电力电子变压器中高频变压器磁芯和绕组特性的研究

摘要

电力电子变压器(简称PET)是一种新型变压器，它通过电力电子器件和电力电子变换技术，对能量进行转换与控制，能降低传统变压器的体积和重量，实现节材和节能目的。高频变压器是PET的核心器件，起隔离和传输功率的作用，其性能好坏直接决定PET的性能好坏。性能差的变压器损耗大，效率低，影响系统电路的稳定性和可靠性，甚至引起电力电子器件的故障，导致能量转换失败。
　　本文明确了高频变压器的研究难点，分析了它的等效电路，进行了高频磁性材料特性实验。设计了不同绕组结构的10kVA高频变压器，并对其进行了相关电磁参数、空载特性、短路特性的测量和研究。制作了用于20kHz、10kVA光伏逆变系统的高频变压器。
　　首先，对高频变压器的等效电路和参数计算进行了分析，根据电磁感应定律设计了高频磁性材料特性测试的实验平台，分析了测量结果，得出了铁氧体、非晶合金和纳米晶合金三种磁性材料正弦激励下的高频特性，绘制了它们的磁化曲线和磁滞回线，并对磁性材料不同频率下的损耗进行了计算，为设计和制作高频变压器提供了具有参考价值的材料特性数据。
　　其次，分析了磁性材料损耗的传统模型，在高频磁性材料特性测试得到数据的基础上，得到了纳米晶磁芯的高频磁芯损耗模型，即高频矫顽力、高频磁芯损耗和最大磁通密度、频率的关系。基于三维拟合提出了依据斯坦梅兹(Steinmetz)系数判定高频磁芯损耗的方法，为高频变压器磁芯材料的选型提供有力的参考依据。
　　最后，用有限元方法分析计算了高频变压器绕组在不同条件下的高频效应，以及不同绕组结构对高频变压器电磁参数的影响。设计并完成了两种绕组结构(三明治式、交叉换位式)的高频变压器样机，通过对它们电磁参数的测定及特性分析，明确了交叉换位式绕制技术可减少高频变压器损耗的优势。基于以上实验研究，研制出用于20kHz、10kVA光伏逆变系统的高频变压器，该高频变压器采用了改进的交叉换位式结构，其效率最高可达99.3％。

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第一章 绪论

1.1 电力电子变压器的研究现状和存在的问题

1.2 高频变压器磁芯特性的研究

1.3 高频变压器绕组特性的研究

1.4 本文的主要内容和章节安排

第二章 高频变压器等效电路的分析

2.1 高频变压器的研究难点

2.2 高频变压器电路特性分析

2.3 高频变压器设计

2.4本章小结

第三章 高频变压器磁芯特性研究

3.1 磁性材料特性的测量方法

3.2 高频磁性材料的特性测试

3.3 高频下纳米晶磁芯损耗模型的研究

3.4 大功率高频变压器磁芯材料的实际选型方法

3.5 本章小结

第四章 高频变压器绕组特性研究

4.1 Magnet电磁场数值分析软件

4.2 高频变压器绕组的损耗

4.3 高频变压器的绕组特性分析

4.4 10kVA光伏逆变系统的高频变压器样机设计与实验

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 主要创新点

5.3 工作展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢