CN114334385A - 一种基于非晶磁芯的兆瓦级中频壳式隔离变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于非晶磁芯的兆瓦级中频壳式隔离变压器，其中变压器的磁芯采用非晶磁芯，非晶磁芯由偶数个环状组件构成，环状组件呈矩形阵列分布形成两框三柱式结构的磁芯，原边绕组和副边绕组按照由内到外的顺序套绕在磁芯的中心柱上，在环状组件和绕组之间设计散热装置，能够保证变压器容量和高隔离等级的情况下，提高变压器的耐压性能、散热性能，本发明的隔离变压器具有达兆瓦级单机容量和高隔离等级，能够达到变压器的高效率传输、高功率密度、低温升、高耐压等技术指标。
Description
技术领域
本发明属于中频变压器领域，特别涉及一种基于非晶磁芯的兆瓦级中频壳式隔离变压器。
背景技术
随着生产力和经济的快速发展，人类对能源资源的需求日益增加。有限的能源资源与快速增长的需求已经成为人与自然不可调和的矛盾。如何实现能源互联和节能高效是电力电子领域面临的新目标和挑战。而随着智能电网的发展，越来多的可再生能源接入电网,对电力系统的电能质量、稳定性及灵活性提出了更高的要求。传统工频变压器虽然具有可靠性高、制作工艺成熟等优点，但是已经无法满足现代电力系统的要求。
本方案的提出的背景是设计一款工况为DAB（双有源桥，dual-active-bridge）工况、应用在大系统（直流达20KV的大电力系统）中、单机容量达到1.5MVA级以及工作频率在500-1000Hz之间的中频变压器。
鉴于上述变压器的工作环境，变压器的耐压水平也需要很高，原、副边绝缘、原边对地绝缘、副边对地绝缘的要求至少需要达到DC50KV。如此大容量高隔离等级的中频变压器目前国内尚无相关制作经验，也没有相关的国标和相关制作规范书。
与传统的50HZ工作频率的工频变压器相比较，工作频率在中频段500-1000Hz之间的变压器，一方面会导致绕组出现严重的涡流效应，绕组损耗骤增，另一方面频率的升高也会导致铁芯的损耗增大，会严重影响变压器效率；同时，当中频变压器达兆瓦级别时的因其单机容量非常大，采用常规的变压器结构设计标准，不仅导致变压器的体积很大，还会增大变压器的损耗。
并且由于中频大容量变压器的损耗较大，但单机变压器的散热面积有限，还需要对中频大容量变压器的散热过程进行设计；应用于大系统中，单机变压器所要承受的最高电压高达20KV，同时变压器两端的电压为占空比为50%的方波电压，这意味着du/dt（ dt是时间的微分，du是电压的微分）会很大，因此需要对变压器的绝缘性能进行设计。
发明内容
针对上述问题，本发明设计了一种基于非晶磁芯的兆瓦级中频壳式隔离变压器，具有达兆瓦级单机容量和高隔离等级，能够达到变压器的高效率传输、高功率密度、低温升、高耐压等技术指标。
本发明的一种基于非晶磁芯的兆瓦级中频壳式隔离变压器，包括：
磁芯，所述磁芯包括偶数个尺寸相同的环状组件，所述环状组件呈矩形阵列分布形成两框三柱式结构的磁芯；
绕组，所述绕组包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组和所述副边绕组按照由内到外的顺序套绕在所述磁芯的中心柱上；
散热装置，设置在所述环状组件和所述绕组之间，用于给所述磁芯和所述绕组散热；
绝缘装置，所述绝缘装置包括在所述原边绕组和所述副边绕组上设置的第一绝缘组件、在所述原边绕组和所述副边绕组之间设置的第二绝缘组件和在所述磁芯和所述绕组之间设置的第三绝缘组件。
进一步地，所述磁芯的材质为非晶铁芯。
进一步地，所述原边绕组和所述副边绕组的材料为紫铜；
或所述原边绕组和所述副边绕组的材料为铜箔。
进一步地，所述铜箔的厚度为0.6~0.9mm。
进一步地，所述原边绕组和所述副边绕组的变比为1：1；
所述原边绕组和所述副边绕组的匝数为40~70匝。
进一步地，所述第一绝缘组件为绝缘纸，绝缘纸铺设在所述原边绕组和所述副边绕组的绕组材料之间，用于实现绕组材料之间的绝缘。
进一步地，所述原边绕组和所述副边绕组之间的绝缘距离至少为36mm，所述第二绝缘组件为环氧树脂，环氧树脂浇筑填充在所述原边绕组和所述副边绕组之间，用于实现所述原边绕组和所述副边绕组的绝缘。
进一步地，所述第三绝缘组件为绝缘板。
进一步地，所述隔离变压器在所述原边绕组、所述副边绕组和所述磁芯芯上分别设置有温度传感器。
进一步地，所述散热装置为水冷板。
本发明的一种基于非晶磁芯的兆瓦级中频壳式隔离变压器，采用非晶磁芯，非晶磁芯由偶数个环状组件构成，环状组件呈矩形阵列分布形成两框三柱式结构的磁芯，在环状组件之间设计散热装置，能够保证变压器容量和高隔离等级的情况下，提高变压器的耐压性能、散热性能。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了根据本发明实施例的中频变压器磁芯结构正面视图；
图2示出了根据本发明实施例的中频变压器水冷板布置结构示意图；
图3示出了根据本发明实施例的中频变压器环状组件结构示意图；
图4示出了根据本发明实施例的中频变压器绕组结构示意图；
图5示出了根据本发明实施例的中频变压器结构示意图。
图中主要标号说明：
1、磁芯；2、绕组；3、水冷板；11、环状组件；12、中心非晶铁芯柱；21、原边绕组；22、副边绕组；4、支撑架；5、槽钢；6、支撑钢柱；7、支撑脚；41、原边绕组冷却进水口；42、原边绕组冷却出水口；43、副边绕组冷却进水口；44、副边绕组冷却出水口；45、铁芯冷却进水口；46、铁芯冷却出水口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
如图5所示，为本发明的一种基于非晶磁芯的兆瓦级中频壳式隔离变压器，包括磁芯1、绕组2、散热装置和绝缘装置。
其中，参见图1和图2，分别为磁芯1的正面视图和俯视图，磁芯1采用偶数个环状组件11组合而成，环状组件11呈矩形阵列分布且在相互靠近的位置固定连接，并且形成两框三柱式结构，中间的柱作为绕设绕组的中心柱；
参见图4，绕组2分为原边绕组21和副边绕组22，同心绕设在环状组件11的连接位置，其中副边绕组22位于原边绕组21外侧；散热装置设置在环状组件11和绕组2之间，用于给磁芯1和绕组2散热降温；
绝缘装置包括第一绝缘组件、第二绝缘组件和第三绝缘组件，第一绝缘组件设置在绕组2材料上，第二绝缘组件设在原边绕组21和副边绕组22之间，第三绝缘组件用于保证磁芯1和绕组2之间的绝缘连接。
考虑到变压器工作的频率在500-1000Hz之间，根据本发明的一个具体实施例，变压器采用了非晶材料作为铁芯材料。非晶材料相比目前的硅钢片而言，其在中频段的铁芯损耗会明显偏低。但是非晶材料为带材，切割不仅很难，而且还容易破坏材料的绝缘造成损耗骤升。同时考虑到磁芯1散热的问题，本实施例设计在磁芯1中加入散热装置，因此本实施例中磁芯1采用多个小横截面积环状组件11组合。相比较于整体式的磁芯1设计，这种设计的优点在于在保证磁芯1横截面积的情况下，可以在环状组件11之间增加散热装置，提高变压器的散热能力。该设计也是本发明的关键点。
本实施例中，参见图1和图2，磁芯1包括四个尺寸相同的环状组件11，呈矩形阵列分布且在相互靠近的位置固定连接构造出中心非晶铁芯柱12，即两框三柱式结构的中心柱；进一步地，同时由于非晶铁芯为带材，需要紧固。为此在每个环状组件11外、整个磁芯1外都绑上多条紧固绳，从多个方向进行加固，紧固绳绝缘等级为H级（180°）。为了提高磁芯1的紧固性，同时还通过在每个环状组件11外加装钢板夹对磁芯1进行进一步加固。
进一步地，考虑到在拐角处，磁密分布极度不均匀，磁性能会变坏，铁芯损耗会增大。因此本实施例中，非晶铁芯在拐角处是采用铁芯柱和铁轭相互搭接的方式进行处理，具体参见图3，给出了单个环状组件11的搭接位置。拐角处是指铁芯柱12与铁轭的连接位置，非晶采用铁芯柱和非晶铁轭一层一层彼此叠装搭接，形成本发明的单个环状组件11。
参见图4，本实施例中，原边绕组21和副边绕组22按照由内到外的顺序同心套绕在中心非晶铁芯柱12上；如图4所示，原边绕组21在内侧，副边绕组22在外侧。
具体地，本实施例中，绕组材料选用常见的紫铜，绕组结构为铜箔绕组。通过仿真和实测对比发现，频率在500-1000Hz时，铜管绕组的涡流效应非常严重，绕组损耗巨大；同时，在变压器工况为DAB工况，应用在大系统中时，利兹线绕组难以满足散热要求，且如果电流太大，需要的利兹线股数太多，工艺成本非常高。而铜箔绕组的涡流效应相对轻微，同时铜箔绕组的导热性良好、电阻率低，非常适合作为本发明的大容量、大电流的变压器绕组。并且铜箔绕组相比于铜管绕组，其空间利用率很高，可以进一步缩小变压器的体积。
进一步地，本实施例中，散热装置为水冷板3，本发明所述的兆瓦级中频壳式隔离变压器通过在靠近环状组件11的位置设置多块水冷板3，给磁芯1和绕组2散热；具体地，在铁芯的前后以及中间均放置水冷板3进行散热，并且在原边绕组21中间以及副边绕组22中间均放置有水冷板3。
进一步地，本实施例中在原边绕组21和副边绕组22上设置有第一绝缘组件，用于匝间绝缘；在原边绕组21和副边绕组22之间设置有第二绝缘组件，用于绝缘原边绕组21和副边绕组22；在磁芯1和绕组2之间设置有第三绝缘组件。
进一步地，第一绝缘组件为绝缘纸，绝缘纸铺设在绕组的铜箔之间。
进一步地，原边绕组21和副边绕组22之间设置有至少为36mm的绝缘距离，第二绝缘组件为环氧树脂，环氧树脂填充在原边绕组21和副边绕组22之间。在变压器制作的过程中，通过给绕组2设计一个模具，然后浇筑上环氧树脂，本实施例中，绝缘距离设置为40mm。
进一步地，第三绝缘组件为绝缘板，绝缘板的耐压达到万伏。本实施例中，在非晶铁芯和原边绕组21之间还具有至少10mm的空气间隙，确保非晶铁芯和原边绕组21之间绝缘连接。
进一步地，铜箔的厚度为0.6~0.9mm。
进一步地，本实施例中，原边绕组21和副边绕组22的变比为1：1。
原边绕组21和副边绕组22的匝数可选范围为40~70匝。绕组匝数的计算方法为：根据磁芯1材料的磁化曲线，选取合适工况下的磁场磁通密度的；可以得到一个NS的值，然后结合设计的磁芯1的横截面积，从而计算得到绕组匝数。其中，“合适”是本领域技术人员根据变压器具体使用的环境可以知悉的合适的范围。
进一步地，隔离变压器在原边绕组21、副边绕组22和磁芯1芯上分别设置有温度传感器。本实施例中，通过在绕组2器原副边绕组22理论最热点位置各埋入一个PT100铂电阻用于绕组2温度测量；同时在铁芯拐角处表面也贴上一个PT100铂电阻用于绕组2温度测量。通过设置PT100铂电阻测量变压器的温升变化，进而控制变压器温度，变压器温度过高一方面会导致损耗增大，另一方面也会导致绝缘的破坏。
如果需要实现更好的散热效果，可以在中心柱（中心磁芯柱）横截面积一定的情况下，采用更多个（偶数）小尺寸的环状组件11构造出两框三柱式结构的磁芯，并在环状组件11间设置水冷板3。
图2给出了本发明实施例的中频变压器水冷板布置结构示意图，图5给出了本发明实施例的中频变压器的整体结构示意图。参见图2，本实施例中，水冷板3平行于环状组件11的窗口平面设置，并且夹在每个环状组件11的前后侧。参见图5，在绕组2的位置同样以平行于环状组件11的窗口平面设置有水冷板，图5中绕组2的水冷板3设置在绕组壳体内，冷却水的进水管和出水管穿过壳体连通内部的水冷板3，具体地，绕组2处的水冷板3安装在原边绕组21的中间位置以及副边绕组22的绕组中间的区域（绕组材料包裹水冷板3的缠绕方式）；并且在绕组在磁芯1的前后侧均安装了水冷板3。
参见图5，本实施例中，中频隔离变压器还包括支撑架4，支撑架4为立方体框架结构，由槽钢5和支撑钢柱6螺纹连接构成，支撑架4套设在磁芯1和绕组2外，支撑架上集成有连通水冷板3的接口，如图5所示，具体包括位于支撑架4顶部侧边（靠近铁轭的一侧）的原边冷却进水口41、原边冷却出水口42、副边冷却进水口43的副边冷却出水口44，位于支撑架4底部侧边（变压器下部）的铁芯水冷接口，分别包括铁芯冷却进水口45、铁芯冷却出水口46。支撑架底部还设置有支撑脚7，用于垫高磁芯1同时用于位于磁芯1内的水冷板3的进水管道、出水管道的布置。
磁芯1的每个环状组件11的前后侧均设置有水冷板3，位于磁芯1和绕组2处的水冷板3是平行布置的，位于磁芯1和绕组2处的水冷板3内的冷却水流向是相反的，散热效果更好。
如图5所示，为本发明的一个较佳实施例中，变压器采用的是壳式结构，铁轭包围在绕组2外面，每个环状组件11的尺寸为：
内窗口面积：160mm*520mm；外窗口面积：360mm*720mm。
单个环状组件11的截面积为:100mm*150mm；非晶铁芯总截面积：S=4*150mm*100mm=0.06m2。
铜箔的尺寸：厚度为0.7mm，长度为500mm；原边绕组21和副边绕组22的匝数为均为50匝；
电密：电路流通面积为350mm2。以变压器额定电流600Arms（有效电流为600A）计算，电密约为1.714A/mm2。
水冷板3设置了10块，尺寸为长720mm，宽360mm，高20mm；
其中在环状组件11间设置了9块，在绕组2处设置了4块；如图2所示，标记出来了在环状组件11间设置的水冷板3，绕组2处的水冷板3安装在原边绕组21的匝间中间位置以及副边绕组22的匝间中间位置（图5中未示出，仅示出了连通位于前侧水冷板3的进水管和出水管），前侧后侧分别放置了2块水冷板3，2块水冷板3分别设置在原边绕组21的匝间中间位置以及副边绕组22的匝间中间位置.
变压器的整体尺寸为：长1044mm,宽890mm，高820mm，体积仅有0.76立方米，远远小于1立方米。
实验测得在该绕组结构和标准工况下的铁芯损耗约为2800W，绕组损耗约为6000W，实际及理论传输功率均高达99.4%。同时可以满足高耐压DC50KV的耐压需求，且变压器最高温度仅为73.5度，对水温升不到40度，散热效果极佳。
本发明是对中频隔离变压器的结构部件进行研究设计，提供了一种具有高效率传输、高功率密度（体积小重量轻）、低温升和高耐压等优良性能的高隔离等级下的兆瓦级中频变压器。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于非晶磁芯的兆瓦级中频壳式隔离变压器，其特征在于，包括：
磁芯（1），所述磁芯（1）包括偶数个尺寸相同的环状组件（11），所述环状组件（11）呈矩形阵列分布形成两框三柱式结构的磁芯（1）；
绕组（2），所述绕组（2）包括原边绕组（21）和副边绕组（22），所述原边绕组（21）和所述副边绕组（22）按照由内到外的顺序套绕在所述磁芯（1）的中心柱上；
散热装置，用于给所述磁芯（1）和所述绕组（2）散热；
绝缘装置，所述绝缘装置包括在所述原边绕组（21）和所述副边绕组（22）上设置的第一绝缘组件、在所述原边绕组（21）和所述副边绕组（22）之间设置的第二绝缘组件和在所述磁芯（1）和所述绕组（2）之间设置的第三绝缘组件。
2.根据权利要求1所述的隔离变压器，其特征在于，所述磁芯（1）的材质为非晶铁芯。
3.根据权利要求1所述的隔离变压器，其特征在于，所述原边绕组（21）和所述副边绕组（22）的材料为紫铜；
或所述原边绕组（21）和所述副边绕组（22）的材料为铜箔。
4.根据权利要求3所述的隔离变压器，其特征在于，所述铜箔的厚度为0.6~0.9mm。
5.根据权利要求1所述的隔离变压器，其特征在于，所述原边绕组（21）和所述副边绕组（22）的变比为1：1；
所述原边绕组（21）和所述副边绕组（22）的匝数为40~70匝。
6.根据权利要求1所述的隔离变压器，其特征在于，所述第一绝缘组件为绝缘纸，绝缘纸铺设在所述原边绕组（21）和所述副边绕组（22）的绕组材料之间，用于实现绕组材料之间的绝缘。
7.根据权利要求6所述的隔离变压器，其特征在于，所述原边绕组（21）和所述副边绕组（22）之间的绝缘距离至少为36mm，所述第二绝缘组件为环氧树脂，环氧树脂浇筑填充在所述原边绕组（21）和所述副边绕组（22）之间，用于实现所述原边绕组（21）和所述副边绕组（22）的绝缘。
8.根据权利要求6所述的隔离变压器，其特征在于，所述第三绝缘组件为绝缘板。
9.根据权利要求1所述的隔离变压器，其特征在于，所述隔离变压器在所述原边绕组（21）、所述副边绕组（22）和所述磁芯（1）芯上分别设置有温度传感器。
10.根据权利要求1~9中任一项所述的隔离变压器，其特征在于，所述散热装置为水冷板（3）。
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2022
- 2022-01-06 CN CN202210008625.7A patent/CN114334385B/zh active Active
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