大容量高频变压器最优工作频率的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高频变压器设计领域，特别涉及一种大容量高频变压器最优工作频率 的确定方法。
【背景技术】
[0002] 基于电力电子技术，国内外学者开始探索研究实现电能变换的新型智能变压器-电力电子变压器（Power Elecronic Transformer,简称PET)，也称固态变压器（Solid-State Transformer，简称SST)。电力电子变压器作为一种高度可控的新型变电装备，其突 出特点是能够实现对变压器原副边电压幅值与相位的灵活控制，以满足智能电网未来发展 的许多新要求。而在电力电子变压器的大功率拓扑的实现中，中间的高频变压器本体是最 基础也是最重要的电磁元件。随着设计容量不断提高，变压器体积不断增大，可通过提升工 作频率的方法减小高频变压器本体的物理体积。
[0003] 高频变压器与传统的变压器相比，其优势在于：相同设计容量时，高频变压器的物 理体积显著减小；所用的磁芯更轻，导线更少，绝缘介质更少；应用领域更加广泛，比如：配 电网领域，直流输电领域，以及未来智能电网领域。用在电力电子拓扑中，组成的电力电子 变压器可实现对原副边电压幅值与相位的灵活控制，可以满足智能电网未来发展的许多新 要求。
[0004] 随着电力电子技术的发展，未来的电力电子变压器容量会更大，体积会更小，更加 地实现装置集成化，对于其中的高频变压器体积要求会更小。所以，有必要在特定设计容量 和工作磁密下，找到一种大容量高频变压器最优工作频率的确定方法，使得高频变压器的 设计体积最小，以满足未来高频变压器的发展需求。
[0005] 现有技术针对缩小变压器的体积没有采用最优工作频率确定方法。而现有技术 是：在特定设计容量和工作磁密下，逐步提高工作频率，确定每一次工作频率下的磁芯尺寸 和绕组排布，计算磁芯损耗和绕组损耗值，并计算每一次工作频率下的温升值，看是否超过 温升限制值，如果没超过温升限制值，那么就继续提高工作频率，如果在下一次提高工作频 率时，温升超过限制值，那么就选择上一次时的工作频率值作为最终工作频率。所以，现有 技术针对缩小变压器的体积，计算工作量大，繁琐，需要花费很多时间，不利于工程应用。而 本发明方法，有效减少计算工作量，节省计算时间，方便快捷，有利于工程应用。
【发明内容】
[0006] 针对上述问题，本发明提出了一种大容量高频变压器最优工作频率的确定方法， 包括：
[0007] 步骤1 :确定变压器磁芯的材料，根据磁芯材料，确定磁芯损耗系数值Km、α和β 的值；导线采用多股并绕的利兹线；
[0008] 步骤2 :确定初选工作频率f，根据初选工作频率f和导线国标或者AWG线规表，确 定导线中单股导线的直径d。，导线的电导率〇 ;根据原边绕组额定电流I1、副边绕组额定电 流I2和导线的电流密度J，计算原边导线的股数N i和副边导线的股数N 2;
[0009] 步骤3 :计算高频变压器的面积积值Ap，根据Ap确定磁芯尺寸；根据绕组损耗P "的 表达与单位体积磁芯损耗P。的表达式，分别得到工作磁密B和导线的电流密度J关于频率 的关系表达式；
[0010] 步骤4 :根据步骤3建立特定设计容量S和工作磁密B条件下，高频变压器体积的 等效尺寸SF与初选工作频率f的关系式；对此式中的初选工作频率f进行求导，得到特定 设计容量和工作磁密条件下，变压器的初选最优工作频率?·_ ;
[0011] 步骤5 :计算初选最优工作频率值f；pt下的高频变压器面积积值A' ρ，根据高频变 压器面积积值A' ρ，确定相应的磁芯尺寸值；
[0012] 步骤6 :根据步骤4和步骤5中得到的初选最优工作频率Lt和磁芯尺寸后，确定 变压器的绕组布置，分别计算磁芯损耗P。和绕组损耗P w，确定高频变压器的温升在允 许的限制值内；如果计算的温升值超过了允许的温升限制值，则返回到步骤2重新确定初 选工作频率f ;如果高频变压器的温升处在允许的限制值内，则此时的初选最优工作频率 &#为特定设计容量和工作磁密下高频变压器的最优工作频率P，此时对应的变压器的 体积最小。
[0013] 所述步骤3中的绕组损耗Pw的计算式为
[0014]
[0015] 式中原边绕组导线的总面积
副边绕组导线的总面积
MLT1为原边绕组的平均匝长，MLT 2为副边绕组的平均匝长，Ii1为原边 绕组匝数，n2为副边绕组匝数。
[0016] 所述步骤3中的导线电流密度J关于频率的关系表达式为
[0017]
[0018] 所述步骤4中的特定设计容量S和工作磁密B下，高频变压器体积的等效尺寸SF 与初选工作频率f的关系式为
[0019]
[0020] 根据Steinmetz经验公式，对于基本上所有的磁芯其损耗系数关系为 3. 5>β>α>1，q为高频变压器效率。
[0021] 所述步骤4中的特定设计容量S和工作磁密B下，变压器的初选最优工作频率值 f；pt的表达式为
[0022]
[0023] 式中中间变量t 为绕组的填充系数，μ。为真空磁导 率，Cw为绕组高度。
[0024] 所述利兹线的绕组的填充系数1^为0. 2-0. 3,导线的电导率随着单股利兹线的线 径不同而不同，导线的电流密度J为3-4A/mm2。
[0025] 所述磁芯的结构为UU型，确定磁芯尺寸时磁芯窗口高度值保持不变。
[0026] 有益效果
[0027] 本发明方法能应用于不同磁芯材料和原副边不同电压等级的高频变压器设计中 最优工作频率的确定，可以最大化地减小变压器的设计体积。现有技术针对缩小变压器的 体积，计算工作量大，繁琐，需要花费很多时间，不利于工程应用；而本发明方法，有效减少 计算工作量，节省计算时间，方便快捷，有利于工程应用
【附图说明】
[0028] 图1为Litz导线图
[0029] 图2为UU型磁芯结构图
[0030] 图3为UU型磁芯变压器中原副边绕组布置图
[0031] 图4是本发明大容量高频变压器最优工作频率的确定方法流程图
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明如下：
[0033] 图4是本发明大容量高频变压器最优工作频率的确定方法流程图。
[0034] -种大容量高频变压器最优工作频率的确定方法，其特征在于：
[0035] 步骤1 :确定变压器磁芯的材料，根据磁芯材料，确定磁芯损耗系数值Km、α和β 的值；导线采用多股并绕的利兹线；
[0036] 步骤2 :确定初选工作频率f，根据初选工作频率f和导线国标或者AWG线规表，确 定导线中单股导线的直径d。，导线的电导率〇 ;根据原边绕组额定电流I1、副边绕组额定电 流I2和导线的电流密度J，计算原边导线的股数N i和副边导线的股数N 2;
[0037] 步骤3 :计算高频变压器的面积积值Ap，根据Ap确定磁芯尺寸；根据绕组损耗P "的 表达与单位体积磁芯损耗P。的表达式，分别得到工作磁密B和导线的电流密度J关于频率 的关系表达式；
[0038] 步骤4 :根据步骤3建立特定设计容量S和工作磁密B条件下，高频变压器体积的 等效尺寸SF与初选工作频率f的关系式；对此式中的初选工作频率f进行求导，得到特定 设计容量和工作磁密条件下，变压器的初选最优工作频率?·_ ;
[0039] 步骤5 :计算初选最优工作频率值f；pt下的高频变压器面积积值A' ρ，根据高频变 压器面积积值A' ρ，确定相应的磁芯尺寸值；如图2所示，磁芯结构为UU型
[0040] 步骤6 :根据步骤4和步骤5中得到的初选最优工作频率f；pt和磁芯尺寸后，确定 变压器的绕组布置，如图3所示；分别计算磁芯损耗P'。和绕组损耗P' w，确定高频变压 器的温升在允许的限制值内；如果计算的温升值超过了允许的温升限制值，则返回到步骤 2重新确定初选工作频率f ;如果高频变压器的温升处在允许的限制值内，则此时的初选最 优工作频率￡_为特定设计容量和工作磁密下高频变压器的最优工作频率P _，此时对 应的变压器的体积最小。
[0041] 由于变压器设计体积不仅与磁芯结构、绕组排布有关，而且与变压器的散热方式 和绝缘方式等密切相关，因此，如果单纯的将变压器体积用实际的长、宽、高来计算，那么得 到的变压器体积表达式将非常复杂，不利于理论分析。所以，有必要找到一个可以代替变压 器体积的参数。假设变压器磁芯形状与绕组填充系数是不变的，那么变压器的长、宽、高可 以用同一个等效尺寸SF来代替，那么有变压器体积的表达式为：
[0042] V °c SF3 (1)
[0043] 在经典的变压器设计理论中，变压器面积积Ap是变压器铁芯大小的选取标准，实 际选择的磁芯面积积值要比计算的磁芯面积积大一点。变压器的面积积A p值越大，那么最 终