大功率中频变压器特性研究与优化设计

摘要

随着电力电子器件和高频磁性材料的发展，电力电子变压器被越来越多地引入到高压大功率的应用领域。大功率中频变压器是电力电子变压器电磁耦合环节的关键部件，起着电气隔离和电压变换的作用。由于采用更高的运行频率，且变压器原副边均与电力电子换流器相连接，使得大功率中频变压器的特性与优化设计方法与传统工频变压器有着较大的区别。针对大功率中频变压器开展系统、科学的研究，对于未来电力电子变压器在电力机车、离岸风电以及智能电网中的广泛应用具有重要的意义。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了大功率中频变压器空心绕组交流电阻的计算方法。分析了高频涡流条件下变压器绕组的集肤效应与邻近效应。对运用经典Dowell理想模型计算长箔式绕组高频损耗，以及其他形式的绕组折合为长箔式绕组的方法进行了研究。将空心绕组应用于大功率中频变压器，可以同时提高绕组材料利用率和变压器散热效率。通过分析大量空心绕组中频变压器有限元模型的数值计算结果，总结了绕组空心电阻系数与相关参数之间的关系。通过空心电阻系数这一新参数，将绕组高频交流电阻解析计算公式的应用范围拓展至空心绕组交流电阻的计算中，并通过实验验证了上述方法的正确性与有效性。⑵对比分析了几种非正弦激励下铁心损耗计算修正方法。对变压器铁心损耗的三类计算方法进行了研究。从原理上对比分析了几种非正弦激励下基于原始Steinmetz经验公式的铁损计算修正方法。搭建了铁心磁滞回线测量系统，通过此系统对一纳米晶磁环铁心铁损功率密度进行了测量，并对此铁心的原始Steinmetz经验公式系数进行了拟合。通过对比铁心在方波与三角波电压激励下铁损密度实测值与各修正方法解析计算值，以及在占空比可调的矩形波电压激励下铁损密度有限元仿真计算值与各修正方法解析计算值，验证了理论部分对比分析结果的正确性。⑶研究了大功率中频变压器漏感参数计算及其校正方法。分析了漏感与漏磁场能量、漏磁链之间的关系。依据磁场分区思想，分别基于漏磁场能量与漏磁链对漏感参数解析计算公式进行了推导。根据理想模型与实际工况的差异，提出了漏感计算解析参数的校正方法，对绕组电导率以及漏磁场计算高度进行了修正。通过对比两台样机漏感的实测值与解析计算值证明了所推导漏感解析计算公式的正确性，以及对上述两个参数同时进行校正，可有效减小大功率中频变压器漏感解析计算误差。采用忽略绕组区域磁通部分交链取平均值的方法，简化了此区域漏感参数的计算过程以及解析表达式。通过对比一台样机漏感的计算值与实验测量值，证明了这种方法的有效性。⑷对应用于高铁动车组的基于轻量化需求的电力电子牵引变压器中的一台300kW中频变压器进行优化设计。根据电力电子牵引变压器的系统参数以及其所采用的电力电子控制电路的拓扑与控制方式，确定了大功率中频变压器的设计参数并制定了优化设计流程。采用自由参数扫描法提出了心式与壳式结构各24组设计方案，计算了各组方案绕组与铁心损耗值，进行了温升校验，然后进一步计算了各组方案的漏感与重量值。为了同时兼顾变压器损耗、漏感与重量，建立了综合评价系数公式。根据最优方案制造了大功率中频变压器样机，并对其进行了实验测试。各目标参数实测值与设计值误差均在可接受范围内，证明了所采用优化设计方法的正确性与有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要内容

第2章 绕组高频损耗

2．1 引言

2．2 涡流效应

2．2．1 集肤效应

2．2．2 邻近效应

2．3 绕组高频损耗解析计算方法

2．3．1 基于Maxwell电磁方程组的推导

2．3．2 Dowell理想模型

2．3．3 其他形式绕组的折合

2．4 空心绕组高频损耗计算方法

2．4．1 空心绕组参数定义

2．4．2 有限元参数设置

2．4．3 空心电阻系数Fh与空心绕组层数m的关系

2．4．4 空心电阻系数Fh与空心绕组外径d的关系

2．4．5 空心电阻系数Fh与频率f以及空心渗透率Δh的关系

2．4．6 实验验证

2．5 本章小结

第3章 铁心高频损耗

3．1 引言

3．2 铁心损耗计算方法

3．2．1 磁滞模型

3．2．2 损耗分离法

3．2．3 经验公式法

3．3 非正弦激励下OSE的修正方法

3．3．1 Steinmetz修正公式

3．3．2 广义Steinmetz公式

3．3．3 广义Steinmetz改进公式

3．3．4 Steinmetz波形系数公式

3．3．5 修正方法理论对比

3．3．6 矩形波、三角波激励下铁损解析计算公式推导

3．4 纳米晶铁心中频损耗研究

3．4．1 磁滞回线测量

3．4．2 OSE参数拟合

3．4．3 修正方法实验对比验证

3．4．4 修正方法有限元对比验证

3．5 本章小结

第4章 漏感参数

4．1 引言

4．2 漏感参数计算原理与方法

4．3 漏感参数解析计算公式推导

4．3．1 磁场分区思想

4．3．2 基于漏磁场能量的漏感参数解析计算公式推导

4．3．3 基于漏磁链的漏感参数解析计算公式推导

4．4 漏感计算解析参数校正

4．4．1 绕组电导率校正

4．4．2 漏磁场计算高度校正

4．5 实验验证

4．5．1 解析参数校正的实验验证

4．5．2 基于漏磁链的漏感参数解析计算公式的实验验证

4．6 本章小结

第5章 大功率中频变压器优化设计方法

5．1 引言

5．2 电力电子牵引变压器系统结构

5．3 优化设计

5．3．1 大功率中频变压器设计参数与结构

5．3．2 优化设计流程

5．3．3 固定参数

5．3．4 自由参数

5．3．5 尺寸计算

5．3．6 损耗计算

5．3．7 温升校验

5．3．8 漏感计算

5．3．9 重量计算

5．3．10 设计结果及评价

5．4 实验验证

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

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