大容量高頻變壓器繞組損耗的計(jì)算與分析

王國(guó)龍

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東萊蕪 271104）

0 引言

國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者在電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)的新型智能變壓器實(shí)現(xiàn)了更加有效的電能變化，這種電力電子變壓器也叫固態(tài)變壓器。電力電子變壓器與傳統(tǒng)的變壓器相比有一定優(yōu)勢(shì)，控制性更強(qiáng)。電力電子變壓器組成中最基礎(chǔ)的電磁原件是高頻變壓器，也是最重要的部件。在不斷增加變壓器需求容量的背景下，其體積也在持續(xù)增加。變壓器的體積隨著工作頻率的增加而不斷減小，但是從繞組的損耗方面來(lái)分析，在高頻效應(yīng)下會(huì)越來(lái)越大。為此，對(duì)于大容量高頻變壓器，研究的重點(diǎn)是怎樣通過(guò)繞制結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)減少繞組損耗。

在后面研究中，主要是基于有限元分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建，得到不同繞組模型，繪制繞組繞制方向漏磁通密度分布曲線。計(jì)算繞組交流電阻、損耗交叉換位變化以及漏感等數(shù)值。在這種情況下，又對(duì)綜合分析交叉換位形式與高頻變壓器交流電阻、漏感等的影響進(jìn)行深入研究。通過(guò)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，想要降低變壓器繞組損耗和漏感，可以將分屬一二次測(cè)層或者線匝交疊安排。在變壓器繞組設(shè)計(jì)中應(yīng)用交叉換位技術(shù)，有效提高大容量高頻變壓器的工作效率。將高頻變壓器與有限元分析相結(jié)合，針對(duì)20 kHz、10 kW 的E-E 型銅箔繞組變壓器，應(yīng)用科學(xué)有效的繞組制作技術(shù)方式，充分考慮可能產(chǎn)生影響的因素，最大限度降低高頻變壓器的損耗和漏感。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量高頻變壓器樣機(jī)，分析不同繞組結(jié)構(gòu)情況。結(jié)果顯示，繞組結(jié)構(gòu)的變化會(huì)引起變壓器性能的變化，這也可作為重要的依據(jù)來(lái)進(jìn)行后期的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

1 繞組結(jié)構(gòu)對(duì)高頻變壓器參數(shù)的影響

與工頻變壓器不同，在工作頻率方面，高頻變壓器更高，主要有以下方面：首先，變壓器的體積縮??；然后，加強(qiáng)控制分布參數(shù)，變壓器的輸出功率與分布參數(shù)設(shè)計(jì)質(zhì)量有直接關(guān)系，會(huì)對(duì)其效率造成較大影響，可能造成電源處于不良的運(yùn)行狀態(tài)。高頻變壓器中高功率的漏失是重要的參數(shù)之一。

本次研究建立了不同繞組模型，如圖1 所示。以此分析對(duì)漏感、電阻等參數(shù)帶來(lái)的影響，包括有交叉換位式模型、三明治式模型以及無(wú)交叉式模型。選取美磁公司的OR49938EC 型鐵氧體作為磁芯材料進(jìn)行仿真模擬。20 kHz 下，匝數(shù)比2∶1，額定電流比和額定電壓比分別為17∶34 和600∶300。圖1 中的黑色、白色分別代表一次繞組、二次繞組。

圖1 繞組結(jié)構(gòu)模型

（1）圖1 和圖2a）顯示，漏磁磁通密度在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)交叉式繞組中，加大一次安匝數(shù)會(huì)加大漏磁磁通密度。當(dāng)一次安匝數(shù)為0.037 T，達(dá)到側(cè)交界面最大值的情況下為最大。這是因?yàn)橐淮蝹?cè)與二次側(cè)有著相同匝數(shù)，卻為相反方向，到達(dá)二次界面后，就會(huì)出現(xiàn)漏磁磁通密度減少的情況。達(dá)到二次繞組邊緣時(shí)出現(xiàn)最小值0。從這個(gè)分析可以看到，這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)漏感的可能性很大，此外，在分開(kāi)繞制一二次繞組的情況下，就會(huì)加大其鄰近效應(yīng)，增加交流電阻，加大變壓器銅損。因此高頻變壓器在設(shè)計(jì)和制作時(shí)，不能因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單就采取這種繞組方式。

（2）圖1 和圖2b）顯示，三明治式繞組結(jié)構(gòu)與普通繞組結(jié)構(gòu)漏磁磁通密度相比，最大值大約小一半。三明治式結(jié)構(gòu)繞組的最大值為0.02 T，漏磁磁通密度在中心位置處降低為零，因此三明治式繞組結(jié)構(gòu)的漏感和鄰近效應(yīng)比較小，變壓器銅耗也比較小，有效提升變壓器的效率。

（3）圖1 和圖2c）顯示，在漏磁磁通密度方面，交叉換位式結(jié)構(gòu)會(huì)小于三明治式結(jié)構(gòu)，交叉換位式繞組漏磁磁通密度最大值為4.8 mT。因此交叉換位式繞組結(jié)構(gòu)形式的漏感、鄰近效應(yīng)大大降低。不同匝數(shù)的繞組因鄰近效應(yīng)大大降低，電阻基本相同；同時(shí)交叉換位繞組結(jié)構(gòu)形式每匝之間有著良好的耦合，所以銅損的分配也比較平均。在效率、可靠性和故障率方面，交叉換位式繞組結(jié)構(gòu)都有良好表現(xiàn)。因此，相對(duì)于前兩種變壓器，其性能更優(yōu)。交叉換位式繞組交錯(cuò)并靠近，內(nèi)部的磁場(chǎng)因?yàn)猷徑兴鶞p小，層間氣隙的磁場(chǎng)儲(chǔ)能也有所下降，實(shí)現(xiàn)了漏感、損耗下降的目的。交叉換位式繞組形式有著降低高頻變壓器繞組電阻、漏感、渦流損耗和阻抗等優(yōu)勢(shì)。

圖2 不同結(jié)構(gòu)的繞組沿繞制方向漏磁通密度的分布曲線

2 大容量高頻變壓器繞組制作要求

在高頻變壓器的設(shè)計(jì)和制作時(shí)一定要考慮到鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)，繞組導(dǎo)線的直徑不能大于趨膚深度的2 倍。降低變壓器的渦流損耗可以采取多股細(xì)銅線并繞的方式或者采用薄銅作為導(dǎo)線。變壓器的最終性能、可靠性都與高頻變壓器繞組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。保障變壓器的漏感、交流電阻處于科學(xué)合理的范圍內(nèi)，就要在變壓器制作時(shí)盡量使一二次繞組實(shí)現(xiàn)緊密耦合。二次分布電容是按照匝比平方來(lái)向一次側(cè)折算，增加變壓器電壓情況下，二次分布電容就會(huì)出現(xiàn)很大變化。這就要求在高頻高壓大功率變壓器電容進(jìn)行分布時(shí)，盡量要小，充分考慮到變壓器繞制時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。交叉換位式繞組制作時(shí)，首先變壓器繞組的第一匝一定要圍繞磁芯纏繞，再開(kāi)始二次繞組的一匝，重復(fù)以上過(guò)程，直到纏繞完成為止。這種纏繞方式有效提升了工作效率，使高頻變壓器的漏感減少。但在實(shí)際操作中難于進(jìn)行此類非1∶1 電壓比的繞組結(jié)構(gòu)，通常會(huì)選用折中措施，在便于繞制的基礎(chǔ)上，也能有效控制漏感范圍。

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)計(jì)算和研究，在樣機(jī)繞組的制作方面，銅箔選用寬26.5 mm、厚0.2 mm，以透明聚酯薄膜為絕緣材料，厚度為75 μm，采取交叉換位式繞組形式代替三明治式繞組結(jié)構(gòu)形式，有效降低了漏感、電阻，保障繞組的損耗降到最低，繞組間的分布電容有所增加。高頻變壓器性能參數(shù)大小通過(guò)對(duì)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出，與繞組的布局有著密切關(guān)系。通過(guò)制作變壓器，主要表現(xiàn)為3 點(diǎn)。

（1）通過(guò)對(duì)一二次繞組間的緊密耦合，實(shí)現(xiàn)漏感的減小，采取交叉換位的方式縮短繞組結(jié)構(gòu)上的間距，進(jìn)行科學(xué)合理的布局。

（2）分布電容會(huì)因?yàn)椴煌睦@制方式而出現(xiàn)較大差異。在交叉換位繞制方法中，加大了同一繞組層間的距離，減少了繞組分布電容。

（3）繞組間繞線的粗細(xì)、線圈層間距以及層間絕緣材料都會(huì)影響分布電容，同時(shí)還與繞組正對(duì)的面積有著密切關(guān)系。因此繞組間電容會(huì)因?yàn)椴扇〔煌睦@組布局存在很大差異。一二次繞組在經(jīng)過(guò)交叉換位式繞組結(jié)構(gòu)后正對(duì)面積增加，也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)的寄生電容較大。在緊密繞組中，大寄生電容與低漏感之間是一對(duì)矛盾，這就需要進(jìn)行綜合分析。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上研究和分析得出，高頻變壓器在制作過(guò)程中，盡量使用交叉換位式繞組結(jié)構(gòu)，有效降低損耗，對(duì)于導(dǎo)體有著不同流向的電流，可將其靠近安排，流向相同則應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。通過(guò)交叉換位式，能有效降低變壓器的損耗和漏感，提升效率和可靠性。