高频变压器最大设计容量的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及高频变压器技术领域，具体设及一种高频变压器最大设计容量的确定 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（PowerElectronic化ansformer，简称阳T)，也称固态变压器 (Solid-StateTransformer,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，W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] 因此，高频变压器相比与传统的变压器，其优势在于：
[0004] (1)相同磁忍结构和尺寸时，变压器的原副边电压等级显著增大。 阳0化](2)相同磁忍结构和尺寸时，变压器的设计容量和功率密度显著增大。
[0006] (3)应用领域更加广泛，比如：配电网领域，直流输电领域，W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W满足智能电网未来发展的许多新要求。
[0007]目前，在工程技术上，对于高频变压器的设计，都是已知设计容量和频率等参数而 展开设计，根据高频变压器的面积设计公式，确定磁忍的规格尺寸，然后，再进行绕组布置 和绝缘安排的设计，最终，通过该种设计方式能够满足工程设计要求，但是，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加严格和精确。所W，就需要根据特定的磁忍规格尺寸， 对高频变压器展开设计。在特定磁忍结构和尺寸下，为了最大化地提高设计容量，有必要找 到一种设计方法，使得高频变压器的设计容量最大，W满足未来高频变压器的发展需求。
【发明内容】
[0008]为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种高频变压器最大设计容量的确定方 法。
[0009] 本发明的技术方案是：
[0010] 所述高频变压器的变比为1:1，原边绕组和副边绕组均采用Litz线绕制而成，所 述方法包括：
[0011] 步骤1 :依据高频变压器的磁忍材料获取所述高频变压器的磁忍损耗系数Km和磁 忍损耗指数；所述磁忍损耗指数包括指数a和指数P;所述磁忍损耗系数Km、指数a和指 数P均为常数；
[0012] 步骤2:依据所述高频变压器的磁忍结构和尺寸获取高频变压器的磁忍面积积Ap、 磁忍体积V。。,。和磁忍窗口面积w。，W及溫升系数氏；
[0013] 步骤3:构建所述高频变压器的最优工作磁密计算模型，并依据该最优工作磁密 计算模型计算高频变压器的最优工作磁密值Bwt;
[0014] 步骤4:依据所述最优工作磁密值Bwt、磁忍面积积Ap、所述Litz线的电流密度J 和高频变压器的频率f，计算初选设计容量S。的值；
[0015] 依据所述初选设计容量S。、高频变压器原副边的额定电压U、磁忍截面积A。和频率 f，计算高频变压器原副边绕组的应数N;
[0016] 获取所述Litz线的参数，所述参数包括Litz线包含的导线股数成、单股导线的线 径d。和Litz线的电阻率P;计算高频变压器的交流绕组系数Ff的值；
[0017] 依据高频变压器原副边绕组的排布和绝缘排布，计算原副边绕组的平均应长 MLT；
[0018] 步骤5 :构建所述高频变压器的最大设计容量计算模型，并依据该最大设计容量 计算模型计算最大设计容量Sm的值；
[0019] 步骤6:依据最大设计容量Sm和高频变压器原副边的额定电压U计算高频变压器 原副边的额定电流I' ；依据所述电流密度J和线径d。重新计算得到导线股数N'S和电阻率 P'，并重新计算得到交流绕组系数F'f;将交流绕组系数F'f和电阻率P'代入最大设计容 量计算模型，得到新的最大设计容量S'm;
[0020] 步骤7 :比较所述最大设计容量S'm和最大设计容量Sm:
[0021] 若二者的误差小于误差设定值，则最大设计容量s'm为高频变压器最终的最大设 计容量；
[0022] 若二者的误差大于误差设定值，则返回步骤4,将最大设计容量s'm的值赋值到所 述初选设计容量S。。
[0023] 优选的，所述步骤3中最优工作磁密计算模型的表达式为：
[0024]
(1 ) 阳02引其中，
，k2=KmVcwe，AT为溫升限制值；
[00%] 优选的，所述步骤4中初选设计容量S。的计算公式为：
[0027]
似
[0028] 其中，Kf为波形系数，K。为绕组利用系数，n为高频变压器效率；
[0029] 所述高频变压器原副边绕组的应数N的计算公式为：
[0030]
[0031] 其中，Bm为工作磁密；
[0032] 所述导线股数成的计算公式为： 阳0；33]
(斗)
[0034] 其中，A历Litz线的载流面积，4 = ^; UJ
[0035] 优选的，所述步骤4中单股导线的线径d。和Litz线的电阻率P的计算方法为：
[0036] 步骤41 :计算导线的趋肤深度A;
[0037] 步骤42 :设定所述单股导线的线径初值屯。=0. 9X2A;依据所述线径初值dC遣 找ZWG线规表确定线径d。的值；
[003引步骤43:查找所述ZWG线规表获取线径为d。的单股导线的电阻率P。，依据所述电 阻率P。计算Litz线的电阻率为口
[0039] 优选的，所述步骤4中交流绕组系数Ff的计算公式为：
[0040]
(3)
[0041] 其中，m为高频变压器的绕组层数；X为导线归一化厚度：
[0042] A为导线的趋肤深度，
D。为Litz线的等效直径，
[0043] 优选的，所述步骤5中最大设计容量计算模型的表达式为：
[0046] A T为溫升限制值；Kf为波形系数，K。为绕组利用系数，n为高频变压器效率，W。 为磁忍窗口截面积；
[0047] 优选的，所述步骤6中额定电流I'的计算公式为：
[0048]
(7)。
[0049] 与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：
[0050] 本发明提供的一种高频变压器最大设计容量的确定方法，在磁忍结构和尺寸固定 的条件下，可W方便地确定变压器的最大设计容量值。现有技术通过已知的设计容量、工作 频率和原副边电压值参数，不一定能够满足对高频变压器的体积要求，而本发明在抑制磁 忍结构和尺寸、工作陪你和原副边电压值而开展设计，满足了对高频变压器的体积要求，同 时，使得高频变压器的设计容量值最大，提高了器功率密度，满足了高频变压器对大容量和 高功率密度的发展需求。
【附图说明】
[0051] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0052] 图1 :本发明实施例中一种高频变压器最大设计容量的确定方法流程图；
[005引图2 :本发明实施例中Litz线结构示意图；
[0054] 图3 :本发明实施例中高频变压器的磁忍正视图； 阳化5] 图4 :本发明实施例中高频变压器的磁忍侧视图。
【具体实施方式】
[0056] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0057] 本发明提供的一种高频变压器最大设计容量的确定方法的实施例如图1所示，具 体为：
[0058] 一、依据高频变压器的磁忍材料获取高频变压器的磁忍损耗系数和磁忍损耗指 数。
[0059] 本实施例中高频变压器的变比为1:1，起到隔离的作用，将副边的用电设备与原边 的电网隔离开来，使得原边和副边没有直接电的联系，减少了原边的电网对副边用电设备 的干扰，同时，也减少了副边用电设备中谐波对原边电网的影响。同时，还保护了人身安全。 因为隔离变压器的原边是和电网相连的，原边对地有电压和构成回路的，容易触电。而隔离 变压器副边的电压是感应获得，与原边（与大地形成回路）不形成一个回路，即与地不构成 回路，人触摸到副边不会有危险。一般人操作用电设备都是在副边进行，也不会有触电危 险。
[0060] 原边绕组和副边绕组均采用Litz线绕制而成。磁忍损耗系数为系数Km，磁忍损耗 指数为指数a和指数0。
[0061] 二、依据高频变压器的磁忍结构和尺寸获取高频变压器的磁忍面积积Ap、磁忍体 积V。。^。和磁忍窗口面积W。，W及溫升系数氏。 阳06引本实施例中高频变压器磁忍采用如图3和4所示的UU型磁忍结构。
[0063]=、构建高频变压器的最优工作磁密计算模型，并依据该最优工作磁密计算模型 计算高频变压器的最优工作磁密值Bwt。本实施例中最优工作磁密计算模型的表达式为：
[0066] 本实施例中最优工作磁密计算模型构建过程为：
[0067] 1、根据磁忍面积积公式和绕组损耗计算式们建立绕组损耗和设计容量之间的关 系式。
[0068] 在经典的变压器设及理论中，变压器面积积Ap是变压器磁忍到小的选取标准，实 际选择的磁忍面积积值要比计算的磁忍面积积大一点。变压器的面积积Ap值越大，那么最 终变压器设及体积也就越大，变压器面积积的表达式为： 阳0例
任》
[0070] 其中，A。为高频变压器的磁忍界面积，W。为窗口面积；K巧波形系数，正弦波时Kf =4. 44,方波时Kf= 4 ;K。为绕组的利用系数，一般对于利用Litz线导线类型的绕组形式， Ku= 0. 2~0. 3 ;B m为工作磁密，f为工作频率，J为导线电流密度，S为设计容量，n为高 频变压器效率。
[0071] 在正弦激励下，高频时磁忍损耗的经典计算法时Steinmetz经验公式法，因此，依 据Stei皿etz经验公式法磁忍损耗P。的计算公式为： 阳07引 Pc= Km^BmPy…re 做
[0073]其中，Km为磁忍损耗系数，a和P为磁忍损耗指数，对于特定的磁忍材料，a、P 和Km均是常数，V。"6为磁忍体积。
[0074] 在正弦激励下，高频时绕组损耗的经典计算法时Dowell法，因此，依据Dowell法 绕组损耗P。。的计算公式为： 阳0巧]
(斗)
[0076] 其中，Fr郝Ff2分别为原边绕组和副边绕组的交流绕组系数，I 1和I 2分别为原边 绕组和副边绕组的额定电流，Rdel和Rdc2分别为原边绕组和副边绕组的直流电阻。
[0077]