高頻變壓器最大設(shè)計(jì)容量的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及高頻變壓器技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種高頻變壓器最大設(shè)計(jì)容量的確定 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于電力電子技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者開始探索研究實(shí)現(xiàn)電能變換的新型智能變壓 器-電力電子變壓器（PowerElectronic化ansformer，簡(jiǎn)稱陽T)，也稱固態(tài)變壓器 (Solid-StateTransformer,簡(jiǎn)稱SST)。電力電子變壓器作為一種高度可控的新型變電裝 備，其突出特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變壓器原副邊電壓幅值與相位的靈活控制，W滿足智能電網(wǎng) 未來發(fā)展的許多新要求。而在電力電子變壓器的大功率拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)中，中間的高頻變壓器 本體是最基礎(chǔ)也是最重要的電磁元件。隨著設(shè)計(jì)容量不斷提高，變壓器體積不斷增大，可通 過提升工作頻率的方法減小高頻變壓器本體的物理體積。
[0003] 因此，高頻變壓器相比與傳統(tǒng)的變壓器，其優(yōu)勢(shì)在于：
[0004] (1)相同磁忍結(jié)構(gòu)和尺寸時(shí)，變壓器的原副邊電壓等級(jí)顯著增大。 陽0化](2)相同磁忍結(jié)構(gòu)和尺寸時(shí)，變壓器的設(shè)計(jì)容量和功率密度顯著增大。
[0006] (3)應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，比如：配電網(wǎng)領(lǐng)域，直流輸電領(lǐng)域，W及未來智能電網(wǎng)領(lǐng) 域。用在電力電子拓?fù)渲?，組成的電力電子變壓器可實(shí)現(xiàn)對(duì)原副邊電壓幅值與相位的靈活 控制，可W滿足智能電網(wǎng)未來發(fā)展的許多新要求。
[0007]目前，在工程技術(shù)上，對(duì)于高頻變壓器的設(shè)計(jì)，都是已知設(shè)計(jì)容量和頻率等參數(shù)而 展開設(shè)計(jì)，根據(jù)高頻變壓器的面積設(shè)計(jì)公式，確定磁忍的規(guī)格尺寸，然后，再進(jìn)行繞組布置 和絕緣安排的設(shè)計(jì)，最終，通過該種設(shè)計(jì)方式能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求，但是，隨著電力電子 技術(shù)的發(fā)展，未來的電力電子變壓器容量會(huì)更大，體積會(huì)更小，更加地實(shí)現(xiàn)裝置集成化，對(duì) 于其中的高頻變壓器體積要求會(huì)更加嚴(yán)格和精確。所W，就需要根據(jù)特定的磁忍規(guī)格尺寸， 對(duì)高頻變壓器展開設(shè)計(jì)。在特定磁忍結(jié)構(gòu)和尺寸下，為了最大化地提高設(shè)計(jì)容量，有必要找 到一種設(shè)計(jì)方法，使得高頻變壓器的設(shè)計(jì)容量最大，W滿足未來高頻變壓器的發(fā)展需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要，本發(fā)明提供了一種高頻變壓器最大設(shè)計(jì)容量的確定方 法。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0010] 所述高頻變壓器的變比為1:1，原邊繞組和副邊繞組均采用Litz線繞制而成，所 述方法包括：
[0011] 步驟1 :依據(jù)高頻變壓器的磁忍材料獲取所述高頻變壓器的磁忍損耗系數(shù)Km和磁 忍損耗指數(shù)；所述磁忍損耗指數(shù)包括指數(shù)a和指數(shù)P;所述磁忍損耗系數(shù)Km、指數(shù)a和指 數(shù)P均為常數(shù)；
[0012] 步驟2:依據(jù)所述高頻變壓器的磁忍結(jié)構(gòu)和尺寸獲取高頻變壓器的磁忍面積積Ap、 磁忍體積V。。,。和磁忍窗口面積w。，W及溫升系數(shù)氏；
[0013] 步驟3:構(gòu)建所述高頻變壓器的最優(yōu)工作磁密計(jì)算模型，并依據(jù)該最優(yōu)工作磁密 計(jì)算模型計(jì)算高頻變壓器的最優(yōu)工作磁密值Bwt;
[0014] 步驟4:依據(jù)所述最優(yōu)工作磁密值Bwt、磁忍面積積Ap、所述Litz線的電流密度J 和高頻變壓器的頻率f，計(jì)算初選設(shè)計(jì)容量S。的值；
[0015] 依據(jù)所述初選設(shè)計(jì)容量S。、高頻變壓器原副邊的額定電壓U、磁忍截面積A。和頻率 f，計(jì)算高頻變壓器原副邊繞組的應(yīng)數(shù)N;
[0016] 獲取所述Litz線的參數(shù)，所述參數(shù)包括Litz線包含的導(dǎo)線股數(shù)成、單股導(dǎo)線的線 徑d。和Litz線的電阻率P;計(jì)算高頻變壓器的交流繞組系數(shù)Ff的值；
[0017] 依據(jù)高頻變壓器原副邊繞組的排布和絕緣排布，計(jì)算原副邊繞組的平均應(yīng)長(zhǎng) MLT；
[0018] 步驟5 :構(gòu)建所述高頻變壓器的最大設(shè)計(jì)容量計(jì)算模型，并依據(jù)該最大設(shè)計(jì)容量 計(jì)算模型計(jì)算最大設(shè)計(jì)容量Sm的值；
[0019] 步驟6:依據(jù)最大設(shè)計(jì)容量Sm和高頻變壓器原副邊的額定電壓U計(jì)算高頻變壓器 原副邊的額定電流I' ；依據(jù)所述電流密度J和線徑d。重新計(jì)算得到導(dǎo)線股數(shù)N'S和電阻率 P'，并重新計(jì)算得到交流繞組系數(shù)F'f;將交流繞組系數(shù)F'f和電阻率P'代入最大設(shè)計(jì)容 量計(jì)算模型，得到新的最大設(shè)計(jì)容量S'm;
[0020] 步驟7 :比較所述最大設(shè)計(jì)容量S'm和最大設(shè)計(jì)容量Sm:
[0021] 若二者的誤差小于誤差設(shè)定值，則最大設(shè)計(jì)容量s'm為高頻變壓器最終的最大設(shè) 計(jì)容量；
[0022] 若二者的誤差大于誤差設(shè)定值，則返回步驟4,將最大設(shè)計(jì)容量s'm的值賦值到所 述初選設(shè)計(jì)容量S。。
[0023] 優(yōu)選的，所述步驟3中最優(yōu)工作磁密計(jì)算模型的表達(dá)式為：
[0024]
(1 ) 陽02引其中，
，k2=KmVcwe，AT為溫升限制值；
[00%] 優(yōu)選的，所述步驟4中初選設(shè)計(jì)容量S。的計(jì)算公式為：
[0027]
似
[0028] 其中，Kf為波形系數(shù)，K。為繞組利用系數(shù)，n為高頻變壓器效率；
[0029] 所述高頻變壓器原副邊繞組的應(yīng)數(shù)N的計(jì)算公式為：
[0030]
[0031] 其中，Bm為工作磁密；
[0032] 所述導(dǎo)線股數(shù)成的計(jì)算公式為： 陽0；33]
(斗)
[0034] 其中，A歷Litz線的載流面積，4 = ^; UJ
[0035] 優(yōu)選的，所述步驟4中單股導(dǎo)線的線徑d。和Litz線的電阻率P的計(jì)算方法為：
[0036] 步驟41 :計(jì)算導(dǎo)線的趨膚深度A;
[0037] 步驟42 :設(shè)定所述單股導(dǎo)線的線徑初值屯。=0. 9X2A;依據(jù)所述線徑初值dC遣 找ZWG線規(guī)表確定線徑d。的值；
[003引步驟43:查找所述ZWG線規(guī)表獲取線徑為d。的單股導(dǎo)線的電阻率P。，依據(jù)所述電 阻率P。計(jì)算Litz線的電阻率為口
[0039] 優(yōu)選的，所述步驟4中交流繞組系數(shù)Ff的計(jì)算公式為：
[0040]
(3)
[0041] 其中，m為高頻變壓器的繞組層數(shù)；X為導(dǎo)線歸一化厚度：
[0042] A為導(dǎo)線的趨膚深度，
D。為L(zhǎng)itz線的等效直徑，
[0043] 優(yōu)選的，所述步驟5中最大設(shè)計(jì)容量計(jì)算模型的表達(dá)式為：
[0046] A T為溫升限制值；Kf為波形系數(shù)，K。為繞組利用系數(shù)，n為高頻變壓器效率，W。 為磁忍窗口截面積；
[0047] 優(yōu)選的，所述步驟6中額定電流I'的計(jì)算公式為：
[0048]
(7)。
[0049] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)異效果是：
[0050] 本發(fā)明提供的一種高頻變壓器最大設(shè)計(jì)容量的確定方法，在磁忍結(jié)構(gòu)和尺寸固定 的條件下，可W方便地確定變壓器的最大設(shè)計(jì)容量值?，F(xiàn)有技術(shù)通過已知的設(shè)計(jì)容量、工作 頻率和原副邊電壓值參數(shù)，不一定能夠滿足對(duì)高頻變壓器的體積要求，而本發(fā)明在抑制磁 忍結(jié)構(gòu)和尺寸、工作陪你和原副邊電壓值而開展設(shè)計(jì)，滿足了對(duì)高頻變壓器的體積要求，同 時(shí)，使得高頻變壓器的設(shè)計(jì)容量值最大，提高了器功率密度，滿足了高頻變壓器對(duì)大容量和 高功率密度的發(fā)展需求。
【附圖說明】
[0051] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0052] 圖1 :本發(fā)明實(shí)施例中一種高頻變壓器最大設(shè)計(jì)容量的確定方法流程圖；
[005引圖2 :本發(fā)明實(shí)施例中Litz線結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054] 圖3 :本發(fā)明實(shí)施例中高頻變壓器的磁忍正視圖； 陽化5] 圖4 :本發(fā)明實(shí)施例中高頻變壓器的磁忍側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0056] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0057] 本發(fā)明提供的一種高頻變壓器最大設(shè)計(jì)容量的確定方法的實(shí)施例如圖1所示，具 體為：
[0058] 一、依據(jù)高頻變壓器的磁忍材料獲取高頻變壓器的磁忍損耗系數(shù)和磁忍損耗指 數(shù)。
[0059] 本實(shí)施例中高頻變壓器的變比為1:1，起到隔離的作用，將副邊的用電設(shè)備與原邊 的電網(wǎng)隔離開來，使得原邊和副邊沒有直接電的聯(lián)系，減少了原邊的電網(wǎng)對(duì)副邊用電設(shè)備 的干擾，同時(shí)，也減少了副邊用電設(shè)備中諧波對(duì)原邊電網(wǎng)的影響。同時(shí)，還保護(hù)了人身安全。 因?yàn)楦綦x變壓器的原邊是和電網(wǎng)相連的，原邊對(duì)地有電壓和構(gòu)成回路的，容易觸電。而隔離 變壓器副邊的電壓是感應(yīng)獲得，與原邊（與大地形成回路）不形成一個(gè)回路，即與地不構(gòu)成 回路，人觸摸到副邊不會(huì)有危險(xiǎn)。一般人操作用電設(shè)備都是在副邊進(jìn)行，也不會(huì)有觸電危 險(xiǎn)。
[0060] 原邊繞組和副邊繞組均采用Litz線繞制而成。磁忍損耗系數(shù)為系數(shù)Km，磁忍損耗 指數(shù)為指數(shù)a和指數(shù)0。
[0061] 二、依據(jù)高頻變壓器的磁忍結(jié)構(gòu)和尺寸獲取高頻變壓器的磁忍面積積Ap、磁忍體 積V。。^。和磁忍窗口面積W。，W及溫升系數(shù)氏。 陽06引本實(shí)施例中高頻變壓器磁忍采用如圖3和4所示的UU型磁忍結(jié)構(gòu)。
[0063]=、構(gòu)建高頻變壓器的最優(yōu)工作磁密計(jì)算模型，并依據(jù)該最優(yōu)工作磁密計(jì)算模型 計(jì)算高頻變壓器的最優(yōu)工作磁密值Bwt。本實(shí)施例中最優(yōu)工作磁密計(jì)算模型的表達(dá)式為：
[0066] 本實(shí)施例中最優(yōu)工作磁密計(jì)算模型構(gòu)建過程為：
[0067] 1、根據(jù)磁忍面積積公式和繞組損耗計(jì)算式們建立繞組損耗和設(shè)計(jì)容量之間的關(guān) 系式。
[0068] 在經(jīng)典的變壓器設(shè)及理論中，變壓器面積積Ap是變壓器磁忍到小的選取標(biāo)準(zhǔn)，實(shí) 際選擇的磁忍面積積值要比計(jì)算的磁忍面積積大一點(diǎn)。變壓器的面積積Ap值越大，那么最 終變壓器設(shè)及體積也就越大，變壓器面積積的表達(dá)式為： 陽0例
任》
[0070] 其中，A。為高頻變壓器的磁忍界面積，W。為窗口面積；K巧波形系數(shù)，正弦波時(shí)Kf =4. 44,方波時(shí)Kf= 4 ;K。為繞組的利用系數(shù)，一般對(duì)于利用Litz線導(dǎo)線類型的繞組形式， Ku= 0. 2~0. 3 ;B m為工作磁密，f為工作頻率，J為導(dǎo)線電流密度，S為設(shè)計(jì)容量，n為高 頻變壓器效率。
[0071] 在正弦激勵(lì)下，高頻時(shí)磁忍損耗的經(jīng)典計(jì)算法時(shí)Steinmetz經(jīng)驗(yàn)公式法，因此，依 據(jù)Stei皿etz經(jīng)驗(yàn)公式法磁忍損耗P。的計(jì)算公式為： 陽07引 Pc= Km^BmPy…re 做
[0073]其中，Km為磁忍損耗系數(shù)，a和P為磁忍損耗指數(shù)，對(duì)于特定的磁忍材料，a、P 和Km均是常數(shù)，V。"6為磁忍體積。
[0074] 在正弦激勵(lì)下，高頻時(shí)繞組損耗的經(jīng)典計(jì)算法時(shí)Dowell法，因此，依據(jù)Dowell法 繞組損耗P。。的計(jì)算公式為： 陽0巧]
(斗)
[0076] 其中，F(xiàn)r郝Ff2分別為原邊繞組和副邊繞組的交流繞組系數(shù)，I 1和I 2分別為原邊 繞組和副邊繞組的額定電流，Rdel和Rdc2分別為原邊繞組和副邊繞組的直流電阻。
[0077]