CN113190986B - 一种感应滤波变压器的紧凑设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种感应滤波变压器的紧凑设计方法。感应滤波变压器及其一体化滤波系统在满足要求的感应滤波性能前提下采用近似绕组零等效阻抗设计，滤波绕组等效阻抗与变压器尺寸参数紧密关联，以变压器铁芯到外侧绕组的距离为直接优化目标，在近似绕组零等效阻抗区间搜寻最小变压器径向尺寸，藉以实现变压器尺寸参数最优化。该方法兼顾了实施感应滤波的近似零阻抗设计和变压器物理结构尺寸最优化设计，满足了感应滤波装置在安装空间受限环境下的应用需求。

Description

一种感应滤波变压器的紧凑设计方法

技术领域

本发明涉及变压器设计与制造领域，具体涉及一种感应滤波变压器的紧凑设计方法。

背景技术

集成化、模块化和系统化是当前全电舰船电力系统的设计理念，与传统船舶供电系统相比，全电舰船不仅优化了装备配置，提升了空间利用率，还增强了舰船稳定性和隐蔽性。电力电子变换器随之成为了逐渐增多的交直流电力装备的核心器件,而谐波性能是此类基于电力电子变换器的全电舰船的必要考核要求。船舶配电系统的谐波畸变可能会使某类敏感装备过热并导致误操作。以船舶推进变压器为例，谐波成分会导致变压器内部的热损耗，这些损耗包括涡流损耗、磁滞损耗、铜损耗和杂散损耗等，并可能由于过热而导致变压器运行故障。此外，为了增强供电系统鲁棒性，运行在谐波环境下的变压器总要考虑冗余容量设计。目前，在舰船电力系统电能优化领域，缺乏一个兼顾滤波性能和空间利用率的解决方案。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种感应滤波变压器的紧凑设计方法，在满足感应滤波性能的同时，兼顾了绕组阻抗匹配约束条件和变压器尺寸优化。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种感应滤波变压器的紧凑设计方法，所述感应滤波变压器采用近似绕组零等效阻抗设计，变压器尺寸参数与绕组等效阻抗相关联，在近似绕组零等效阻抗区间搜寻最小变压器径向尺寸，藉以实现变压器尺寸参数最优化。

进一步地，所述感应滤波变压器包含三个绕组：一次绕组、二次绕组和滤波绕组；一次绕组连接电源，二次绕组连接负荷，滤波绕组连接滤波器；二次绕组布置在最靠近铁芯处，然后依次是滤波绕组和一次绕组。

进一步地，所述感应滤波变压器需满足滤波绕组零等效阻抗设计，在满足滤波性能的基础上亦可近似零阻抗设计，即：

Z₃＝(Z_k13+Z_k23-Z_k12)/2∈[-x,x]

式中，Z_k12、Z_k13、Z_k23分别是一次绕组与二次绕组、一次绕组与滤波绕组、二次绕组与滤波绕组相互之间的短路阻抗；Z₃是滤波绕组的等效阻抗；[-x,x]是近似绕组零等效阻抗区间，为保证感应滤波性能，x≤0.1％。

进一步地，所述绕组等效阻抗可由含绕组尺寸参数的计算公式求解而出，具体而言，各绕组间的短路阻抗可由下式确定：

式中，f是基波频率，I₁和N₁是一次绕组的额定电流和匝数；μ₀是绝对磁导率；ρ_xy是绕组x和绕组y间的洛氏系数；K是附加电抗系数；∑D_xy是绕组x与绕组y之间的漏磁面积，与变压器绕组尺寸参数有关；e_t是每匝线圈磁势；H_xy是绕组间的平均高度。

进一步地，对于铁芯结构变压器的纵向漏磁场，洛氏系数由下式求解：

漏磁面积则由下式确定：

并且，有以下关系成立：

式中，r₀是铁芯半径；r₁、r₂和r₃是铁芯与绕组之间的中心距；r₂₃和r₃₁是铁芯与气隙之间的中心距；a₁、a₂和a₃分别是一次绕组、二次绕组和滤波绕组厚度；a₀₂、a₂₃和a₃₁分别是二次绕组、二次绕组与滤波绕组、滤波绕组与一次绕组之间的气隙间距。

进一步地，所述感应滤波变压器的直接优化目标为径向尺寸最小，径向尺寸定义为变压器铁芯中心到变压器最外层绕组最外侧距离，即：

d_min＝d＝r₀+a₀₂+a₂+a₂₃+a₃+a₃₁+a₁

式中，r₀是铁芯半径；a₁、a₂和a₃分别是一次绕组、二次绕组和滤波绕组厚度；a₀₂、a₂₃和a₃₁分别是铁芯与二次绕组、二次绕组与滤波绕组、滤波绕组与一次绕组之间的气隙间距。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明的感应滤波变压器在保证滤波性能的前提下采用了近似绕组零等效阻抗设计，实现了变压器径向尺寸的优化，满足了在设备占地空间受限的场景下的应用，拓展了感应滤波变压器的使用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中的感应滤波变压器绕组布置图；

图2为本发明中的近似零阻抗区间取值范围图；

图3为本发明中的感应滤波变压器绕组最小径向尺寸分布图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参见图1，本发明的感应滤波变压器包含三个绕组：一次绕组连接电源，二次绕组连接负荷，滤波绕组连接滤波器。二次绕组布置在最靠近铁芯处，依次是滤波绕组和一次绕组。

为了使得谐波分量在滤波绕组与二次绕组之间感应抵消，需满足滤波绕组等效阻抗的零阻抗设计，在满足感应滤波性能的前提下，亦可进行近似零阻抗设计，即：

Z₃＝(Z_k13+Z_k23-Z_k12)/2∈[-x,x] (1)

式中，Z_k12、Z_k13、Z_k23分别是一次绕组与二次绕组、一次绕组与滤波绕组、二次绕组与滤波绕组相互之间的短路阻抗；Z₃是滤波绕组的等效阻抗；[-x,x]是近似绕组零等效阻抗区间，为保证感应滤波性能，一般而言，x≤0.1％，在本实施例中有x＝0.1％。

图1中还示出了感应滤波变压器的各项尺寸参数。r₀是铁芯半径；r₁、r₂和r₃是铁芯与绕组之间的中心距；r₂₃和r₃₁是铁芯与气隙之间的中心距；a₁、a₂和a₃分别是一次绕组、二次绕组和滤波绕组厚度；a₀₂、a₂₃和a₃₁分别是二次绕组、二次绕组与滤波绕组、滤波绕组与一次绕组之间的气隙间距。有以下关系成立：

两两绕组之间的短路阻抗可由下式求解：

式中，f是基波频率，I₁和N₁是一次绕组的额定电流和匝数；μ₀是绝对磁导率；ρ_xy是绕组x和绕组y间的洛氏系数；K是附加电抗系数；∑D_xy是绕组x与绕组y之间的漏磁面积；e_t是每匝线圈磁势；H_xy是绕组间的平均高度。

对于铁芯结构变压器的纵向漏磁场，洛氏系数由下式求解：

漏磁面积则由下式确定：

当变压器的主要参数(例如额定容量或额定电压)确定之后，变压器绕组的厚度或高度可调整的裕度很小，而通过调整绕组间的间距(a₂₃和a₃₁)可以实现感应滤波变压器的零阻抗设计。图2分别示出了在绝对零阻抗Z₃＝0％和近似零阻抗区间Z₃∈[-0.1％,0.1％]下的a₂₃和a₃₁的一一对应关系。在以上边界与下边界包围的近似零阻抗范围内，尺寸参数a₂₃和a₃₁均能满足实施感应滤波的近似零阻抗设计。

本方法的直接优化目标为径向尺寸最小，径向尺寸定义为变压器铁芯中心到变压器最外层绕组最外侧距离，即：

d_min＝d＝r₀+a₀₂+a₂+a₂₃+a₃+a₃₁+a₁

在近似零阻抗范围搜寻满足d_min的a₂₃和a₃₁对应关系，即可满足实现最小径向尺寸的感应滤波变压器结构设计。

图3给出了实施例优化结果。当气隙间隔设定在5mm时，相比绝对零阻抗设计，近似零阻抗范围内寻得的最小径向尺寸可降低9.21％。

本发明的感应滤波变压器在保证滤波性能的前提下采用了近似绕组零等效阻抗设计，实现了变压器径向尺寸的优化，满足了在设备占地空间受限的场景下的应用，拓展了感应滤波变压器的使用范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种感应滤波变压器的紧凑设计方法，其特征在于，所述感应滤波变压器采用近似绕组零等效阻抗设计，变压器尺寸参数与绕组等效阻抗相关联，在近似绕组零等效阻抗区间搜寻最小变压器径向尺寸，藉以实现变压器尺寸参数最优化；

所述感应滤波变压器需满足滤波绕组零等效阻抗设计，在满足滤波性能的基础上亦可近似零阻抗设计，即：

Z₃＝(Z_k13+Z_k23-Z_k12)/2∈[-x,x]

式中，Z_k12、Z_k13、Z_k23分别是一次绕组与二次绕组、一次绕组与滤波绕组、二次绕组与滤波绕组相互之间的短路阻抗；Z₃是滤波绕组的等效阻抗；[-x,x]是近似绕组零等效阻抗区间；

所述绕组等效阻抗可由含绕组尺寸参数的计算公式求解而出，具体而言，各绕组间的短路阻抗可由下式确定：

式中，f是基波频率，I₁和N₁是一次绕组的额定电流和匝数；μ₀是绝对磁导率；ρ_xy是绕组x和绕组y间的洛氏系数；K是附加电抗系数；∑D_xy是绕组x与绕组y之间的漏磁面积，与变压器绕组尺寸参数有关；e_t是每匝线圈磁势；H_xy是绕组间的平均高度；

对于铁芯结构变压器的纵向漏磁场，洛氏系数由下式求解：

漏磁面积则由下式确定：

并且，有以下关系成立：

式中，r₀是铁芯半径；r₁、r₂和r₃是铁芯与绕组之间的中心距；r₂₃和r₃₁是铁芯与气隙之间的中心距；a₁、a₂和a₃分别是一次绕组、二次绕组和滤波绕组厚度；a₀₂、a₂₃和a₃₁分别是二次绕组、二次绕组与滤波绕组、滤波绕组与一次绕组之间的气隙间距；

所述感应滤波变压器的直接优化目标为径向尺寸最小，径向尺寸定义为变压器铁芯中心到变压器最外层绕组最外侧距离，即：

d_min＝d＝r₀+a₀₂+a₂+a₂₃+a₃+a₃₁+a₁

式中，r₀是铁芯半径；a₁、a₂和a₃分别是一次绕组、二次绕组和滤波绕组厚度；a₀₂、a₂₃和a₃₁分别是铁芯与二次绕组、二次绕组与滤波绕组、滤波绕组与一次绕组之间的气隙间距。

2.根据权利要求1所述的感应滤波变压器的紧凑设计方法，其特征在于，所述感应滤波变压器包含三个绕组：一次绕组、二次绕组和滤波绕组；一次绕组连接电源，二次绕组连接负荷，滤波绕组连接滤波器；二次绕组布置在最靠近铁芯处，然后依次是滤波绕组和一次绕组。

3.根据权利要求1所述的感应滤波变压器的紧凑设计方法，其特征在于，为保证感应滤波性能，x≤0.1％。

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