损耗特性的精确把握和寄生电磁参数的准确提取。在高频非正弦激励下，变压器的容量、温升、工作频率、铁芯工作磁密、损耗、铁芯形状和绕组排布方式等相互制约，形成一个复杂的系统化设计难题。尽管国内外关于PET研究工作较多，但是大多数研究都集中在DC-DC变换电路中拓扑结构的选择和控制策略方面。针对大功率中频电力变压器本体的研究工作，诸如中频电力变压器的损耗、温升、漏电感的计算和控制以及绝缘设计等相关方面涉及不是很多，而这些又是指导中频变压器设计的基本理论。
技术实现思路
本专利技术提供一种大功率中频电力变压器设计方法，针对大功率中频电力变压器，由相关公式推导及具体的中频变压器设计数据，得出关于中频变压器优化设计的结论，为后续的工程应用提供支持。本专利技术采取的技术方案为：一种大功率中频电力变压器设计方法，包括以下步骤：步骤1：推导出方形利兹线的单股最优直径dstr-opt和股数表达式k；步骤2：推导出采用方形利兹导线的中频电力变压器的漏磁通道diso表达式，用于调整变压器的漏电感Lσ(pri)；步骤3：基于中频电力变压器匝间绝缘材料的高频方波特征击穿电压，提出中频电力变压器主绝缘尺寸和纵绝缘尺寸计算方法；步骤4：推导出方波电压激励下铁芯高频损耗Pcore，方形利兹线高频损耗表达式PHV和PLV；步骤5：根据固态变压器的系统参数、电力电子控制电路的拓扑结构和控制策略，基于以上步骤1-4中给出的表达式，建立非支配排序遗传算法的中频电力变压器计算机辅助优化设计方法。所述步骤1中，初级、次级绕组方形利兹线的单股最优直径dstr-opt1和dstr-opt2，以及初级、次级绕组方形利兹线的股数表达式k1和k2为:式中，dstr-opt1和dstr-opt2分别为初级、次级绕组方形利兹线的单股最优直径；η为填充率；Kw为波形因子；m1和m2为初级、次级绕组的层数；δw为集肤深度；Nw为变压器变比，Nw＝N1/N2，N1和N2分别为初级、次级绕组的匝数；IT1为漏电感的电流的有效值；Jmax最大电流密度；波形因子Kw的表达式为：式中，In为第n次谐波电流的有效值。集肤深度δw的表达式为：式中，ρw为铜电阻率；σw为铜电导率，温度为20℃条件下铜的电导率为σw＝5.9×107S/m；μ0为真空中磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；f为正弦交变电流的频率。初级、次级绕组方形利兹线的股数k1和k2分别为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大功率中频电力变压器设计方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤1：推导出方形利兹线的单股最优直径d

【技术特征摘要】
1.一种大功率中频电力变压器设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：推导出方形利兹线的单股最优直径dstr-opt和股数表达式k；
步骤2：推导出采用方形利兹导线的中频电力变压器的漏磁通道diso表达式，用于调整变压器的漏电感Lσ(pri)；
步骤3：基于中频电力变压器匝间绝缘材料的高频方波特征击穿电压，提出中频电力变压器主绝缘尺寸和纵绝缘尺寸计算方法；
步骤4：推导出方波电压激励下铁芯高频损耗Pcore，方形利兹线高频损耗表达式PHV和PLV；
步骤5：根据固态变压器的系统参数，基于以上步骤1-4，建立非支配排序遗传算法的中频电力变压器计算机辅助优化设计方法。


2.根据权利要求1所述一种大功率中频电力变压器设计方法，其特征在于：所述步骤1中，初级、次级绕组方形利兹线的单股最优直径dstr-opt1和dstr-opt2，以及初级、次级绕组方形利兹线的股数表达式k1和k2为:






式中，dstr-opt1和dstr-opt2分别为初级、次级绕组方形利兹线的单股最优直径；η为填充率；Kw为波形因子；m1和m2为初级、次级绕组的层数；δw为集肤深度；Nw为变压器变比，Nw＝N1/N2，N1和N2分别为初级、次级绕组的匝数；IT1为漏电感的电流的有效值；Jmax最大电流密度；
波形因子Kw的表达式为：



式中，In为第n次谐波电流的有效值；
集肤深度δw的表达式为：



式中，ρw为铜电阻率；σw为铜电导率，μ0为真空中磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；f为正弦交变电流的频率；
初级、次级绕组方形利兹线的股数k1和k2分别为：








3.根据权利要求1所述一种大功率中频电力变压器设计方法，其特征在于：所述步骤2中，采用方形利兹导线的中频电力变压器的漏磁通道diso表达式：



式中，H为铁芯窗口高度；MLT1为初级绕组的平均匝长；Nl1为初级绕组各层导线的匝数；Lσ(pri)为归算至初级侧的漏电感；dins1和dins2分别为初、次级绕组层间绝缘厚度；γ为复数形式的传播常数，diso为初、次级绕组之间隔离间距；df1和df2为扁铜线的厚度；
kp1、kp2、ks1和ks2的表达式如下：
kp1＝sinh(2df1γ)-2df1γ；
kp2＝sinh(2df2γ)-2df2γ；
ks1＝df1γcosh(df1γ)-sinh(df1γ)；
ks2＝df2γcosh(df2γ)-sinh(df2γ)；
对于方形利兹线，将m1和m2变换为：






将df1和df2变换为：






将df1/δ和df2/δ分别表示为Δ1和Δ2，将铜箔片绕组的归一化厚度Δ1和Δ2改为方形利兹线绕组的归一化厚度Δ1’和Δ2’，即可利用上述方法对方形利兹线绕组中频电力变压器的漏磁通道进行计算：








4.根据权利要求1所述一种大功率中频电力变压器设计方法，其特征在于：所述步骤3中，
主绝缘尺寸包括：高、低压绕组之间最小隔离间距diso-min，低压绕组与铁芯柱之间的最小间距dcf-min，高压绕组与上下铁轭之间最小间距dcl1-min，旁轭之间最小间距dcl2-min；
高、低压绕组之间最小隔离间距diso-min计算式如下：



式中，ksaf为安全系数；Eins为工频击穿场强；
低压绕组与铁芯柱之间的最小间距dcf-min计算式如下：



高压绕组与上下铁轭及旁轭之间最小间距dcl-min计算式如下：



纵绝缘尺寸包括：初、次级绕组匝间距离dt1和dt2、初、次级绕组层间距离dins1和dins2；
初、次级绕组匝间距离dt1和dt2计算式如下：






初、次级绕组层间距离dins1和dins2由下式计算得到：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈彬，梁旭，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42