CN106777714B - 中频变压器散热气道设计及其等效温升试验方法 - Google Patents

中频变压器散热气道设计及其等效温升试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中频变压器散热气道设计及其等效温升试验方法，按照损耗平均及各发热体散热气道截面积正比于其发热功率的原则进行散热风道的精细设计，使中频变压器各发热体的温升平均分布；通过基于损耗等效的中频变压器工频过载等效温升试验方法，采用过载电流，降低中频变压器出厂温升试验对试验电源的要求，解决绕组散热设计难以进行试验验证的问题。

Description

中频变压器散热气道设计及其等效温升试验方法
技术领域
本发明涉及电力电子电能变换领域，具体涉及一种中频变压器散热气道设计及其等效温升试验方法。
背景技术
在DC/DC变流器、固态变压器等电力电子变流设备中，中频变压器具备电气隔离、电能变换、功率传输等功能，是关键部件之一。中频变压器的散热方式根据冷却介质的不同可以分为油浸式、水冷、风冷，其中风冷散热的辅助设备较少，安全可靠，成本和制造难度低，但空气的热传导系数较低，对散热气道设计提出了较高要求，且由于大容量中频变压器工作时铁心、绕组以及结构件内部普遍存在涡流损耗，传统电力变压器风冷散热设计方法难以满足散热要求，因此需要对中频变压器的散热气道进行良好规划，以充分带走损耗，避免变压器温升超标。
另外，在考虑散热气道精细设计的同时，中频变压器出厂试验阶段还需要进行温升试验，通过测量中频变压器各部件温升以检验散热气道设计的合理性及生产质量，因此中频变压器温升试验是其定型检验的必要项目之一。但由于大容量中频变压器的额定电流大、工作频率高，而普通试验电源往往输出能力有限，不能对其进行额定电流、额定频率的温升考核，且由于中频变压器绕组的损耗随着频率升高而显著增大，传统工频短路法的温升试验并不能反映额定工况下中频变压器的散热特性。因此，需要提出一种可行的试验方案以在中频变压器出厂试验阶段检验散热气道的散热性能。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种中频变压器散热气道设计及其等效温升试验方法，能对中频变压器的散热气道进行良好规划，充分带走损耗，避免中频变压器温升超标，且能在中频变压器出厂试验阶段进行等效温升试验，检验散热气道的散热性能。
为实现上述目的，本发明所设计的中频变压器散热气道设计方法，包括以下步骤：
A.根据变流设备拓扑结构及调制方式，确定所述中频变压器额定工况的初级电压、次级电压及电流谐波含量；
B.计算绕组损耗：中频变压器运行时处于非正弦供电状态，绕组电流包含丰富的高次谐波分量，在交变磁场下绕组中产生感应电动势，进而产生涡流，反映在绕组端口处的电阻会比其直流电阻大，称之为等效交流电阻，简称交流电阻，交流电阻随着频率变化而变化的，根据各次谐波电流分量及相应的交流电阻计算各次谐波电流产生的损耗，叠加后得到总绕组损耗；
C.计算铁心损耗：对所述中频变压器进行非正弦供电，计算各次谐波的铁心损耗，叠加后得到总铁心损耗；
D.根据所述步骤B中绕组损耗的计算结果，计算各匝绕组损耗，根据所述中频变压器绕组形式计算各层绕组损耗，按照损耗平均的原则，将绕组分组，设计散热气道布置位置的分组方案，其中各组损耗数列方差最小的分组方案，为最优的散热气道布置位置；
E.根据所述步骤B和所述步骤C中绕组损耗和铁心损耗的计算结果，按照各发热体散热气道截面积正比于其发热功率的原则，设计各绕组散热气道及外围风道板尺寸；
F.使用软件建立散热模型进行仿真计算所述步骤D中的散热气道布置位置和所述步骤E中的各绕组散热气道及外围风道板尺寸，校核散热方案。
优选地，所述步骤C中，正弦激励下单位重量铁心损耗pFe由Steinmetz方程：表示，其中，f为铁心工作频率，Bm为铁心磁密峰值，根据铁心材料单位重量损耗曲线，拟合得到常数k，α，β，对所述中频变压器进行非正弦供电，已知初级电压各次谐波分量Un，初级绕组匝数N1，铁心有效截面积Ac，根据
Un＝4.44N1nfBmnAc
计算相应频率下的铁心磁密峰值Bmn，通过Steinmetz方程：计算各次谐波的铁心损耗，叠加后得到总铁心损耗。
优选地，所述步骤D中，记绕组匝数为N1，共分为m层，拟分配n个气道，将绕组分为n+1个组分别予以散热，根据排列组合关系，n个气道在m层绕组的分布位置共有种方案，计算各分组方案下的各组损耗数列，分别计算损耗数列的方差，其中损耗数列方差最小的方案为最优的散热气道布置位置。
一种检验中频变压器散热气道设计方法的等效温升试验方法，在散热气道完成设计、生产后，记绕组在各次谐波频率时的交流电阻为Rn，电流有效值为In-RMS，绕组在非正弦供电下等效电阻为Reff，电流有效值为IRMS，单位时间平均焦耳热损耗Pcu，直流电阻为RDC，取过载电流倍数K为：
对中频变压器进行短路工况下工频过载温升试验，反映其额定频率短路工况时的绕组温升，进行散热气道的散热性能检验。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、按照各发热体散热气道的截面积正比于其发热功率的原则，进行散热气道的精细设计，使中频变压器各发热体的温升平均分布。
2、通过基于绕组损耗等效的中频变压器工频过载等效温升试验，采用过载电流，降低中频变压器出厂温升试验对试验电源的要求，解决了绕组散热气道的设计难以进行散热性能试验检验的问题。
附图说明
图1为本发明中频变压器散热气道设计及其等效温升试验方法中中频变压器的二维剖面俯视示意图。
图中各部件标号如下：
铁心外围风道板1、初级绕组2、次级绕组3、散热气道4、绕组外围风道板5、铁心6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的一种中频变压器散热气道设计方法，包括以下步骤：
A.根据变流设备拓扑结构及调制方式，确定所述中频变压器额定工况的初级电压、次级电压及电流谐波含量；
B.计算绕组损耗：中频变压器运行时处于非正弦供电状态，绕组电流包含丰富的高次谐波分量，在交变磁场下绕组中产生感应电动势，进而产生涡流，反映在绕组端口处的电阻会比其直流电阻大，称之为等效交流电阻，简称交流电阻，交流电阻随着频率变化而变化的。使用有限元电磁场分析软件(如ANSYS Maxwell、Magnet等)建立变压器涡流场模型，计算不同激励频率下的绕组交流电阻，根据各次谐波电流分量及相应的交流电阻计算各次谐波电流产生的损耗，叠加后得到总绕组损耗；
C.计算铁心损耗：正弦激励下单位重量铁心损耗pFe由Steinmetz方程：表示，其中，f为铁心工作频率，单位Hz，Bm为铁心磁密峰值，单位T，铁心损耗pFe单位W/kg，根据铁心材料单位重量损耗曲线，拟合得到常数k＝0.00045716，α＝1.3762，β＝1.7149，对所述中频变压器进行非正弦供电，已知初级电压各次谐波分量Un，初级绕组匝数N1，铁心有效截面积Ac，根据
Un＝4.44N1nfBmnAc
计算相应频率下的铁心磁密峰值Bmn，通过Steinmetz方程：计算各次谐波的铁心损耗，叠加后得到总铁心损耗。
D.根据步骤B中绕组损耗的计算结果，根据中频变压器绕组形式计算各层绕组损耗，按照损耗平均的原则，将绕组分组，设计散热气道布置位置的分组方案，其中各组损耗数列方差最小的分组方案，为最优的散热气道布置位置；
记绕组匝数为N1，共分为m层，拟分配n个气道，将绕组分为n+1个组分别予以散热，则根据排列组合关系，n个气道在m层绕组的分布位置共有种方案，计算各分组方案下的各组损耗数列，分别计算损耗数列的方差，其中损耗数列方差最小的方案为最优的散热气道布置位置；
E.根据步骤B和所述步骤C中绕组损耗和铁心损耗的计算结果，各发热体散热气道的横截面近似为矩形，记某发热体的损耗功率为pi，散热气道的长度为li，宽度为di，截面积Si＝lidi，中频变压器散热截面单位时间空气流量为Qa，冷却空气流速在散热截面内呈平均分布，平均流速为va，有如下关系：
Qa＝va·S＝va∑Si＝va∑lidi
截面积Si内冷却空气单位时间带走的热量Qi为：
Qi＝Ca·(validi)·ρa·ΔTa
其中，Ca为冷却空气的比热容，ρa为冷却空气的密度，ΔTa为冷却空气进出气道后的温差，对于发热功率为pi的发热体，根据能量守恒定律，应有：
pi＝Qi∝lidi＝Si
因此，为了保证中频变压器各发热体的温升平均分布，散热设计时各发热体散热气道的截面积Si正比于其发热功率pi，按照散热气道的截面积正比于发热功率的原则，设计各绕组散热气道及外围风道板尺寸，如附图1所示。
c.使用软件建立散热模型进行仿真计算，校核散热方案。
一种检验中频变压器散热气道设计方法的等效温升试验方法，在散热风道完成设计、生产后，记绕组在各次谐波频率时的交流电阻为Rn，电流有效值为In-RMS，绕组在非正弦供电下等效电阻为Reff，电流有效值为IRMS，单位时间平均焦耳热损耗Pcu，直流电阻为RDC，则有：
中频变压器的损耗包括绕组损耗、铁心损耗、引线损耗、杂散损耗等，短路状态下绕组电压较低，铁心工作磁密低，铁心损耗可以忽略不计，主要损耗为绕组损耗。目前通常在短路状态下开展额定电流有效值下的工频温升试验以验证绕组散热情况，而工频50Hz时，集肤、邻近效应不明显，可以认为绕组电阻等于直流电阻RDC，传统工频温升时中频变压器的绕组损耗与其实际绕组损耗差别较大，为了准确反映中频变压器绕组散热情况，以绕组损耗等效为原则，取过载电流倍数K为：
对中频变压器进行短路工况下工频过载温升试验，反映其额定频率短路工况时的绕组温升，进行散热气道的散热性能检验。
本发明一种中频变压器散热气道设计及其等效温升试验方法，按照各发热体散热气道的截面积正比于其发热功率的原则，进行散热气道的精细设计，使中频变压器各发热体的温升平均分布，以充分带走损耗，避免中频变压器温升超标，且通过基于绕组损耗等效的中频变压器工频过载等效温升试验，采用过载电流，降低中频变压器出厂温升试验对试验电源的要求，解决了绕组散热气道的设计难以进行散热性能试验检验的问题。

Claims (4)

1.一种中频变压器散热气道设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.根据变流设备拓扑结构及调制方式，确定所述中频变压器额定工况的初级电压、次级电压及电流谐波含量；
B.计算绕组损耗：根据各次谐波电流分量及相应的交流电阻计算各次谐波电流产生的损耗，叠加后得到总绕组损耗；
C.计算铁心损耗：对所述中频变压器进行非正弦供电，计算各次谐波的铁心损耗，叠加后得到总铁心损耗；
D.根据所述步骤B中绕组损耗的计算结果，计算各匝绕组损耗，根据所述中频变压器绕组形式计算各层绕组损耗，按照损耗平均的原则，将绕组分组，设计散热气道布置位置的分组方案，其中各组损耗数列方差最小的分组方案，为最优的散热气道布置位置；
E.根据所述步骤B和所述步骤C中绕组损耗和铁心损耗的计算结果，按照各发热体散热气道截面积正比于其发热功率的原则，设计各绕组散热气道及外围风道板尺寸；
F.使用软件建立散热模型进行仿真计算所述步骤D中的散热气道布置位置和所述步骤E中的各绕组散热气道及外围风道板尺寸，校核散热方案。
2.根据权利要求1所述中频变压器散热气道设计方法，其特征在于：所述步骤C中，正弦激励下单位重量铁心损耗pFe由Steinmetz方程：表示，其中，f为铁心工作频率，Bm为铁心磁密峰值，根据铁心材料单位重量损耗曲线，拟合得到常数k，α，β，对所述中频变压器进行非正弦供电，已知初级电压各次谐波分量Un，初级绕组匝数N1，铁心有效截面积Ac，根据
Un＝4.44N1nfBmnAc
计算相应频率下的铁心磁密峰值Bmn，通过Steinmetz方程：计算各次谐波的铁心损耗，叠加后得到总铁心损耗。
3.根据权利要求1所述中频变压器散热气道设计方法，其特征在于：所述步骤D中，记绕组匝数为N1，共分为m层，拟分配n个气道，将绕组分为(n+1)个组分别予以散热，根据排列组合关系，n个气道在m层绕组的分布位置共有种方案，计算各分组方案下的各组损耗数列，分别计算损耗数列的方差，其中损耗数列方差最小的方案为最优的散热气道布置位置。
4.一种检验权利要求1所述中频变压器散热气道设计方法的等效温升试验方法，其特征在于：散热气道完成设计、生产后，记绕组在各次谐波频率时的交流电阻为Rn，电流有效值为In-RMS，绕组在非正弦供电下等效电阻为Reff，电流有效值为IRMS，单位时间平均焦耳热损耗Pcu，直流电阻为RDC，取过载电流倍数K为：
对中频变压器进行短路工况下工频过载温升试验。
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