電力電子變壓器中高頻變壓器的設(shè)計(jì)方式

陳永杰 趙 奇 唐日強(qiáng)

（許繼變壓器有限公司）

0 引言

電力電子變壓器是在技術(shù)應(yīng)用不斷提升的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新型的變壓器，此變壓器使用了大功率的電力電子元件，并采用相應(yīng)的控制技術(shù)，所以電力系統(tǒng)當(dāng)中的電壓變換和能量傳遞等功能被輕松實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)電力變壓器在應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)的基本功能是電壓的變換和電氣隔離，而電力電子變壓器能夠靈活對(duì)輸入的電流、輸出電壓以及功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其在實(shí)際利用中更具靈活性，其應(yīng)用價(jià)值也較為突出。在電力電子變壓器當(dāng)中，高頻變壓器尤為重要，所以探討其設(shè)計(jì)方式并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，可以進(jìn)一步提升電力電子變壓器的利用價(jià)值。

1 高頻變壓器設(shè)計(jì)

（1）高頻變壓器磁心選擇

在高頻變壓器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，磁心選擇是一項(xiàng)重要的內(nèi)容。從目前的分析來(lái)看，高頻變壓器和普通的工頻變壓器存在著明顯的不同，因?yàn)楦哳l變壓器需要長(zhǎng)期在 400Hz～100kHz的高頻環(huán)境中進(jìn)行工作，所以其磁心的選擇十分重要。在目前的高頻變壓器設(shè)計(jì)中，主要利用的磁心材料有納米晶、超微晶材料和Mn-Zn鐵氧體等。將鐵基納米晶鐵心和鐵氧體鐵心進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)非晶和晶原子排列無(wú)序性強(qiáng)，電阻率非常的低，而且其導(dǎo)磁率比較高，耗損低，是性能非常良好的軟磁材料。所以在選擇高頻變壓器的鐵心時(shí)，選用納米晶、超微晶材料可以有效的降低能耗，實(shí)現(xiàn)高頻變壓器效率的提升。

（2）高頻變壓器鐵心的設(shè)計(jì)

在選擇好鐵心的材料之后，接下來(lái)的重要工作就是進(jìn)行鐵心的設(shè)計(jì)。從目前的分析來(lái)看，鐵心的形狀對(duì)其具體的利用效果有著重要的影響，所以需要利用AP法和 KG法進(jìn)行高頻變壓器的形狀設(shè)計(jì)。所謂的AP法指的是面積乘積法，利用此方法需要求出鐵心窗口的面積AW和鐵心的有效截面積Ae的乘積AP，然后根據(jù)AP值進(jìn)行需要的鐵心選擇；KG指的是幾何參數(shù)法，此方法的利用需要求出鐵心的幾何參數(shù)，然后根據(jù)幾何參數(shù)結(jié)構(gòu)選擇鐵心。就具體的分析來(lái)看，AP法的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，步驟也十分的明確，所以在高頻變壓器鐵心設(shè)計(jì)的時(shí)候，此方法利用最為廣泛。就目前的分析來(lái)看，利用此方法需要使用到式（1）：

式中，fs為變壓器的工作頻率；BW為工作磁通密度；K0為窗口的占空系數(shù)；Kf為波形系數(shù)；Kj為繞阻的電流密度比例系數(shù)；X為與磁心相關(guān)的常數(shù)。了解了公式中的各個(gè)量之后，帶入相應(yīng)的數(shù)值，AP的結(jié)果就可以計(jì)算出來(lái)了。

（3）高頻變壓器電壓比計(jì)算

在高頻變壓器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，高頻變壓器電壓比計(jì)算也是一項(xiàng)重要的內(nèi)容。從具體的分析來(lái)看，高頻變壓器是電力電子變壓器中移相全橋變換器的關(guān)鍵性部分。在變壓器的一次電流進(jìn)行換向的時(shí)候，電流值會(huì)逐漸地減小，此時(shí)二次側(cè)會(huì)失去部分電壓方波，而在電壓方波失去的情況下，變壓器的二次電壓會(huì)出現(xiàn)明顯的降低?；谶@種情況的存在，在進(jìn)行高頻變壓器電壓比計(jì)算的時(shí)候，一定要考慮二次占空比丟失的情況?？偠灾?，在進(jìn)行高頻變壓器設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要將移相控制方案存在的二次占空比丟失的問(wèn)題進(jìn)行全面的考慮。

（4）高頻變壓器繞阻計(jì)算

在高頻變壓器的設(shè)計(jì)中，繞阻是需要重點(diǎn)注意的一項(xiàng)內(nèi)容，所以需要對(duì)繞組計(jì)算進(jìn)行明確。在具體的繞阻分析中，一次繞阻的匝數(shù)N1可以根據(jù)式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中，Vin為輸入電壓，按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其值取310V；在考慮磁心尺寸的情況下，Ae的值取 3cm2。這樣就可以得到 N1的匝數(shù)是 34.91匝。利用相同的原理還可以進(jìn)行二次繞阻的計(jì)算。在獲得計(jì)算結(jié)果后取整數(shù)值，具體的匝數(shù)可以得到確定。

從具體的分析來(lái)看，高頻變壓器的繞阻還受到集膚效應(yīng)以及鄰近效應(yīng)的影響，所以在進(jìn)行高頻變壓器繞阻計(jì)算的時(shí)候，必須要對(duì)這些影響因素進(jìn)行考慮，這樣，獲得的計(jì)算值才會(huì)更具可靠性。因?yàn)榧w效應(yīng)的影響消除可以通過(guò)線徑的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以根據(jù)穿透深度的大小進(jìn)行線徑的選擇，這樣，整個(gè)高頻變壓器的繞組計(jì)算值會(huì)更加地精準(zhǔn)。

（5）窗口面積校核

在高頻變壓器設(shè)計(jì)工作中，窗口面積的校核也是一項(xiàng)重要的內(nèi)容，因?yàn)槠潢P(guān)系著鐵心設(shè)計(jì)的科學(xué)性。在具體的窗口面積校核工作中，主要有兩個(gè)方面的工作：第一是進(jìn)行窗口變壓器內(nèi)徑D1的計(jì)算，第二是進(jìn)行高頻變壓器內(nèi)徑D2的計(jì)算。通過(guò)D1和D2的具體計(jì)算，將鐵心的形狀進(jìn)行具體的分析，這樣，其形狀設(shè)計(jì)的科學(xué)性會(huì)明顯的提升，簡(jiǎn)言之，窗口面積的校核最終目的就是要優(yōu)化鐵心的設(shè)計(jì)。

2 高頻變壓器的測(cè)試和分析

（1）高頻變壓器鐵損計(jì)算

在高頻變壓器的測(cè)試和分析工作中，一項(xiàng)重要的內(nèi)容就是進(jìn)行高頻變壓器的鐵損計(jì)算。就目前的分析來(lái)看，高頻變壓器損耗當(dāng)中的一個(gè)重要組成部分就是鐵損，而且鐵損還是進(jìn)行高頻變壓器效率衡量的一個(gè)重要參數(shù)，所以其測(cè)試分析必須要具有可靠性。就目前的研究分析結(jié)果來(lái)看，高頻變壓器的鐵損會(huì)隨著工作頻率的增加而增加，也會(huì)隨著工作磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增加。

根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)試資料分析來(lái)看，在不同工作頻率和不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度之下，依據(jù)式（3）：

對(duì)高頻變壓器的鐵損PC進(jìn)行測(cè)量，并將其和傳統(tǒng)的鐵氧體磁心鐵損進(jìn)行比較，從測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)看，在工作頻率維持在20kHz，0.2T的時(shí)候，采用納米晶鐵心的鐵損是最小的，而且其鐵損比鐵氧體鐵心的鐵損要低的多。當(dāng)將工作頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)的時(shí)候，鐵損呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)，此結(jié)果和理論分析具有一致性。

（2）高頻變壓器交流電阻測(cè)量

在高頻變壓器的測(cè)試和分析中，交流電阻的測(cè)量也是一項(xiàng)重要的內(nèi)容。在此次的測(cè)量中，利用到的測(cè)量?jī)x器是高頻精密LCR數(shù)字電橋。在交流電阻測(cè)量的時(shí)候，需要對(duì)交流電阻與頻率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值進(jìn)行詳細(xì)的了解。根據(jù)實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的分析來(lái)看，在頻率低于 10kHz的時(shí)候，交流電阻和直流電阻的差異表現(xiàn)比較微弱，但是隨著頻率的增加，特別是當(dāng)頻率穩(wěn)定在100kHz的時(shí)候，交流電阻和直流電阻會(huì)表現(xiàn)出較為明顯的差異，而且交流電阻的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值也會(huì)表現(xiàn)出巨大的差別。利用高頻變壓器的一維模型進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作頻率升高的時(shí)候，變壓器繞阻內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布會(huì)表現(xiàn)出劇烈的不均勻性。正是因?yàn)榇嬖谥朔N不均勻性，所以直流電阻值替代交流電阻值便無(wú)法實(shí)現(xiàn)，在這樣的狀況下，交流電阻的測(cè)量必須要在工作頻率和工作磁通密度下進(jìn)行。

（3）繞組溫升和功率損耗的關(guān)系

從目前的研究結(jié)構(gòu)來(lái)看，高頻變壓器在發(fā)生功率損耗的情況下會(huì)導(dǎo)致繞阻溫度的上升，針對(duì)變壓器繞阻溫升和功率損耗的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，可以獲得需要的分析結(jié)果。從具體的測(cè)試分析來(lái)看，當(dāng)高頻變壓器的繞阻溫升小于30℃的時(shí)候，銅損小于10W，而此時(shí)高頻變壓器的鐵損小于 30W，所以說(shuō)其總功耗小于 40W。在這個(gè)時(shí)候，高頻變壓器的功率等級(jí)是1.5kW，其效率能夠達(dá)到95%以上，這和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)相吻合。通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在功耗不斷增加的情況下，溫升情況也會(huì)不斷地增加，二者呈現(xiàn)出一種近似正比的關(guān)系。綜合而言就是繞組溫升和功率的損耗存在著正比關(guān)系。

（4）絕緣性能測(cè)試

高頻變壓器在進(jìn)行測(cè)試和分析的時(shí)候，需要注意的另一項(xiàng)重要內(nèi)容是其絕緣性的測(cè)試。而就目前的絕緣性測(cè)試工作來(lái)看，主要的內(nèi)容有兩項(xiàng)：第一是一二次繞阻之間的絕緣電阻。在此項(xiàng)內(nèi)容的測(cè)試分析中，利用500V的搖表進(jìn)行高頻變壓器絕緣電阻的測(cè)試，最終發(fā)現(xiàn)在正常的狀態(tài)下，一二次繞阻之間的絕緣電阻大于 100MΩ。第二是進(jìn)行抗電強(qiáng)度的測(cè)試。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)高頻變壓器一次繞阻和二次繞阻之間能夠承受50Hz，4000V的電壓1min而不發(fā)生擊穿和飛弧，由此得到高頻變壓器的耐壓強(qiáng)度達(dá)到了GB/T 14680.1—2012國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

從電力電子變壓器的具體分析來(lái)看，其中重要的組成部分是高頻變壓器，所以說(shuō)高頻變壓器的質(zhì)量以及運(yùn)行效果會(huì)影響到電力電子變壓器的具體應(yīng)用?；诖耍e極地分析高頻變壓器的設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行全面性的測(cè)試和分析，這樣可以保證其設(shè)計(jì)結(jié)果的科學(xué)性，也可以保證高頻變壓器在電力電子變壓器當(dāng)中發(fā)揮重要的作用。

[1] 薛偉, 鄭麗君, 高云廣, 等. 電力電子變壓器中高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法[J]. 電測(cè)與儀表, 2015(23)：117-121, 128.

[2] 邱燕. 電力電子電路中高頻變壓器等效模型的分析[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2016(3)： 24-25.

[3] 劉海洋, 劉闖, 姚航, 等. 高頻諧振型直流變壓器模塊設(shè)計(jì)與研究[J]. 電力電子技術(shù), 2016(9)： 58-63, 81.

[4] 吳思文, 朱淼, 張建文, 等. 單-雙極運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換直流電力電子變壓器的啟動(dòng)策略研究[J]. 電工電能新技術(shù), 2017(5)： 59-66.

[5] 歐陽(yáng)少迪, 劉進(jìn)軍. 幾種模塊化多輸出電力電子變壓器拓?fù)涞牟黄胶庳?fù)載補(bǔ)償能力比較[J]. 電工電能新技術(shù), 2017(5)： 11-20.