大功率中频变压器电磁分析与优化设计

摘要

随着电力电子技术在电力系统、轨道交通、风力发电、电动汽车等领域的广泛应用，以电力电子设备和中高频变压器为核心的中高频能量转换系统逐渐增多，它们通过提高工作频率减小了体积和重量，提高了功率密度。在中频能量转换系统中，中频变压器（medium frequency transformer,MFT）是其关键组成部分。目前，MFT的应用场合包括与电网连接的变换器、轨道牵引变换器、海上风电场和电动汽车充电桩等。本文以电子电力变压器（electronic power transformer,EPT）为应用背景，围绕大功率MFT的电磁分析与优化设计开展了研究，主要内容包括以下五个方面： 1）建立了带纹波的高频方波激励下的磁芯损耗计算模型，分析了纹波的频率和幅值对磁芯损耗的影响。对于边带谐波含量高的激励，建立了同时考虑主谐波和边带谐波的绕组损耗计算模型。带纹波的高频方波激励下的磁芯损耗和绕组损耗计算模型被用于MFT效率优化。 2）建立了MFT电磁力计算的三维有限元仿真模型，仿真计算并对比了不同交错绕组受到的短路电磁力。考虑了多种不同的故障情况，求取了短路电流和浪涌电流的最大值。仿真计算并对比了MFT在最大短路电流和最大浪涌电流作用下的电磁力，包括沿绕组高度变化的轴向力和辐向力。仿真计算并对比了两种不同交错绕组在最大短路电流作用下的电磁力，包括沿绕组高度变化的轴向力和辐向力。电磁力的仿真与分析可为MFT结构设计提供依据。 3）建立了MFT电场的二维有限元仿真模型，分析了导线类型和绕组交错对MFT电场分布的影响。求取了MFT的电场分布、最大电场强度和沿固定路径的电场分布。仿真计算并对比了采用不同导线类型的绕组的电场分布，仿真计算并对比了交错与非交错绕组的电场分布。电场仿真与分析可为MFT绝缘设计提供依据。 4）提出了一种以最小化总损耗为目标的大功率MFT的优化设计方法。首先，分别从磁芯材料选择、磁芯和导线、绝缘设计、漏感计算和温升计算这五个方面进行设计考虑。其次，结合磁芯损耗和绕组损耗的计算模型，提出了大功率MFT的优化设计方法，并作出设计流程图。在满足设计要求的前提下，求取最优的磁通密度，使得MFT总损耗最小、效率最优。 5）选取了薄硅钢作为磁芯材料，探索了薄硅钢材料在大功率中频领域应用的可行性。研制出一台针对EPT应用场合的35kW/1.5kV/1kHz硅钢磁芯MFT样机，进行了试验研究，包括负载试验、空载试验和短路试验。选取了一台工作频率同样为1kHz且容量相当的非晶磁芯MFT样机进行了对比试验，以评估硅钢磁芯MFT样机的损耗性能、功率密度和噪声水平。结果表明，薄硅钢材料在大功率中频领域应用具有可行性，尤其适用于要求低噪声的场合。MFT样机试验研究为后续MFT样机的研发提供了参考和借鉴。

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