許志偉，許智萌，劉志華

(湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411101)

0 引言

高頻變壓器是電力電子變壓器(Power Electronic Transformer簡稱PET)的中間隔離級(jí)部分，高頻隔離變壓器的作用是將電力電子變壓器一次側(cè)升頻所帶來的高頻交流高壓方波耦合到二次側(cè)[1].高頻變壓器具有隔離和傳輸功率的重要作用，是電力電子變壓器的核心器件.PET在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究包括改善電網(wǎng)電能質(zhì)量、改善電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、分布式電網(wǎng)并網(wǎng)應(yīng)用、柔性交流輸電系統(tǒng)應(yīng)用等[1].隨著電力電子器件的快速發(fā)展，要求設(shè)備磁性材料做到小型化、高效化，變壓器體積與工作頻率是成反比的，提高變壓器工作頻率可有效減小其體積.高頻變壓器可用在高開關(guān)頻率的電路中，用以減小開關(guān)電源輸出電壓的波紋，使其變得平滑.高頻開關(guān)電源與傳統(tǒng)的線性電源相比，不僅提高了開關(guān)頻率，還大大提高了高頻濾波技術(shù)，已被推廣至各個(gè)行業(yè)中[2].與傳統(tǒng)變壓器相比，高頻變壓器無論是在工作頻率，還是鐵芯材料等方面[3]都具備很大優(yōu)越性.盡管在變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)、材料、繞組布局等方面做了許多改進(jìn)，但是變壓器的基本工作原理仍然沒有改變，還是根據(jù)電磁感應(yīng)定律，通過不同的鐵芯形狀及導(dǎo)磁材料實(shí)現(xiàn)交流電能的變換及隔離[4].

文獻(xiàn)[5]研究一種納米晶磁性材料高頻變壓器的損耗特性，并提出一種基于流量波形系數(shù)Steinmetz方程的磁芯損耗計(jì)算方法，采用了納米晶磁性材料，測量了鐵芯損耗密度，其飽和流體密度隨著溫度升高而降低的特性有利于高密度材料的電磁設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[6]針對(duì)電力開關(guān)電源進(jìn)行了分析，提出了導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)，電感儲(chǔ)能以防止磁飽和現(xiàn)象的觀點(diǎn).文獻(xiàn)[7]利用有限元分析方法，研究了三種不同程度的交叉換位方式以及繞組層數(shù)對(duì)漏感的影響，提出了交叉換位程度越高，漏感下降地越明顯的觀點(diǎn)，并提出了高頻變壓器漏感及繞組損耗的控制方法.文獻(xiàn)[8]分析了高頻變壓器漏感在電源工作中的影響，并提出了一系列抑制漏感影響的措施.

本文針對(duì)高頻變壓器，在ANSOFT環(huán)境下[9-10]，研究繞組采用交叉式繞制方式、錳鋅鐵氧體鐵芯和提高工作頻率對(duì)漏電感的影響.通過使用三維有限元法，從減小漏感的角度，采用對(duì)比分析及控制變量法對(duì)高頻變壓器漏感進(jìn)行了詳細(xì)的分析，從而確定最合適的高頻變壓器漏電感減小方案.

1 高頻變壓器結(jié)構(gòu)及其漏感產(chǎn)生的機(jī)理

1.1 高頻變壓器結(jié)構(gòu)及其建模

本文中高頻變壓器為雙繞組結(jié)構(gòu)，兩個(gè)繞組分布在“口”字型鐵芯的兩側(cè)，如圖1所示.鐵芯材料作為導(dǎo)磁材料，在高頻變壓器中起著至關(guān)重要的作用，選用什么樣的鐵芯材料，會(huì)直接影響高頻變壓器的性能[11][12]，表1為一些高頻變壓器鐵芯材料的參數(shù)，本文用錳鋅鐵氧體和硅鋼作為高頻變壓器的鐵芯材料來進(jìn)行對(duì)比分析.

圖1 高頻變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 高頻變壓器鐵芯材料

高頻變壓器由初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，其繞制方式、布局可以分為三種，分別是簡易繞制結(jié)構(gòu)、三明治繞制結(jié)構(gòu)以及交叉繞制結(jié)構(gòu).將初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組分開然后分別進(jìn)行繞制的是簡易繞制結(jié)構(gòu)；三明治繞制結(jié)構(gòu)是兩層夾一層的繞法，根據(jù)中間一層繞組的不同，還可將三明治分為初夾次、次夾初兩種繞法；交叉繞制結(jié)構(gòu)顧名思義，就是將初級(jí)繞組與次級(jí)繞組交叉在一起繞制的一種結(jié)構(gòu)[13].對(duì)鐵芯及雙繞組進(jìn)行網(wǎng)格剖分如圖2所示.由于三明治繞制結(jié)構(gòu)多發(fā)生在初次級(jí)繞組繞制鐵芯為同心柱的情況下，而本文討論的高頻變壓器鐵芯為“口”字型鐵芯，因此本文采用簡易繞制結(jié)構(gòu)與交叉繞制結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析.

圖2 鐵芯與繞組的網(wǎng)格剖分示意圖

1.2 漏感產(chǎn)生的機(jī)理

在高頻變壓器的負(fù)載運(yùn)行過程中，初級(jí)繞組與次級(jí)繞組的一部分磁通沒有被耦合，而是發(fā)散在空氣中并形成了自己的閉合回路，這部分磁通叫“漏磁通”，該磁通產(chǎn)生的電感就是漏電感[14].

計(jì)算高頻變壓器漏感的主要方法有兩種:一是磁路法，二是能量法.這兩種方法的計(jì)算思路不同，磁路法是要求先求出漏磁鏈，根據(jù)它的表達(dá)式進(jìn)而再求出漏電感的大?。荒芰糠▌t是根據(jù)漏磁場的總能量去求漏電感的值.本文采用能量法計(jì)算漏感，表達(dá)式如下[15]：

(1)

(2)

其中，W為漏磁場總能量，L為漏電感值，I為激勵(lì)電流值，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場強(qiáng)度，V為計(jì)算磁場區(qū)域.由式(1)與式(2)，通過移項(xiàng)可以得出漏電感的表達(dá)式：

(3)

再由磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系，有：

B=μ0H

(4)

結(jié)合式(3)與式(4)得出漏電感最終表達(dá)式(5)為：

(5)

2 繞組繞制結(jié)構(gòu)對(duì)漏感的影響

2.1 繞組簡易繞制結(jié)構(gòu)與交叉繞制結(jié)構(gòu)

繞組簡易繞制也被稱為無交叉繞制，這種方式將初級(jí)繞組與次級(jí)繞組分開進(jìn)行繞制在同一鐵芯上，使其各自能獨(dú)立工作，簡單易操作.如圖3所示，藍(lán)色部分代表兩個(gè)獨(dú)立的繞組線圈，即初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，黑色部分代表鐵芯.如圖4所示，紅色部分代表初級(jí)繞組與次級(jí)繞組，二者相互交叉重疊.

圖3 繞組簡易繞制結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 繞組交叉繞制結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 繞組繞制結(jié)構(gòu)對(duì)漏感影響的仿真

采用控制變量法進(jìn)行研究，繞組材料采用銅，鐵芯采用鐵氧體材料，工作頻率設(shè)定為10 kHz，為得到漏磁場的總能量，在高頻變壓器的初次級(jí)繞組中分別加入等大反向的安匝電流1 A，如圖5(a)、圖5(b)所示，使得繞組線圈在鐵芯中產(chǎn)生的主磁通相互抵消，然后剩下的磁場就是漏磁場，最后再通過漏磁場的能量來計(jì)算漏感[15].

圖5 繞組電流方向示意圖

首先采用繞組簡易繞制方式，經(jīng)過仿真計(jì)算得出高頻變壓器漏磁場的總能量為2.4783×10-7J,如圖6所示.

將其帶入式(1)與式(2)，可得：

再將激勵(lì)電流值I=1 A帶入上式，可得：L=495.66 nH，繞組簡易繞制高頻變壓器磁場分布圖如圖7所示.

圖6 繞組簡易繞制高頻變壓器漏磁場總能量

圖7 繞組簡易繞制高頻變壓器磁場分布圖

接下來再采用交叉繞制方式，經(jīng)過仿真計(jì)算得出高頻變壓器漏磁場的總能量為6.1625×10-8J,如圖8所示.

圖8 繞組交叉繞制高頻變壓器漏磁場總能量

可知漏感L=123.25 nH，兩種繞組繞制方式，后者漏感減小了3/4.繞組交叉繞制高頻變壓器磁場分布圖如圖9所示.

圖9 繞組交叉繞制高頻變壓器磁場分布圖

由圖7和圖9兩種繞組繞制方式的高頻變壓器磁場分布圖可知，圖中磁場分布基本相同，其中包含了主磁場和漏磁場，漏抗的大小是微乎其微的，其單位nH是10-9數(shù)量級(jí).但從數(shù)值的角度可以看出，采用繞組交叉式繞制方式相比于采用繞組簡易繞制方式，其漏感大大減小，可知選用繞組交叉式繞制方式有助于減小漏感.

3 鐵芯材料對(duì)漏感的影響

3.1 采用錳鋅鐵氧體材料與硅鋼

錳鋅鐵氧體主要是由鐵、錳和鋅三種金屬元素構(gòu)成，被制成環(huán)裝的鐵氧體磁芯截面積處處保持一致，沒有氣隙，所以，相對(duì)與普通鐵芯材料來說，其磁導(dǎo)率很高.

采用的錳鋅鐵氧體材料，其相對(duì)介電常數(shù)為12，相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)為各向同性且導(dǎo)磁性能為線性，其數(shù)值為1000，電導(dǎo)率0.01 s/m，密度為4600 kg/m3.

由于仿真和環(huán)境選擇的是渦流磁場，所以采用的DR510硅鋼材料，相對(duì)介電常數(shù)為1，各向同性且導(dǎo)磁性能為線性，其數(shù)值設(shè)為2000，材料構(gòu)成設(shè)置為疊片形式，其中疊壓系數(shù)為0.97，疊壓方向設(shè)為Z軸方向.

3.2 鐵芯材料對(duì)漏感的影響的仿真

將鐵芯材料設(shè)置為錳鋅鐵氧體，繞組材料設(shè)為銅，并采用交叉式繞制方式，工作頻率設(shè)置為10 kHz的仿真結(jié)果，結(jié)果得出漏磁場總能量為6.1625×10-8J，進(jìn)而得出漏感L=123.25 nH.

下面采用控制變量法，通過改變鐵芯材料來進(jìn)行研究，將鐵芯材料設(shè)置為DR510硅鋼材料，其他條件保持不變來進(jìn)行仿真分析，經(jīng)過仿真計(jì)算得出漏磁場總能量為2.43×10-7J，如圖10所示.

圖10 DR510硅鋼鐵芯高頻變壓器漏磁場總能量

可知漏感L=243 nH.鐵芯材料采用錳鋅鐵氧體，工作效率更高，其漏磁場總能量大大減小，相應(yīng)漏感也隨之減小，整體能量利用率更高，對(duì)減小分布參數(shù)漏感有很大幫助.

4 頻率對(duì)漏抗影響的仿真分析

高頻變壓器的工作頻率在10 kHz以上，通過提高工作頻率來分析高頻對(duì)漏抗的影響.通過前面的仿真計(jì)算的結(jié)果，可以得知鐵芯采用錳鋅鐵氧體材料，繞組采用銅材料并且是交叉式繞制方式的高頻變壓器在10 kHz的工作頻率下，其漏磁場總能量為6.1625×10-8J，進(jìn)而得出漏感L=123.25 nH.

下面采用控制變量法，通過改變高頻變壓器的工作頻率進(jìn)行研究，將高頻變壓器的工作頻率調(diào)整為100 kHz，其他條件不變來進(jìn)行仿真分析，經(jīng)過仿真計(jì)算得出漏磁場總能量為6.128×10-8J，如圖11所示.

圖11 100 kHz工作頻率下高頻變壓器漏磁場總能量

可知漏感L=122.56 nH.為了找出其工作頻率與漏抗之間的關(guān)系，進(jìn)一步設(shè)置工作頻率為1 MHz，經(jīng)仿真計(jì)算得出，漏磁場總能量為6.122×10-8J,采用曲線圖描述其規(guī)律，如圖12所示.

圖12 1 MHz工作頻率下高頻變壓器漏磁場總能量

可知漏感L=122.44 nH.從仿真結(jié)果中可以得出，高頻變壓器在一定的工作頻率范圍內(nèi)，增加其工作頻率，可以使其漏抗減小.

5 結(jié)論

本文基于高頻變壓器漏感的產(chǎn)生機(jī)理，從鐵芯材料，繞組繞制方式及工作頻率的三個(gè)方面進(jìn)行研究，提出了錳鋅鐵氧體鐵芯、繞組交叉繞制布局和提高工作頻率三種工作措施來減小高頻變壓器的漏抗.采用了3D有限元法，對(duì)高頻變壓器的漏感進(jìn)行了詳細(xì)的分析.仿真結(jié)果表明，上述三種措施可以有效地減小漏感，特別是采用繞組交叉繞制方式的方法，漏感下降顯著.