CN105183992B - 高频变压器最大设计容量的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高频变压器最大设计容量的确定方法，包括步骤1：获取高频变压器的磁芯损耗系数；步骤2：获取高频变压器的磁芯面积积A_p、磁芯体积V_core和磁芯窗口面积W_a，以及温升系数K_s；步骤3：计算高频变压器的最优工作磁密值B_opt；步骤4：计算初选设计容量S₀的值、高频变压器原副边绕组的匝数N、交流绕组系数F_r和原副边绕组的平均匝长MLT；步骤5：计算最大设计容量S_m；步骤6：计算新的最大设计容量S'_m；步骤7：比较最大设计容量S'_m和最大设计容量S_m。与现有技术相比，本发明提供的一种高频变压器最大设计容量的确定方法，在磁芯结构和尺寸固定的条件下，可以方便地确定变压器的最大设计容量值。

Description

高频变压器最大设计容量的确定方法

技术领域

本发明涉及高频变压器技术领域，具体涉及一种高频变压器最大设计容量的确定方法。

背景技术

基于电力电子技术，国内外学者开始探索研究实现电能变换的新型智能变压器-电力电子变压器(Power Electronic Transformer，简称PET)，也称固态变压器(Solid-State Transformer，简称SST)。电力电子变压器作为一种高度可控的新型变电装备，其突出特点是能够实现对变压器原副边电压幅值与相位的灵活控制，以满足智能电网未来发展的许多新要求。而在电力电子变压器的大功率拓扑的实现中，中间的高频变压器本体是最基础也是最重要的电磁元件。随着设计容量不断提高，变压器体积不断增大，可通过提升工作频率的方法减小高频变压器本体的物理体积。

因此，高频变压器相比与传统的变压器，其优势在于：

(1)相同磁芯结构和尺寸时，变压器的原副边电压等级显著增大。

(2)相同磁芯结构和尺寸时，变压器的设计容量和功率密度显著增大。

(3)应用领域更加广泛，比如：配电网领域，直流输电领域，以及未来智能电网领域。用在电力电子拓扑中，组成的电力电子变压器可实现对原副边电压幅值与相位的灵活控制，可以满足智能电网未来发展的许多新要求。

目前，在工程技术上，对于高频变压器的设计，都是已知设计容量和频率等参数而展开设计，根据高频变压器的面积设计公式，确定磁芯的规格尺寸，然后，再进行绕组布置和绝缘安排的设计，最终，通过该种设计方式能够满足工程设计要求，但是，随着电力电子技术的发展，未来的电力电子变压器容量会更大，体积会更小，更加地实现装置集成化，对于其中的高频变压器体积要求会更加严格和精确。所以，就需要根据特定的磁芯规格尺寸，对高频变压器展开设计。在特定磁芯结构和尺寸下，为了最大化地提高设计容量，有必要找到一种设计方法，使得高频变压器的设计容量最大，以满足未来高频变压器的发展需求。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种高频变压器最大设计容量的确定方法。

本发明的技术方案是：

所述高频变压器的变比为1:1，原边绕组和副边绕组均采用Litz线绕制而成，所述方法包括：

步骤1：依据高频变压器的磁芯材料获取所述高频变压器的磁芯损耗系数K_m和磁芯损耗指数；所述磁芯损耗指数包括指数α和指数β；所述磁芯损耗系数K_m、指数α和指数β均为常数；

步骤2：依据所述高频变压器的磁芯结构和尺寸获取高频变压器的磁芯面积积A_p、磁芯体积V_core和磁芯窗口面积W_a，以及温升系数K_s；

步骤3：构建所述高频变压器的最优工作磁密计算模型，并依据该最优工作磁密计算模型计算高频变压器的最优工作磁密值B_opt；

步骤4：依据所述最优工作磁密值B_opt、磁芯面积积A_p、所述Litz线的电流密度J和高频变压器的频率f，计算初选设计容量S₀的值；

依据所述初选设计容量S₀、高频变压器原副边的额定电压U、磁芯截面积A_c和频率f，计算高频变压器原副边绕组的匝数N；

获取所述Litz线的参数，所述参数包括Litz线包含的导线股数N_s、单股导线的线径d_c和Litz线的电阻率ρ；计算高频变压器的交流绕组系数F_r的值；

依据高频变压器原副边绕组的排布和绝缘排布，计算原副边绕组的平均匝长MLT；

步骤5：构建所述高频变压器的最大设计容量计算模型，并依据该最大设计容量计算模型计算最大设计容量S_m的值；

步骤6：依据最大设计容量S_m和高频变压器原副边的额定电压U计算高频变压器原副边的额定电流I'；依据所述电流密度J和线径d_c重新计算得到导线股数N′_s和电阻率ρ'，并重新计算得到交流绕组系数F′_r；将交流绕组系数F′_r和电阻率ρ'代入最大设计容量计算模型，得到新的最大设计容量S'_m；

步骤7：比较所述最大设计容量S'_m和最大设计容量S_m：

若二者的误差小于误差设定值，则最大设计容量S'_m为高频变压器最终的最大设计容量；

若二者的误差大于误差设定值，则返回步骤4，将最大设计容量S'_m的值赋值到所述初选设计容量S₀；

所述步骤5中最大设计容量计算模型的表达式为：

其中，

ΔT为温升限制值；K_f为波形系数，K_u为绕组利用系数，η为高频变压器效率，W_a为磁芯窗口截面积，MLT表示原边绕组或副边绕组的平均匝长。

优选的，所述步骤3中最优工作磁密计算模型的表达式为：

其中，k₂＝K_mV_core，ΔT为温升限制值；

优选的，所述步骤4中初选设计容量S₀的计算公式为：

其中，K_f为波形系数，K_u为绕组利用系数，η为高频变压器效率；

所述高频变压器原副边绕组的匝数N的计算公式为：

其中，B_m为工作磁密；

所述导线股数N_s的计算公式为：

其中，A_w为Litz线的载流面积，

优选的，所述步骤4中单股导线的线径d_c和Litz线的电阻率ρ的计算方法为：

步骤41：计算导线的趋肤深度Δ；

步骤42：设定所述单股导线的线径初值d_c0＝0.9×2Δ；依据所述线径初值d_c0查找ZWG线规表确定线径d_c的值；

步骤43：查找所述ZWG线规表获取线径为d_c的单股导线的电阻率ρ_c，依据所述电阻率ρ_c计算Litz线的电阻率为

优选的，所述步骤4中交流绕组系数F_r的计算公式为：

其中，m为高频变压器的绕组层数；X为导线归一化厚度，

Δ为导线的趋肤深度，D₀为Litz线的等效直径，

优选的，所述步骤6中额定电流I'的计算公式为：

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

本发明提供的一种高频变压器最大设计容量的确定方法，在磁芯结构和尺寸固定的条件下，可以方便地确定变压器的最大设计容量值。现有技术通过已知的设计容量、工作频率和原副边电压值参数，不一定能够满足对高频变压器的体积要求，而本发明在抑制磁芯结构和尺寸、工作陪你和原副边电压值而开展设计，满足了对高频变压器的体积要求，同时，使得高频变压器的设计容量值最大，提高了器功率密度，满足了高频变压器对大容量和高功率密度的发展需求。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种高频变压器最大设计容量的确定方法流程图；

图2：本发明实施例中Litz线结构示意图；

图3：本发明实施例中高频变压器的磁芯正视图；

图4：本发明实施例中高频变压器的磁芯侧视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种高频变压器最大设计容量的确定方法的实施例如图1所示，具体为：

一、依据高频变压器的磁芯材料获取高频变压器的磁芯损耗系数和磁芯损耗指数。

本实施例中高频变压器的变比为1:1，起到隔离的作用，将副边的用电设备与原边的电网隔离开来，使得原边和副边没有直接电的联系，减少了原边的电网对副边用电设备的干扰，同时，也减少了副边用电设备中谐波对原边电网的影响。同时，还保护了人身安全。因为隔离变压器的原边是和电网相连的，原边对地有电压和构成回路的，容易触电。而隔离变压器副边的电压是感应获得，与原边(与大地形成回路)不形成一个回路，即与地不构成回路，人触摸到副边不会有危险。一般人操作用电设备都是在副边进行，也不会有触电危险。

原边绕组和副边绕组均采用Litz线绕制而成。磁芯损耗系数为系数K_m，磁芯损耗指数为指数α和指数β。

二、依据高频变压器的磁芯结构和尺寸获取高频变压器的磁芯面积积A_p、磁芯体积V_core和磁芯窗口面积W_a，以及温升系数K_s。

本实施例中高频变压器磁芯采用如图3和4所示的UU型磁芯结构。

三、构建高频变压器的最优工作磁密计算模型，并依据该最优工作磁密计算模型计算高频变压器的最优工作磁密值B_opt。本实施例中最优工作磁密计算模型的表达式为：

其中，k₂＝K_mV_core。

本实施例中最优工作磁密计算模型构建过程为：

1、根据磁芯面积积公式和绕组损耗计算式们建立绕组损耗和设计容量之间的关系式。

在经典的变压器涉及理论中，变压器面积积A_p是变压器磁芯到小的选取标准，实际选择的磁芯面积积值要比计算的磁芯面积积大一点。变压器的面积积A_p值越大，那么最终变压器涉及体积也就越大，变压器面积积的表达式为：

其中，A_c为高频变压器的磁芯界面积，W_a为窗口面积；K_f为波形系数，正弦波时K_f＝4.44，方波时K_f＝4；K_u为绕组的利用系数，一般对于利用Litz线导线类型的绕组形式，K_u＝0.2～0.3；B_m为工作磁密，f为工作频率，J为导线电流密度，S为设计容量，η为高频变压器效率。

在正弦激励下，高频时磁芯损耗的经典计算法时Steinmetz经验公式法，因此，依据Steinmetz经验公式法磁芯损耗P_c的计算公式为：

P_c＝K_mf^αB_m ^βV_core (3)

其中，K_m为磁芯损耗系数，α和β为磁芯损耗指数，对于特定的磁芯材料，α、β和K_m均是常数，V_core为磁芯体积。

在正弦激励下，高频时绕组损耗的经典计算法时Dowell法，因此，依据Dowell法绕组损耗P_cu的计算公式为：

其中，F_r1和F_r2分别为原边绕组和副边绕组的交流绕组系数，I₁和I₂分别为原边绕组和副边绕组的额定电流，R_dc1和R_dc2分别为原边绕组和副边绕组的直流电阻。

为了减小高频时绕组损耗，本实施例中导线类型选择如图2所示的多股Litz线。原边绕组和副边绕组的额定电流以及直流电阻的计算公式为：

其中，J为导线电流密度，σ为导线的电导率，d_c为Litz线中单股导线的直径，N₁和N₂分别为原边绕组和副边绕组Litz线的股数，n₁和n₂分别为原边绕组和副边绕组的匝数，MLT₁和MLT₂分别为原边绕组和副边绕组的平均匝长。

由于本实施例中高频变压器的变比为1:1，因此，F_r＝F_r1＝F_r2和MLT＝MLT₁＝MLT₂，依据式(4)～(8)得到简化后的绕组损耗P_cu计算公式为：

将式(10)代入到式(9)，得到简化后的绕组损耗P_cu计算公式为：

P_cu＝F_rMLTρK_uW_aJ² (11)

其中，ρ为绕组导线的电阻率。

将式(2)代入到式(11)，进一步得到绕组损耗P_cu的计算公式为：

变压器总损耗P_t为磁芯损耗与绕组损耗之和，其计算公式为：

P_t＝P_c+P_cu (14)

将式(3)和式(12)带入到式(14)，得到变压器总损耗P_t的计算公式为：

其中，k₂＝K_mV_core。

2、根据绕组损耗、磁芯损耗计算式、磁芯面积积公式以及温升计算式，建立设计容量与磁密之间的关系式。

在工程计算中，变压器温升ΔT的计算公式为：

其中，K_s为温升系数。对于叠片磁芯如硅钢片，K_s＝41，对于带绕磁芯如非晶和纳米晶磁芯，K_s＝51.3，对于粉末磁芯如铁氧体，K_s＝32.9。

将式(15)代入到式(16)，得到设计容量S的计算公式为：

3、将设计容量对磁密求导，得到最优工作磁密计算式。

构建式(17)设计容量S对工作磁密B_m的求导公式，计算得到使得设计容量S最大时的最优工作磁密B_opt为：

将式(18)代入到式(17)，得到满足温升限制值下，特定磁芯结构和磁芯尺寸下，变压器最大设计容量S_m的计算公式为：

其中，

四、依据最优工作磁密值B_opt、磁芯面积积A_p、Litz线的电流密度J和高频变压器的频率f，计算初选设计容量S₀的值。

依据初选设计容量S₀、高频变压器原副边的额定电压U、磁芯截面积A_c和频率f，计算高频变压器原副边绕组的匝数N。

获取Litz线的参数，计算高频变压器的交流绕组系数F_r的值。本实施例中Litz线的参数包括Litz线包含的导线股数N_s、单股导线的线径d_c和Litz线的电阻率ρ。

依据高频变压器原副边绕组的排布和绝缘排布，计算原副边绕组的平均匝长MLT。

1、初选设计容量S₀的计算公式为：

2、高频变压器原副边绕组的匝数N的计算公式为：

其中，B_m为工作磁密。

3、导线股数N_s的计算公式为：

其中，A_w为Litz线的载流面积，

4、单股导线的线径d_c和Litz线的电阻率ρ的计算方法为：

(1)计算导线的趋肤深度Δ。

本实施例中趋肤深度Δ的计算公式为：

其中，ω为角频率，μ为导线的磁导率，σ为导线的电导率。

(2)为了减小导线趋肤效应引起的涡流损耗，选择单股导线d_c的线径要小于2Δ。因此设定单股导线的线径初值d_c0＝0.9×2Δ；依据线径初值d_c0查找ZWG线规表确定线径d_c的值。

(3)查找ZWG线规表获取线径为d_c的单股导线的电阻率ρ_c，依据所述电阻率ρ_c，计算Litz线的电阻率为

其中，ρ为多股Litz线的电阻率，单位为Ω/m，ρ_c为多股Litz线中单股导线的电阻率，单位为Ω/m。

5、交流绕组系数F_r的计算公式为：

其中，m为高频变压器的绕组层数；X为导线归一化厚度，

D₀为Litz线的等效直径，

6、本实施例中原副边绕组的排布和绝缘安排依靠变压器设计经验进行，如图3和图4所示，a为磁芯截面宽度，b为磁芯窗口宽度，c为磁芯窗口高度，d为磁芯截面高度，原副边绕组的平均匝长MLT＝2(a+b+d)。

五、构建高频变压器的最大设计容量计算模型，并依据该最大设计容量计算模型计算最大设计容量S_m的值。

本实施例中最大设计容量计算模型的表达式为：

其中，

ΔT为温升限制值；K_f为波形系数，K_u为绕组利用系数，η为高频变压器效率，W_a为磁芯窗口截面积。

六、依据最大设计容量S_m和高频变压器原副边的额定电压U计算高频变压器原副边的额定电流I'；依据电流密度J和线径d_c重新计算得到导线股数N′_s和电阻率ρ'，并重新计算得到交流绕组系数F′_r；将交流绕组系数F′_r和电阻率ρ'代入最大设计容量计算模型，得到新的最大设计容量S'_m。

本实施例中额定电流I'的计算公式为：

七、比较最大设计容量S'_m和最大设计容量S_m：

若二者的误差小于误差设定值，则最大设计容量S'_m为高频变压器最终的最大设计容量；

若二者的误差大于误差设定值，则返回步骤4，将最大设计容量S'_m的值赋值到所述初选设计容量S₀。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (6)

1.一种高频变压器最大设计容量的确定方法，所述高频变压器的变比为1:1，原边绕组和副边绕组均采用Litz线绕制而成，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：依据高频变压器的磁芯材料获取所述高频变压器的磁芯损耗系数K_m和磁芯损耗指数；所述磁芯损耗指数包括指数α和指数β；所述磁芯损耗系数K_m、指数α和指数β均为常数；

步骤2：依据所述高频变压器的磁芯结构和尺寸获取高频变压器的磁芯面积积A_p、磁芯体积V_core和磁芯窗口面积W_a，以及温升系数K_s；

步骤3：构建所述高频变压器的最优工作磁密计算模型，并依据该最优工作磁密计算模型计算高频变压器的最优工作磁密值B_opt；

步骤4：依据所述最优工作磁密值B_opt、磁芯面积积A_p、所述Litz线的电流密度J和高频变压器的频率f，计算初选设计容量S₀的值；

依据所述初选设计容量S₀、高频变压器原副边的额定电压U、磁芯截面积A_c和频率f，计算高频变压器原副边绕组的匝数N；

获取所述Litz线的参数，所述参数包括Litz线包含的导线股数N_s、单股导线的线径d_c和Litz线的电阻率ρ；计算高频变压器的交流绕组系数F_r的值；

依据高频变压器原副边绕组的排布和绝缘排布，计算原副边绕组的平均匝长MLT；

步骤5：构建所述高频变压器的最大设计容量计算模型，并依据该最大设计容量计算模型计算最大设计容量S_m的值；

步骤6：依据最大设计容量S_m和高频变压器原副边的额定电压U计算高频变压器原副边的额定电流I'；依据所述电流密度J和线径d_c重新计算得到导线股数N′_s和电阻率ρ'，并重新计算得到交流绕组系数F′_r；将交流绕组系数F′_r和电阻率ρ'代入最大设计容量计算模型，得到新的最大设计容量S'_m；

步骤7：比较所述最大设计容量S'_m和最大设计容量S_m：

若二者的误差小于误差设定值，则最大设计容量S'_m为高频变压器最终的最大设计容量；

若二者的误差大于误差设定值，则返回步骤4，将最大设计容量S'_m的值赋值到所述初选设计容量S₀；

所述步骤5中最大设计容量计算模型的表达式为：

其中，k₂＝K_mV_core，

ΔT为温升限制值；K_f为波形系数，K_u为绕组利用系数，η为高频变压器效率，W_a为磁芯窗口截面积，MLT表示原边绕组或副边绕组的平均匝长。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中最优工作磁密计算模型的表达式为：

其中，k₂＝K_mV_core，ΔT为温升限制值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中初选设计容量S₀的计算公式为：

其中，K_f为波形系数，K_u为绕组利用系数，η为高频变压器效率；

所述高频变压器原副边绕组的匝数N的计算公式为：

其中，B_m为工作磁密；

所述导线股数N_s的计算公式为：

其中，A_w为Litz线的载流面积，

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中单股导线的线径d_c和Litz线的电阻率ρ的计算方法为：

步骤41：计算导线的趋肤深度Δ；

步骤42：设定所述单股导线的线径初值d_c0＝0.9×2Δ；依据所述线径初值d_c0查找ZWG线规表确定线径d_c的值；

步骤43：查找所述ZWG线规表获取线径为d_c的单股导线的电阻率ρ_c，依据所述电阻率ρ_c计算Litz线的电阻率为

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中交流绕组系数F_r的计算公式为：

其中，m为高频变压器的绕组层数；X为导线归一化厚度，

Δ为导线的趋肤深度，D₀为Litz线的等效直径，

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6中额定电流I'的计算公式为：