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        高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法和分布參數(shù)模型介紹

        2020-11-10 04:40:31陳尊杰夏書生錢峰田煜金平
        機(jī)電信息 2020年30期

        陳尊杰 夏書生 錢峰 田煜 金平

        摘要:隨著用戶對用電質(zhì)量和安全可靠性的要求越來越高,加上當(dāng)前對變壓器小型化、輕便化的要求,傳統(tǒng)電力變壓器已不能滿足社會發(fā)展的需求。研究表明,通過電力電子技術(shù)和變壓器的融合,可以很好地消除傳統(tǒng)變壓器質(zhì)量重、體積大等缺陷。高頻變壓器作為電力電子變壓器(PET)的核心器件之一,起到隔離傳輸?shù)淖饔茫谖磥碛兄艽蟮陌l(fā)展空間?,F(xiàn)主要介紹高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法和分布參數(shù)模型,對高頻變壓器損耗和效率分析具有重要作用。

        關(guān)鍵詞:電力電子變壓器(PET);高頻變壓器;分布參數(shù)模型

        0? ? 引言

        近年來,可以實(shí)現(xiàn)電能靈活轉(zhuǎn)換、具有高功率密度和可調(diào)電能質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)的電力電子變壓器(Power Electronic Trans-

        former,PET)受到廣泛關(guān)注,為智能配電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供了良好的研究基礎(chǔ)[1]。高頻變壓器是PET的核心部分,設(shè)計(jì)的好壞直接決定高頻變壓器性能的好壞,而分布參數(shù)的好壞則影響高頻變壓器損耗和效率。因此,高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法和分布參數(shù)模型非常關(guān)鍵,值得深入研究與分析。

        1? ? 電力電子變壓器介紹

        1997年,來自美國德州農(nóng)工大學(xué)的Moonshik Kang博士設(shè)計(jì)了一種基于直接AC/AC變換的PET結(jié)構(gòu),該變壓器體現(xiàn)的電能變換原理拓?fù)淙鐖D1所示。受此結(jié)構(gòu)與其樣機(jī)啟發(fā),研究人員大都認(rèn)可這種既能降低變壓器主體的體積和重量,還具備更高的傳輸能力和效率的設(shè)計(jì)[2]。

        2? ? 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

        在設(shè)計(jì)變壓器時(shí),既要考慮功能實(shí)現(xiàn)的難易度,也要考慮建造、運(yùn)行與維修成本,工作性能因素。成本因素包括變壓器的體積和重量、材料與工藝的經(jīng)濟(jì)性,工作性能因素如變壓器的輸出功率、最高工作效率、特定溫度環(huán)境應(yīng)用時(shí)可允許的最大溫升。常用的設(shè)計(jì)方法如軟件自動設(shè)計(jì)、面積AP法、幾何系數(shù)KG法都能滿足設(shè)計(jì)變壓器的要求。如軟件法,只需要輸入變壓器參數(shù),便可通過內(nèi)置算法自動進(jìn)行設(shè)計(jì),簡單方便。但本文的研究對象不是傳統(tǒng)變壓器,使用材料不在軟件庫中,因此難以使用軟件法設(shè)計(jì)高頻變壓器。與之相對,AP法有成型的計(jì)算過程和理論依據(jù),不受材料限制,也更常用,因此本文選擇AP法設(shè)計(jì)高頻變壓器。

        2.1? ? 磁芯材料選擇及其尺寸計(jì)算

        根據(jù)額定電壓UN、電流IN和磁通密度Bm,結(jié)合Ansys仿真來選擇磁芯材料。

        使用面積AP法,變壓器磁芯的尺寸由AP值確定,表達(dá)式如下:

        式中:St為視在功率(VA);Kf為波形系數(shù),正弦波取4.44;Ku為窗口利用系數(shù),一般取0.4;Bo為工作磁密(T);J為電流密度(A/cm2);f為工作頻率(Hz);X為常數(shù),由磁芯材料決定[3]。

        同時(shí),視在功率可以表示為:

        可見,變壓器的容量確定后,工作頻率越大,便使得面積乘積越小,可以大幅減小變壓器的體積和質(zhì)量,這也是PET明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電力變壓器的一處。

        2.2? ? 繞組的設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)的高頻信號造成電荷分布不均勻,使得導(dǎo)線表面聚集的電荷密度較大,即形成了集膚效應(yīng),集膚深度與工作頻率有關(guān)。導(dǎo)線內(nèi)部電荷密度不同,將增大損耗,降低工作效率,不利于系統(tǒng)能量的傳輸。選擇高頻導(dǎo)線時(shí),要盡量減小集膚效應(yīng)的影響,通常使導(dǎo)線直徑不超過集膚深度兩倍。

        原邊繞組匝數(shù)按式(3)計(jì)算:

        式中:Up為原邊電壓(V);Ae為鐵芯有效橫截面積(m2)。

        二次側(cè)的繞組匝數(shù)為:

        式中:Us為二次側(cè)電壓。

        3? ? 高頻變壓器的分布參數(shù)模型

        為了分析分布電容對高頻變壓器的影響,分布參數(shù)模型必不可少,分布參數(shù)模型包括三電容模型、五電容模型、六電容模型。

        3.1? ? 三電容模型

        最常見的分布電容模型為圖2所示π型三電容模型[4]。該模型把高頻變壓器看做具有兩個(gè)端口的系統(tǒng),三個(gè)電容依次為初級繞組的電容Cpo、次級繞組的電容Cso和初次級間的繞組電容Cpso,Up表示原邊電壓,Us表示副邊電壓,Rw1、Rw2為原副邊的等效電阻。

        因?yàn)閷θ娙莸刃P蚚5]的研究起步最早,且長期沒有推出有效的新模型,折算后的等效模型(圖3)在實(shí)際工程中的使用頻率最高,在幾百至千赫茲的工作頻率下都可以較準(zhǔn)確描述高頻變壓器的工作特性。盡管這種模型的實(shí)用價(jià)值較高,但實(shí)際的繞組間電容組成復(fù)雜,僅以一個(gè)電容表示,精確度仍有上升空間,且隨著頻率的再增加,精確性難以滿足要求。

        3.2? ? 五電容模型

        五電容模型相對于三電容模型,主要改進(jìn)的地方是,把三電容模型中高頻變壓器的三個(gè)電容,根據(jù)結(jié)構(gòu)電容的原理,分成三個(gè)不同的電容Cps1、Cps2、Cps3(圖4),從而更能反映分布參數(shù)的影響[6]。Cps1、Cps2、Cps3的大小與變壓器的結(jié)構(gòu)電容有關(guān)。電容受電場電位分布控制,這在三電容模型中沒有體現(xiàn),而五電容模型進(jìn)行的改進(jìn)便將其納入考慮,因此更契合變壓器實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

        最初,五電容模型被設(shè)計(jì)出來,主要是因?yàn)?,在分析變壓器的電磁干擾特性時(shí),該模型優(yōu)勢凸顯。然而在分析電能傳輸特性時(shí),勵磁電感難以表示,運(yùn)用此模型設(shè)計(jì)PET的補(bǔ)償電路及其他運(yùn)用如開關(guān)電源也比較困難。

        3.3? ? 六電容模型

        五電容模型改進(jìn)了繞組間電容,但變壓器的電容不僅僅在繞組內(nèi),磁芯也是導(dǎo)體,也會存在電容。盡管與繞組分布電容相比,涉及磁芯的電容對變壓器性能影響較小,但這一結(jié)構(gòu)仍存在,且未被三電容模型與五電容模型考慮。電容是反映存儲電能的能力,高頻變壓器六電容分布參數(shù)模型便從這一角度來分析[6],如圖5所示。

        該模型邏輯清晰,涵蓋范圍廣,結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,求解各分布參數(shù)的過程中,大量運(yùn)用了近似。雖然每次近似的誤差較小,但多次近似的過程確實(shí)復(fù)雜。最后,模型中的各分布電容參數(shù)通過實(shí)驗(yàn)的方式難以完全準(zhǔn)確測量。所以,繼續(xù)簡化六電容分布參數(shù)模型,并找出理論依據(jù),仍很有必要。

        4? ? 結(jié)語

        在電力電子技術(shù)和智能電網(wǎng)高速發(fā)展的今天,傳統(tǒng)變壓器的缺點(diǎn)越來越突出,電力電子變壓器的應(yīng)用和發(fā)展成為大勢所趨,高頻變壓器作為電力電子變壓器的核心部件之一,它的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文除介紹高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法外,還對已有的分布參數(shù)模型進(jìn)行了分析。

        [參考文獻(xiàn)]

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        [2] 毛承雄,范澍,黃貽煜,等.電力電子變壓器的理論及其應(yīng)用(Ⅱ)[J].高電壓技術(shù),2003,29(12):1-3.

        [3] 吳超.有氣隙感應(yīng)式新型旋轉(zhuǎn)變壓器的設(shè)計(jì)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2018.

        [4] 鐘和清,徐至新,鄒云屏,等.寄生電容對串聯(lián)諧振電容器充電電源特性的影響[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(10):40-44.

        [5] 楊洋.高頻變壓器分布參數(shù)模型建立及其測試方法研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2014.

        [6] 葉棟.高頻變壓器分布參數(shù)的確定及其影響分析[D].溫州:溫州大學(xué),2018.

        收稿日期:2020-08-10

        作者簡介:陳尊杰(1988—),男,浙江平陽人,高級工程師,從事電氣設(shè)備運(yùn)檢管理及相關(guān)研究工作。

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