CN113486548B - 一种大容量中压高频变压器设计方法 - Google Patents
一种大容量中压高频变压器设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种大容量中压高频变压器设计方法，包括变压器设计需求输入、材料参数和迭代步长确定、迭代计算、计算结果的帕累托平面绘制和结果优选、优选结果的有限元验证和结果输出。本发明方法设计流程全数值化，既保证了模型精度又大大降低了设计耗时，可以实现全设计空间的遍历计算，最终结合多目标优化遗传算法实现快速寻优。所提方法极大地简化了变压器的设计流程，并附上具体的实施例验证。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种大容量中压高频变压器设计方法。
背景技术
中频变压器作为功率变换装置中的关键部分之一，主要承担系统的电压变比以及电压隔离。虽然传统工频中压变压器已经有着非常成熟的设计方法，然而在中频下以高功率密度为目标的变压器设计仍然极具挑战。首先在中压下，必须选择相当厚的绝缘材料层来保证中压绕组与低压绕组和磁芯间的绝缘要求，同时绝缘材料还需要承担绕组和磁芯的热耗散。然而一般的绝缘材料热导率较低，并且在高功率密度的紧凑设计下，散热面积更小，这些都使得中频中压变压器的设计极具挑战性。而变压器的功率密度和效率将直接决定最终的变换器系统设计能否达标，完善的中频中压变压器设计优化方案在系统的整体设计中就显得至关重要。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种大容量中压高频变压器设计方法。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种大容量中压高频变压器设计方法，其包括如下步骤：
1)变压器设计需求输入，所述变压器设计需求输入包括：变压器的原边电压Vin、容量P、工作频率f、变比n、绝缘等级Viso、温升限制Tmax；
2)确定材料参数和迭代步长；所述材料参数包括：磁芯材料参数、绝缘材料参数和绕组材料参数；其中磁芯材料参数包括饱和磁通密度、损耗参数、密度、工作温度限制，绝缘材料参数包括介电强度、温度等级、损耗角正切值、密度，绕组材料参数包括利兹线线径、利兹线绝缘层厚度、利兹线绝缘等级、铜箔厚度；
3)进行变压器几何参数和电气参数计算、损耗计算、温升计算；
其中，计算的自变量为：磁芯的磁路宽度Ac、磁芯的工作磁密Bsat、原边绕组的匝数Np，原边的利兹线线径ds1与股数Ns1，副边的利兹线线径ds2与股数Ns2，原副边的电流密度Jp和Js，磁芯数量Nc；
所述变压器几何参数包括磁芯数量Nc、磁芯窗口宽度Gc、磁芯窗口高度Hc，磁芯厚度Bc，绕组宽度W1、W2，绕组高度Hw1、Hw2，绕组平均匝长MLT1、MLT2，主绝缘层度Diso；
变压器电气参数计算包含：励磁电感计算Lm、漏感计算Lr、主绝缘寄生电容计算Cm；
所述的损耗计算包括绕组损耗Pw、磁芯损耗Pcore、绝缘损耗Piso的计算；
所述温升计算包括热阻矩阵Rth计算、热源矩阵Pth计算，温度矩阵T计算、最热点温度Tmax计算；
最终根据变压器的几何参数计算变压器整体的长、宽、高、体积和功率密度，根据变压器的容量和损耗Pw、磁芯损耗Pcore、绝缘损耗Piso总和计算变压器的效率；
4)计算结果判断及迭代计算
判断经步骤3)得到的设计点的最热点温升是否小于温升限制、寄生参数是否满足寄生参数需求范围、变压器外形是否尺寸满足限制，若符合限制和要求，则保留设计点并返回步骤3)继续下一次迭代计算；不满足则舍弃设计点直接返回步骤3)继续下一次迭代计算；直至迭代达到设定步长；
5)计算结果的帕累托平面绘制
将迭代计算满足要求的设计点绘制成散点图，横坐标为功率密度，纵坐标为效率，散点的颜色表示设计的最大温升；采用多目标优化算法获取优选设计；
6)优选结果进行温升、电场、磁场有限元仿真验证；
7)校验仿真验证结果的几何参数、损耗、温升是否满足设计要求，满足则输出设计结果，不满足则返回5)重新优选。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：
(1)迭代速度快：本发明采用了全数值模型计算，所有的迭代和优化过程全部在Matlab中完成，克服了现有技术中的计算耗时长、无法自动优化的缺陷，可以在分钟级的时间内获得十万以上的设计点，并完成寻优；
(2)计算精度高：本发明采用了绕组和磁芯的高频模型，精准刻刻画变压器的损耗和电气参数，克服了现有技术中的经验参数和无法全频域计算的技术问题，从而实现了极高的计算精度和全频域建模。
(3)可制造性强：本发明采用了变压器全几何参数的建模，对于磁芯和绕组的参数刻画明确，克服了原有面积积方法中参数的模糊，从而保证了每一个设计点都具有极高的可制造性。
附图说明
图1为本发明变压器设计方法流程框图。
图2为本发明所提的方法在一个实施例中的热路示意图。
图3为本发明所提方法在一个实施例中的计算结果帕累托平面。
图4为本发明所提方法在一个实施例中的温升有限元校验结果。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
如图1所示，本实施例的大容量中压高频变压器设计方法，包括变压器设计需求输入、材料参数和迭代步长确定、迭代计算、计算结果的帕累托平面绘制和结果优选、优选结果的有限元验证和结果输出；本实施例所述的大容量指功率等级在千瓦以上，中压指变压器的隔离电压在千伏以上，高频指变压器的工作频率在500Hz以上。
其具体步骤如下：
S1变压器设计需求输入
所述变压器设计需求输入包括：变压器的原边电压Vin、容量P、工作频率f、变比n、绝缘等级Viso、温升限制Tmax；
S2材料参数和迭代步长确定
所述材料参数包括：磁芯材料参数、绝缘材料参数和绕组材料参数；其中，磁芯材料参数包括但不限于：饱和磁通密度、损耗参数、密度、工作温度限制，绝缘材料参数包括但不限于：介电强度、温度等级、损耗角正切值、密度，绕组材料参数包括但不限于：利兹线线径、利兹线绝缘层厚度、利兹线绝缘等级、铜箔厚度；
迭代计算的自变量为：磁芯的磁路宽度Ac、磁芯的工作磁密Bsat、原边绕组的匝数Np，原边的利兹线线径ds1与股数Ns1，副边的利兹线线径ds2与股数Ns2，原副边的电流密度Jp和Js，磁芯数量Nc；
S3-S5迭代计算
迭代计算包含：S3变压器几何参数和电气参数计算,S4损耗计算,S5温升计算；
其中，计算的自变量为：磁芯的磁路宽度Ac、磁芯的工作磁密Bsat、原边绕组的匝数Np，原边的利兹线线径ds1与股数Ns1，副边的利兹线线径ds2与股数Ns2，原副边的电流密度Jp和Js，磁芯数量Nc；
所述变压器几何参数包括磁芯数量Nc、磁芯窗口宽度Gc、磁芯窗口高度Hc，磁芯厚度Bc，绕组宽度W1、W2，绕组高度Hw1、Hw2，绕组平均匝长MLT1、MLT2，主绝缘层度Diso；
变压器电气参数计算包含：励磁电感计算Lm、漏感计算Lr、主绝缘寄生电容计算Cm；
所述的损耗计算包括绕组损耗Pw、磁芯损耗Pcore、绝缘损耗Piso的计算；
所述温升计算包括热阻矩阵Rth计算、热源矩阵Pth计算，温度矩阵T计算、最热点温度Tmax计算；
最终根据变压器的几何参数计算变压器整体的长、宽、高、体积和功率密度，根据变压器的容量和损耗Pw、磁芯损耗Pcore、绝缘损耗Piso总和计算变压器的效率；
S6-S8计算结果判断
计算结果判断包含：
S6判断最热点温升小于温升限制、寄生参数满足寄生参数需求范围、变压器外形尺寸满足限制；S7判断结果满足要求则保留设计点；S8判断迭代是否结束，若未结束则返回S3继续迭代计算，若迭代结束则执行步骤S9；
S9计算结果的帕累托平面绘制是将迭代计算满足需求的结果绘制成散点图，横坐标为功率密度，纵坐标为效率，散点的颜色表示设计的最大温升；所诉的结果优选采用多目标优化算法获取优选设计；
S10优选结果有限元验证包含：温升、电场、磁场有限元仿真，
S11校验仿真结果的温升、参数和损耗是否满足设计要求，满足则输出设计结果，不满足则返回S9重新优选；
S12输出优选方案。
在本发明的材料参数和迭代步长确定中，优选地可以在变压器迭代计算前对材料参数进行计算寻优，根绝系统的容量、频率、激励电压幅值确定磁芯材料；根据电流有效值、频率分布、输入电压幅值确定绕组材料和绕组规格；
在本发明的迭代计算中主绝缘层厚度Diso，根绝主绝缘材料的标称击穿场强Eb计算：式中Viso为绝缘要求电压幅值，k为安全系数，一般根据绝缘材料击穿场强的韦布尔分布来确定。
所述热阻矩阵Rth包含传导热阻和表面热阻，传导热阻根据变压器的几何尺寸和对应材料的热导率进行计算：
其中lc为传热路径长度，kc为传热材料热导率，Ac为传热路径截面积；
表面热阻的计算方法如下：首先计算变压器的损耗和
其中hc为对流表面换热系数，hr为辐射表面换热系数，Ac为对流换热面积，Ar为辐射换热面积，
换热系数的计算方法为：
其中Ta为环境温度，ε是辐射面的发射率，σ为玻尔兹曼常数；
其中Ta为环境温度，Pr为普朗特数，L为流体热路长度，k为传热流体的热导率。
所述的绕组平均温升Tw和磁芯平均温升TC均根据各等温体的温度Ti和体积Vi进行加权平均计算：
所述的变压器电气参数计算采用如下方法计算：
励磁电感计算Lm计算方法如下：
其中μ0为真空磁导率，μr为磁芯材料相对磁导率，Acore为磁芯磁路面积，dair为磁路气隙长度N
漏感计算Lr采用逐部体积分的方式：
主绝缘寄生电容计算Cm采用等效为平行板电容器的方式计算：
其中hw为绕组高度，ε0为真空介电常数，εr为绝缘介质介电常数，MLTpri和MLTsec分别为原副边绕组的平均长度，diso为绝缘层厚度。
其中，绕组损耗Pw为：
Pw＝RDC.RF·I2
其中ds为线径，δ为电流频率下集肤深度，η为窗口高度的填充系数，ds为利兹线内部标准线的直径，m为绕组的层数，M1(Δ)和M2(Δ)可以由开尔文-贝塞尔函数计算，RDC为绕组直流电阻；
磁芯损耗Pcore通过磁芯损耗密度Pc与磁芯体积VC相乘计算，损耗密度Pc可计算为：
其中k、α和β为磁芯材料的斯坦梅兹参数，B为磁芯的磁通密度，T为开关周期；
绝缘损耗Piso计算变压器原副边主绝缘层的寄生电容上的绝缘损耗，这一寄生电容可计算为：
损耗可计算为：
其中Vm为寄生电容上的电压幅值，f为电压频率，tanδ为绝缘材料损耗角正切值；
在本实施例中，所提的多目标优化算法采用MOGA遗传算法，在计算过程中，首先对于优化的各个目标进行权重排序，根据排序结果进行多次遗传计算。
在本发明的一个具体实施例中，所述变压器温升计算的具体流程包括：变压器结构对称剖分、等温体划分、温度节点确定、点热源等效、热阻矩阵计算、稳态温度求解，最热点温度和平均温度求解。如图2，依据变压器的对称性对变压器进行了两次剖分，并且变压器被划分为9个等温体，对应温度为T1-T9，变压器的损耗等效为6个点热源，对应为P1,、P3、P4、P5、P7和P8。
热阻矩阵包含传导热阻和表面热阻，传导热阻根据变压器的几何尺寸和对应材料的热导率进行计算，表面热阻可以根据相应材料的辐射和对流进行计算，可得温升求解方程如下：
根据温升方程可求解得到：
T＝Rth·P-1其中T为温升矩阵包含T1-T9，Rth为9*9的热阻矩阵，P为热源矩阵包含P1,、P3、P4、P5、P7和P8
在一个具体的实施例中，本发明的温度计算结果与有限元仿真结果如图4和下表所示，最热点温升温度差小于5℃：
| 温度点 | T1 | T2 | T3 | T4 | T5 | T6 | T7 | T8 | T9 |
| 本方法(℃) | 106.24 | 93.28 | 89.01 | 85.21 | 89.01 | 93.28 | 119.13 | 101.91 | 89.81 |
| 有限元(℃) | 105.7 | 96.07 | 88.83 | 79.61 | 83.85 | 91.75 | 116.97 | 97.15 | 87.17 |
本方法所提的优化过程可在分钟级的时间内获得十万余有效设计，绘制帕累托平面如图3所示，并且创新地对变压器的热路进行解析建模，变压器的温升计算时间大大降低，精度大大提高。
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，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种大容量中压高频变压器设计方法，其特征在于包括如下步骤：
1)变压器设计需求输入，所述变压器设计需求输入包括：变压器的原边电压Vin、容量P、工作频率f、变比n、绝缘等级Viso、温升限制Tmax；
2)确定材料参数和迭代步长；所述材料参数包括：磁芯材料参数、绝缘材料参数和绕组材料参数；其中磁芯材料参数包括饱和磁通密度、损耗参数、密度、工作温度限制，绝缘材料参数包括介电强度、温度等级、损耗角正切值、密度，绕组材料参数包括利兹线线径、利兹线绝缘层厚度、利兹线绝缘等级、铜箔厚度；
3)进行变压器几何参数和电气参数计算、损耗计算、温升计算；
其中，计算的自变量为：磁芯的磁路宽度Ac、磁芯的工作磁密Bsat、原边绕组的匝数Np，原边的利兹线线径ds1与股数Ns1，副边的利兹线线径ds2与股数Ns2，原副边的电流密度Jp和Js，磁芯数量Nc；
所述变压器几何参数包括磁芯数量Nc、磁芯窗口宽度Gc、磁芯窗口高度Hc，磁芯厚度Bc，绕组宽度W1、W2，绕组高度Hw1、Hw2，绕组平均匝长MLT1、MLT2，主绝缘层度Diso；
变压器电气参数计算包含：励磁电感计算Lm、漏感计算Lr、主绝缘寄生电容计算Cm；
所述的损耗计算包括绕组损耗Pw、磁芯损耗Pcore、绝缘损耗Piso的计算；
所述温升计算包括热阻矩阵Rth计算、热源矩阵Pth计算，温度矩阵T计算、最热点温度Tmax计算；
最终根据变压器的几何参数计算变压器整体的长、宽、高、体积和功率密度，根据变压器的容量和损耗Pw、磁芯损耗Pcore、绝缘损耗Piso总和计算变压器的效率；
4)计算结果判断及迭代计算
判断经步骤3)得到的设计点的最热点温升是否小于温升限制、寄生参数是否满足寄生参数需求范围、变压器外形是否尺寸满足限制，若符合限制和要求，则保留设计点并返回步骤3)继续下一次迭代计算；不满足则舍弃设计点直接返回步骤3)继续下一次迭代计算；直至迭代达到设定步长；
5)计算结果的帕累托平面绘制
将迭代计算满足要求的设计点绘制成散点图，横坐标为功率密度，纵坐标为效率，散点的颜色表示设计的最大温升；采用多目标优化算法获取优选设计；
6)优选结果进行温升、电场、磁场有限元仿真验证；
7)校验仿真验证结果的几何参数、损耗、温升是否满足设计要求，满足则输出设计结果，不满足则返回5)重新优选。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于所述的大容量指功率等级在千瓦以上，中压指变压器的隔离电压在千伏以上，高频指变压器的工作频率在500Hz以上。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于在步骤2)中，还包括对材料参数进行计算寻优的步骤，所述计算寻优的步骤具体为：根据输入需求中的容量、工作频率、原边电压Vin值确定磁芯材料；根据电流有效值、频率分布、原边电压确定绕组材料和绕组规格，电流有效值可以根据变压器容量P和原边电压Vin做商获得，频率分布可对电流做快速傅里叶变换获得。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，
所述主绝缘层厚度Diso根据主绝缘材料的标称击穿场强Eb计算：
式中Viso为绝缘要求电压幅值，k为安全系数，根据绝缘材料击穿场强的韦布尔分布来确定。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的温升计算过程包括：变压器结构对称剖分、等温体划分、温度节点确定、点热源等效、热阻矩阵计算、稳态温度求解，最热点温度和平均温度求解。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的多目标优化算法采用MOGA遗传算法。
7.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述热阻矩阵Rth包含传导热阻和表面热阻，传导热阻根据变压器的几何尺寸和对应材料的热导率进行计算：
其中lc为传热路径长度，kc为传热材料热导率，Ac为传热路径截面积；
表面热阻的计算方法如下：首先计算变压器的损耗和
其中hc为对流表面换热系数，hr为辐射表面换热系数，Ac为对流换热面积，Ar为辐射换热面积，
换热系数的计算方法为：
其中Ta为环境温度，ε是辐射面的发射率，σ为玻尔兹曼常数；
其中Ta为环境温度，Pr为普朗特数，L为流体热路长度，k为传热流体的热导率。
8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在在于所述的绕组平均温升Tw和磁芯平均温升TC均根据各等温体的温度Ti和体积Vi进行加权平均计算：
9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的变压器电气参数计算采用如下方法计算：
励磁电感计算Lm计算方法如下：
其中μ0为真空磁导率，μr为磁芯材料相对磁导率，Acore为磁芯磁路面积，dair为磁路气隙长度；
漏感计算Lr采用逐部体积分的方式：
主绝缘寄生电容计算Cm采用等效为平行板电容器的方式计算：
其中hw为绕组高度，ε0为真空介电常数，εr为绝缘介质介电常数，MLTpri和MLTsec分别为原副边绕组的平均长度，diso为绝缘层厚度。
10.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的损耗计算采用如下方法计算：
绕组损耗Pw为：
Pw＝RDC.RF·I2
其中ds为线径，δ为电流频率下集肤深度，η为窗口高度的填充系数，ds为利兹线内部标准线的直径，m为绕组的层数，M1(Δ)和M2(Δ)可以由开尔文-贝塞尔函数计算，RDC为绕组直流电阻；
磁芯损耗Pcore通过磁芯损耗密度Pc与磁芯体积VC相乘计算，损耗密度Pc可计算为：
其中k、α和β为磁芯材料的斯坦梅兹参数，B为磁芯的磁通密度，T为开关周期；
绝缘损耗Piso计算变压器原副边主绝缘层的寄生电容上的绝缘损耗，这一寄生电容可计算为：
绝缘损耗计算为：
其中Vm为寄生电容上的电压幅值，f为电压频率，tanδ为绝缘材料损耗角正切值。
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|---|---|---|---|---|
| CN113962094B (zh) * | 2021-10-26 | 2022-04-26 | 中国矿业大学(北京) | 一种综合考虑振动噪声的高频变压器优化设计方法 |
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2021
- 2021-06-17 CN CN202110671335.6A patent/CN113486548B/zh active Active
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于轻量化需求的大功率中频变压器优化设计;律方成;郭云翔;李鹏;系统仿真学报;第29卷(第1期);154-161 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113486548A (zh) | 2021-10-08 |
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