CN112926240B - 短时工作制大容量水冷电抗器设计方法 - Google Patents

短时工作制大容量水冷电抗器设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及短时工作制大容量水冷电抗器设计方法，确定约束条件、固定变量和自由变量，构成一个输入参数集‑根据输入参数集建立一个设计空间，设计空间内包括所有自由变量的组合，每个组合就是一个电抗器设计方案‑对设计空间内的电抗器设计方案进行逐个计算，初步合格方案被归入初步合格方案集‑对初步合格方案集中的所有初步合格方案进行有限元方案计算，根据有限元核算的损耗结果，重新计算初步合格方案的温升‑对初步合格方案进行第二次考核，合格方案被归入合格方案集‑求解合格方案集的最优前沿，在最优前沿中选择最终方案。能够实现对水冷电抗器的稳态或暂态温升计算，将解析方法和有限元方法进行有机结合，兼顾了设计工作的效率与精度。

Description

短时工作制大容量水冷电抗器设计方法
技术领域
本发明属于电力电子电能变换领域，具体涉及一种短时工作制大容量水冷电抗器设计方法。
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，功率电抗器的储能和滤波功能对于实现电能变换具有重要意义。电抗器的体积、重量和损耗占据变换器整体的较大比例。目前在大容量应用场合，往往需要根据具体项目需求进行专门设计，如何在约束条件下优选设计参数以尽可能减少磁性元件的体积、重量和损耗，成为提高变换器功率密度的瓶颈问题之一。
传统设计方法在设计参数取值上依赖于设计经验，难以取得约束条件下的最优解；传统设计方法为了取得更好的设计结果，需要多次迭代设计，工作效率不高；传统设计方法对于水冷散热的、短时工作的电抗器温升缺乏快速有效的计算手段；传统设计方法在设计过程中全部采用解析方法或者全部采用有限元方法，全部采用解析方法效率高而精度较低，全部采用有限元方法效率低而精度较高。因此，需要提出一种新的电抗器优化设计方法，能够实现对水冷电抗器的稳态或暂态温升计算，能够兼顾设计的效率与精度。
发明内容
本发明提供短时工作制大容量水冷电抗器设计方法，能够实现对水冷电抗器稳态或暂态温升计算、能够兼顾设计效率与精度。
为实现上述目的，本发明所述的短时工作制大容量水冷电抗器设计方法，包括以下步骤：
A根据实际需求，确定电抗器的约束条件、固定变量和自由变量，构成一个输入参数集；
B根据输入参数集建立一个设计空间，设计空间内包括所有自由变量的组合，每个组合就是一个电抗器设计方案；
C对设计空间内的电抗器设计方案进行逐个计算；
D当设计空间内的所有电抗器设计方案全部计算完成后，根据电抗器的约束条件对电抗器设计方案进行考核，合格的为初步合格方案，初步合格方案被归入初步合格方案集；
E对初步合格方案集中的所有初步合格方案进行有限元方案计算，进一步核算绕组损耗和电感值；
F根据有限元核算的损耗结果，重新计算初步合格方案的温升；
G根据步骤E的有限元核算结果以及步骤F重算的温升结果，对初步合格方案进行第二次考核，合格方案被归入合格方案集；
H根据合格方案的损耗和功率密度，求解合格方案集的最优前沿，在最优前沿中选择最终方案。
进一步地，还包括对步骤G中的所有合格方案开展统计分析，分析合格解的自由参数在设计范围中的分布情况，以判断设计范围是否合理，以及是否需要调整设计范围。
进一步地，所述步骤A中，约束条件包括：目标电感值Ltarget，最高温升ΔTmax，空间限制宽度Wmax、深度Dmax、高度Hmax；固定变量参数包括：直流电流IDC，电流纹波ΔI，频率f，导体高度HCu，导体宽度DCu，绝缘纸厚度Thlayer，水冷板尺寸，铁芯叠片系数kc，所有材料的密度ρ、比热容cp、导热系数λ；自由变量参数包括：匝数N，磁密幅值Bm，铁芯横截面边长比例系数
Figure GDA0003546552270000021
进一步地，所述步骤C中，具体步骤包括：
a根据磁密幅值Bm和匝数N，计算铁芯横截面面积Ac，并根据铁芯横截面的边长比例系数
Figure GDA0003546552270000022
确定横截面的具体形状；
Figure GDA0003546552270000023
b设计电抗器的分布式气隙，逐个增加气隙数并计算当前电感值，临近目标电感值时，再增加一组调节气隙，使电感值满足误差范围要求；
c根据铁芯BH曲线，计算满载时的电感值；
d计算绕组损耗和铁芯损耗；
e根据损耗、几何参数、环境温度及冷却水温度，建立热网络模型，并计算暂态温升或稳态温升。
进一步地，所述步骤b中，设计电抗器的分布式气隙的方法：
逐个增加气隙数，并根据下式计算当前电感值
Figure GDA0003546552270000031
其中，Rc为铁芯磁阻，Rgi为每个气隙的磁阻，Rw为窗口磁阻，单位1/H。在临近目标电感值时，再增加一组调节气隙，使电感值满足误差范围要求。
进一步地，所述步骤e中，计算水冷电抗器温升的方法：
热网络共有7个结点，结点N1～N5分别代表铁芯左柱、上铁轭、下铁轭、绕组内层和绕组外层，结点N6代表水冷板5，结点N7代表外界空气环境；接地符号表示绝对零度；Q1～Q5分别表示各结点的热源，即损耗。C1～C5分别表示各结点的热容；Rthxy表示结点x到结点y的传导热阻；Rthxya表示结点x到结点y的对流和辐射热阻；T1～T5分别表示各节点的温度，Tam＝32℃表示环境温度，Tco＝21℃表示冷却水温度。
当需要计算暂态温升时，控制方程如下所示
Figure GDA0003546552270000032
采用改进欧拉法求解；
当需要计算稳态温升时，控制方程如下所示
0＝AT+BU
采用不动点方程迭代求解；
控制方程中，A和B为系统参数矩阵，t为时间，T为结点温度向量，U表示外部激励向量；
Figure GDA0003546552270000041
Figure GDA0003546552270000042
Figure GDA0003546552270000043
Figure GDA0003546552270000044
Figure GDA0003546552270000045
Figure GDA0003546552270000046
Figure GDA0003546552270000047
Figure GDA0003546552270000048
T＝[T1 T2 T3 T4 T5]-1
U＝[Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Tco Tam]-1。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明短时工作制大容量水冷电抗器设计方法，能够实现对水冷电抗器的稳态或暂态温升计算，将解析方法和有限元方法进行有机结合，兼顾了设计工作的效率与精度。
附图说明
图1为本发明暂态温升的大容量水冷电抗器优化方法流程图。
图2为实施例中水冷大容量电抗器的主视示意图。
图3为图2的俯视示意图。
图4为图2的侧视示意图。
图5为实施例中水冷大容量电抗器的热路结点划分示意图。
图6为实施例中水冷大容量电抗器的热路模型分示意图。
图中各部分标号如下：
气隙1、绕组2、铁芯3、导热垫层4、水冷板5。
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说明。
如图1所示，短时工作制大容量水冷电抗器设计方法，包括以下步骤：
A根据实际需求，确定电抗器的约束条件、固定变量和自由变量，构成一个输入参数集
约束条件包括：目标电感值Ltarget＝8mH(±5％)，最高温升ΔTmax＝75K，空间限制宽度Wmax＝415mm、深度Dmax＝345mm、高度Hmax＝400mm等；固定变量参数包括：直流电流IDC＝182A，电流纹波ΔI＝31A，频率f＝2kHz，导体高度HCu＝170mm，导体宽度DCu＝0.3mm，绝缘纸厚度Thlayer＝0.18mm，水冷板尺寸，铁芯叠片系数kc＝0.97，所有材料的密度ρ、比热容cp、导热系数λ；自由变量参数包括：匝数N＝12～160，磁密幅值Bm＝0.8～1.4T，铁芯横截面边长比例系数
Figure GDA0003546552270000051
上述空间参数的定义见图2～图4。
B根据输入参数集建立一个设计空间，设计空间内包括所有自由变量的组合，每个组合就是一个电抗器设计方案，共计2128个方案。
C对设计空间内的电抗器设计方案进行逐个计算，具体步骤包括：
a根据磁密幅值Bm和匝数N，计算铁芯横截面面积
Figure GDA0003546552270000052
单位m2，并根据铁芯横截面的边长比例系数
Figure GDA0003546552270000053
确定横截面的具体形状，即铁芯横截面的长E和宽T的值；
b设计电抗器的分布式气隙1，逐个增加气隙数，并根据下式计算当前电感值
Figure GDA0003546552270000061
单位H，其中Rc为铁芯磁阻，Rgi为每个气隙的磁阻，Rw为窗口磁阻，单位1/H。在临近目标电感值时，再增加一组调节气隙，使电感值满足误差范围要求；
c根据铁芯BH曲线，确定实际工作点的磁密幅值Bm和磁导率，根据实际磁导率重新计算实际铁芯磁阻Rcn，用实际铁芯磁阻Rcn取代电感公式中的Rc，即计算满载电感值；
d计算绕组2损耗：根据绕组的匝长、电导率和铁芯横截面面积等，计算绕组的直流电阻RDC，单位Ω，直流铜耗为
Figure GDA0003546552270000062
单位W；此外，根据绕组的空间参数、纹波频率等，计算交流电阻系数FR，交流铜耗为PCu-AC＝(ΔI/2)2FRRDC，单位W。
e计算铁芯3损耗：直流偏磁非正弦激励下的单位重量铁耗由损耗分离铁耗模型计算：
Figure GDA0003546552270000063
单位W/kg，其中，Cdc为直流偏磁损耗系数，Kh、Kec和Kex分别为磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗系数，以上系数均需通过铁耗测量数据提取得到；f为基波频率，单位Hz；
Figure GDA0003546552270000064
为交流磁密幅值，单位T；dB/dt为磁密的微分项，单位T/s。
f根据损耗、几何参数、环境温度、冷却水温度等参数，构建热网络模型如图5、6所示；热网络共有7个结点，结点N1～N5分别代表铁芯左柱、上铁轭、下铁轭、绕组内层和绕组外层，结点N6代表水冷板5，结点N7代表外界空气环境；接地符号表示绝对零度；Q1～Q5分别表示各结点的热源，即损耗。C1～C5分别表示各结点的热容；Rthxy表示结点x到结点y的传导热阻；Rthxya表示结点x到结点y的对流和辐射热阻；T1～T5分别表示各节点的温度，Tam＝32℃表示环境温度，Tco＝21℃表示冷却水温度。
当需要计算暂态温升时，控制方程如下所示
Figure GDA0003546552270000071
采用改进欧拉法求解；
当需要计算稳态温升时，控制方程如下所示
0＝AT+BU
采用不动点方程迭代求解；
上述控制方程中，A和B为系统参数矩阵，t为时间，T为结点温度向量，U表示外部激励向量。
Figure GDA0003546552270000072
Figure GDA0003546552270000073
Figure GDA0003546552270000074
Figure GDA0003546552270000075
Figure GDA0003546552270000076
Figure GDA0003546552270000077
Figure GDA0003546552270000078
Figure GDA0003546552270000079
T＝[T1 T2 T3 T4 T5]-1
U＝[Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Tco Tam]-1
D当设计空间内的所有电抗器设计方案全部计算完成后，根据电抗器的约束条件对电抗器设计方案进行考核，包括空间可行性、温升等，共有180个初步合格方案，初步合格方案被归入初步合格方案集；
E对初步合格方案集中的所有方案进行有限元方案计算，进一步核算绕组损耗和电感值，计算平台为一台i7内核的个人电脑，共用时16.5h；
F根据有限元核算的损耗结果，重新计算初步合格方案的温升；
G根据步骤E的有限元核算结果以及步骤F重算的温升结果，对初步合格方案进行第二次考核，包括电感值误差和温升，180个初步合格方案全部合格并被归入合格方案集。
H根据合格方案的损耗和功率密度，求解合格方案集的最优前沿共计28个方案，在最优前沿中选择最终方案，最终方案的温升为44.3K，功率密度11.3kW/dm3。
I对步骤G中的所有合格方案开展统计分析，分析合格解的自由参数在设计范围中的分布情况，以判断设计范围是否合理，以及是否需要调整设计范围。

Claims (6)

1.一种短时工作制大容量水冷电抗器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
A根据实际需求，确定电抗器的约束条件、固定变量和自由变量，构成一个输入参数集；
B根据输入参数集建立一个设计空间，设计空间内包括所有自由变量的组合，每个组合就是一个电抗器设计方案；
C对设计空间内的电抗器设计方案进行逐个计算；
D当设计空间内的所有电抗器设计方案全部计算完成后，根据电抗器的约束条件对电抗器设计方案进行考核，合格的为初步合格方案，初步合格方案被归入初步合格方案集；
E对初步合格方案集中的所有初步合格方案进行有限元方案计算，进一步核算绕组损耗和电感值；
F根据有限元核算的损耗结果，重新计算初步合格方案的温升；
G根据步骤E的有限元核算结果以及步骤F重算的温升结果，对初步合格方案进行第二次考核，合格方案被归入合格方案集；
H根据合格方案的损耗和功率密度，求解合格方案集的最优前沿，在最优前沿中选择最终方案。
2.根据权利要求1所述短时工作制大容量水冷电抗器设计方法，其特征在于：还包括对步骤G中的所有合格方案开展统计分析，分析合格解的自由参数在设计范围中的分布情况，以判断设计范围是否合理，以及是否需要调整设计范围。
3.根据权利要求1所述短时工作制大容量水冷电抗器设计方法，其特征在于：所述步骤A中，约束条件包括：目标电感值Ltarget，最高温升ΔTmax，空间限制宽度Wmax、深度Dmax、高度Hmax；固定变量参数包括：直流电流IDC，电流纹波ΔI，频率f，导体高度HCu，导体宽度DCu，绝缘纸厚度Thlayer，水冷板尺寸，铁芯叠片系数kc，所有材料的密度ρ、比热容cp、导热系数λ；自由变量参数包括：匝数N，磁密幅值Bm，铁芯横截面边长比例系数
Figure FDA0003546552260000021
Ac为铁芯横截面面积、E为铁芯横截面的长。
4.根据权利要求1所述短时工作制大容量水冷电抗器设计方法，其特征在于：所述步骤C中，具体步骤包括：
a根据磁密幅值Bm和匝数N，计算铁芯横截面面积Ac，并根据铁芯横截面的边长比例系数
Figure FDA0003546552260000022
确定横截面的具体形状；
Figure FDA0003546552260000023
b设计电抗器的分布式气隙，逐个增加气隙数并计算当前电感值，临近目标电感值时，再增加一组调节气隙，使电感值满足误差范围要求；
c根据铁芯BH曲线，计算满载时的电感值；
d计算绕组损耗和铁芯损耗；
e根据损耗、几何参数、环境温度及冷却水温度，建立热网络模型，并计算暂态温升或稳态温升。
5.根据权利要求4所述短时工作制大容量水冷电抗器设计方法，其特征在于：所述步骤b中，设计电抗器的分布式气隙的方法：
逐个增加气隙数，并根据下式计算当前电感值
Figure FDA0003546552260000024
其中，Rc为铁芯磁阻，Rgi为每个气隙的磁阻，Rw为窗口磁阻，单位1/H，在临近目标电感值时，再增加一组调节气隙，使电感值满足误差范围要求。
6.根据权利要求4所述短时工作制大容量水冷电抗器设计方法，其特征在于：所述步骤e中，计算水冷电抗器温升的方法：
热网络共有7个结点，结点N1～N5分别代表铁芯左柱、上铁轭、下铁轭、绕组内层和绕组外层，结点N6代表水冷板5，结点N7代表外界空气环境；接地符号表示绝对零度；Q1～Q5分别表示各结点的热源，即损耗；C1～C5分别表示各结点的热容；Rthxy表示结点x到结点y的传导热阻；Rthxya表示结点x到结点y的对流和辐射热阻；T1～T5分别表示各节点的温度，Tam＝32℃表示环境温度，Tco＝21℃表示冷却水温度；
当需要计算暂态温升时，控制方程如下所示
Figure FDA0003546552260000031
采用改进欧拉法求解；
当需要计算稳态温升时，控制方程如下所示
0＝AT+BU
采用不动点方程迭代求解；
控制方程中，A和B为系统参数矩阵，t为时间，T为结点温度向量，U表示外部激励向量；
Figure FDA0003546552260000032
Figure FDA0003546552260000033
Figure FDA0003546552260000034
Figure FDA0003546552260000035
Figure FDA0003546552260000036
Figure FDA0003546552260000037
Figure FDA0003546552260000038
Figure FDA0003546552260000041
T＝[T1 T2 T3 T4 T5]-1
U＝[Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Tco Tam]-1。
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干式空心电抗器设计软件开发与应用;刘志刚等;《电机与控制学报》;20030630(第02期);全文 *
空心电抗器电感的多变量拟合及其优化;唐达獒等;《大功率变流技术》;20090120(第01期);全文 *
等温升法干式空心电抗器设计的电磁计算及损耗研究;李中元等;《黑龙江电力》;20191015(第05期);全文 *

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