大功率高壓開關(guān)電源變壓器耗損分析和風(fēng)冷優(yōu)化

王 強

（寧波浙鐵江寧化工有限公司，浙江寧波 315207）

1 大功率高壓開關(guān)電源變壓器的磁場耗損分析

1.1 磁場耗損分析

在高頻變壓器中，磁芯損耗形式主要有渦流損耗（Pe）、磁滯損耗（Ph）和剩余損耗（Pr）。

（1）Pe=bB2mf2，b=nd02/（6p）。其中，p 是電阻率，Ω·m；d0是材料厚度，m；f 是頻率，Hz。

（2）Ph=αBmsf。其中，α 是由材料性質(zhì)或其他相關(guān)因素所決定的一個常數(shù)；Bm是最大通磁密度；s 是Steinmetz 系數(shù)；f 是頻率。

（3）Pr=cB1-5f1-5。c 是經(jīng)驗參數(shù)。

總的磁芯耗損P=Ph+Pe+Pr，通過這個公式可以看出，在大功率高壓開關(guān)電源中，變壓器磁芯的總損耗會受到開關(guān)頻率以及最大磁通密度的乘積影響，隨著這個乘積增大，總損耗也會增大，由此可見，兩者呈正比例關(guān)系。

1.2 繞組損耗分析

在大功率高壓開關(guān)電源中，變壓器繞組的產(chǎn)生原因主要是集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)。當變壓器溫度達到70 ℃時，銅線集膚深度。假設(shè)這個線圈是圓形橫截面，則，其中，Ks是集膚效應(yīng)的系數(shù)，RBc是集膚效應(yīng)所引起的交流阻抗，Rdc是直流阻抗。因此，在對臨近效應(yīng)進行求解過程中，可以用公式Kx=G］進行計算，其中，m 是線圈層數(shù)，h 是線圈疊加高度，d2是線圈厚度，G=d2/S。將上述公式進行簡化，則可以得出，Ks=1+G4，由此可以得出。

通過以上2 個公式可以得知，臨近效應(yīng)和線圈的橫截面積以及線圈的層數(shù)之間均有緊密關(guān)系，通過這一關(guān)系，可以得知，變壓器繞組損耗和線圈的橫截面積以及線圈的層數(shù)之間也有緊密關(guān)系。

2 大功率高壓開關(guān)電源變壓器溫度場散熱計算

2.1 在自然風(fēng)冷環(huán)境下對變壓器溫升進行仿真分析

當變壓器處在滿負載時，通過對變壓器溫升進行仿真分析可知，在這樣條件之下，變壓器會產(chǎn)生出龐大數(shù)量的數(shù)據(jù)，因此在不會對仿真實驗結(jié)果造成影響的前提條件之下，將變壓器模型對稱性的特征作為依據(jù)，選擇其中的1/4 作為對象來進行熱分析。通過仿真實驗可以發(fā)現(xiàn)，在自然風(fēng)冷條件下，變壓器最高溫度可以達到102.84 ℃，比理想穩(wěn)定溫度高出很多。由此可以看出，變壓器的散熱需要進一步改進。在改進過程中，可以改變散熱方式，但是由于液體的冷卻會進一步增大整體體積，故可以采用強迫風(fēng)冷的形式進行改進，通過對風(fēng)機風(fēng)速的調(diào)節(jié)來達到散熱效果。同時，變壓器的大部分熱量都在線圈中集中，因此在改進過程中，也可以通過增加散熱風(fēng)道來降低變壓器的升溫效果。

2.2 對不同負載之下需要的風(fēng)量進行計算

在通過風(fēng)冷對散熱進行控制的過程中，輻射換熱也很容易被忽略，基于這一情況，可以將對流以及傳導(dǎo)作為主要的換熱方法。將進口的空氣溫度設(shè)置在25 ℃，將變壓器的安全溫度上限設(shè)置為90 ℃。本次實驗過程中，應(yīng)用的是直流開關(guān)電源變壓器，其輸入電流在0.5～3.0 A，輸出效率可以達到90%。將已經(jīng)或得到的相關(guān)參數(shù)作為依據(jù)，就可以計算變壓器不同負載之下的通風(fēng)量。通風(fēng)量Qt=Qre×60/（cp×P×Δt），其中，cp是空氣比熱容，J/（kg·℃）；P 是空氣密度，kg/m3；Qt是通風(fēng)量，m3/min；Qre是風(fēng)機所帶走的熱量，W；Δt 是空氣入口和空氣出口之間的溫度差，℃。在本次實驗中，已知該變壓器穩(wěn)定的溫度是90 ℃，經(jīng)過強制風(fēng)冷作用，帶走的熱量在總消耗功率之中占據(jù)90%，剩余的一些熱量主要是通過電源外殼朝著外部輻射，或者是通過自然的對流而散失。

在變壓器的負載達到2500 V、3 A 時，可以計算出該變壓器中功率損耗大約是0.75 kW，由此可以算出，這樣的負載條件之下，該變壓器的通風(fēng)量需求是0.748 m3/min?？紤]通風(fēng)量的損失以及安全性等諸多因素，并結(jié)合實際經(jīng)驗，適當裕量應(yīng)該與1.5～2.0 的系數(shù)相乘，由此可以計算出通風(fēng)量Qt=1.495 m3/min。

按照以上方法和步驟進行計算，可以計算出大功率高壓開關(guān)電源變壓器在不同負載條件下的通風(fēng)量需求。在本次研究中，分別在自然風(fēng)冷以及強迫風(fēng)冷這兩種情況下，對不同負載條件下的變壓器模型溫度進行仿真實驗，并對升溫結(jié)果進行對比。

2.3 變壓器在強迫風(fēng)冷條件之下的溫升仿真分析

在分析過程中，應(yīng)該選擇變壓器在滿負載條件之下的模型來詳細分析仿真結(jié)果，改進放熱方式后，變壓器在強迫風(fēng)冷條件下的仿真升溫結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可以看出，通過對變壓器散熱方式加以改進，其溫升的降低效果十分顯著，該變壓器的最大溫度由改進之前的102.84 ℃下降到65 ℃，較變壓器正常運行過程中的溫度極值要低一些，這對于變壓器的良好穩(wěn)定運行及其安全性將會起到有效保護作用。

3 大功率高壓開關(guān)電源變壓器的整體散熱控制設(shè)計分析

在進行大功率高壓開關(guān)電源變壓器的整體散熱控制設(shè)計過程中，通過對不同負載條件之下變壓器散熱情況的分析，提出以下整體設(shè)計流程。

（1）基本條件的確定與模型建立。在對大功率高壓開關(guān)電源變壓器進行整體散熱控制設(shè)計過程中，首先應(yīng)該對變壓器基本的應(yīng)用條件進行確定，在全面確定了其基本的條件后，再應(yīng)用Ansoft Maxwell 軟件來建立相應(yīng)3D 模型。

（2）對磁場進行仿真分析。在對磁場進行仿真分析的過程中，依然可以通過Ansoft Maxwel 軟件來實現(xiàn)，這樣就可以分別獲得變壓器對應(yīng)條件之下的磁芯損耗和繞組損耗情況。

（3）對散熱負載進行設(shè)定。在進行大功率高壓開關(guān)電源變壓器的整體散熱控制設(shè)計過程中，負載的設(shè)定也是一項關(guān)鍵性內(nèi)容。在負載設(shè)定過程中，應(yīng)該判斷散熱負載和變壓器額定負載的大小，如果散熱負載小于變壓器額定的負載，則可以繼續(xù)進行下一步，如果散熱負載大于變壓器的額定負載，則應(yīng)該結(jié)束計算。

（4）在自然風(fēng)冷的條件下進行溫度場的仿真。在ANSYS 軟件之中導(dǎo)入磁場損耗模型，并計算自然風(fēng)條件下的高壓開關(guān)電源變壓器溫升情況。

圖1 變壓器在強迫風(fēng)冷條件之下的仿真升溫結(jié)果

（5）在強迫風(fēng)冷的條件下進行溫度場的仿真。在計算變壓器所需散熱通風(fēng)量過程中，可以通過ANSYS 軟件對風(fēng)量條件進行計算，這樣就可以獲得強迫風(fēng)冷條件下的變壓器溫升。通過將其與自然風(fēng)冷條件下溫升情況進行對比，就可以分析出散熱效果是否理想。

（6）實物模型的建立。在將自然風(fēng)冷條件之下以及強迫風(fēng)冷條件之下的溫升結(jié)果進行對比之后，如果發(fā)現(xiàn)其可基本滿足變壓器散熱條件，就可以建立實物模型，進一步對其進行驗證。

（7）對結(jié)果進行對比。通過實際模型結(jié)果和仿真結(jié)果的對比，就可以獲得最優(yōu)設(shè)計結(jié)果，并能夠?qū)?yōu)化設(shè)計是否有效進行驗證。

（8）對新的負載進行運算。在得出設(shè)計結(jié)果后，應(yīng)該重新選擇一組負載進行運算，這樣就能夠獲得不同負載條件之下變壓器需要的通風(fēng)量，進而實現(xiàn)對風(fēng)量的有效調(diào)節(jié)，使變壓器得到最佳散熱效果。

4 結(jié)束語

在大功率高壓開關(guān)電源變壓器應(yīng)用過程中，損耗以及散熱始終是需要重點解決的問題。因此，在實際應(yīng)用過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)全面分析變壓器運行中的損耗以及不同負載條件之下的散熱情況，這樣才可以及時發(fā)現(xiàn)其損耗以及散熱方面的問題，并根據(jù)實際情況制定出合理化解決方案。通過這種方式，可以合理降低大功率高壓開關(guān)電源變壓器的運行損耗和運行溫度，在保障其正常運行情況下提升運行安全性。這對于大功率高壓開關(guān)電源應(yīng)用效果的提升會起到十分積極的促進作用，進而有效推動當今社會經(jīng)濟與能源等的可持續(xù)發(fā)展。