具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件及系统的制作方法

本发明涉及高频变压器技术领域，具体地，涉及一种具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件及系统。

背景技术：

电力变压器是发电厂和变电所的主要设备之一。变压器的作用是多方面的不仅能升高电压把电能送到用电地区，还能把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。总之，升压与降压都必须由变压器来完成。在电力系统传送电能的过程中，必然会产生电压和功率两部分损耗，在输送同一功率时电压损耗与电压成反比，功率损耗与电压的平方成反比。利用变压器提高电压，减少了送电损失。

现有的电力变压器产品中，兆瓦级大容量光伏发电直接并网工频配电变压器占用空间大，消耗材料多。模块化高频变压器尺寸比传统工频变压器小得多、功率密度高，采用隔离型多电平光伏逆变交流并网发电系统需要数量较多的多绕组高频变压器。高频变压器损耗的热负荷高，散热困难，这使每相若干高频变压器的空间布置和通风冷却结构设计变得困难。

因此，如何解决众多高频变压器的空间布置和散热问题，是本领域的技术难点，目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件及系统。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件，包括：外部绝缘套筒、若干多绕组高频变压器、散热风扇以及辅助机械支撑结构；其中：

所述辅助机械支撑结构设置于外部绝缘套筒内；

所述散热风扇为两个，分别设置于外部绝缘套筒内部的底部和顶部；

所述多绕组高频变压器设置于辅助机械支撑结构上；

每一个所述多绕组高频变压器均包括：壳式磁芯及绕组组件、磁轭和绝缘材料；其中：

所述壳式磁芯及绕组组件中，壳式磁芯包括分段式磁芯柱，绕组包括输入线圈和输出线圈，其中，所述输入线圈紧靠分段式磁芯柱设置，所述输出线圈为多个，并自上而下依次套装于所述输入线圈的外侧；

所述磁轭包括上磁轭、下磁轭以及分别与上磁轭和下磁轭连接且呈空间对称分布的多个旁路磁轭，其中，所述上磁轭和下磁轭分别设置于所述壳式磁芯及绕组组件的上侧和下侧，所述多个旁路磁轭分别设置于输出线圈的外侧；

所述绝缘材料分别设置于输入线圈与输出线圈之间、输入线圈与分段式磁芯柱之间、输出线圈与旁路磁轭之间、以及壳式磁芯及绕组组件与上磁轭和下磁轭之间。

优选地，所述分段式磁芯柱包括上、中、下三部分，其中，中段磁芯柱采用低磁导率磁性材料，其饱和磁感应强度高于上、下两段磁芯柱，上、下两段磁芯柱均采用高磁导率磁性材料。

优选地，所述中段磁芯柱长度根据串联谐振条件下的漏电感参数与主电感参数最佳匹配要求进行调整。

优选地，所述上磁轭和下磁轭均包括中间圆盘部分和与中间圆盘部分一体成型的多个分支部分，其中，所述中间圆盘部分覆盖输入线圈和输出线圈，多个分支部分分别与多个旁路磁轭一一对应连接。

优选地，所述上磁轭、下磁轭和旁路磁轭均采用高磁导率磁性材料。

优选地，所述外绝缘套筒包括可拆分连接的两部分，外绝缘套筒的两侧分别开有引出线通孔。

优选地，相邻两个所述引出线通孔之间的间距满足引出线电压和绝缘耐压要求。

优选地，所述输入线圈的引出线通过设置于外部绝缘套筒一侧的通孔引出；所述输出线圈的引出线通过设置于外部绝缘套筒另一侧的通孔引出。

优选地，所有引出线在外绝缘套筒通孔处固定。

优选地，所述辅助机械支撑结构包括若干层对称三柱机械结构，其中层数由多绕组高频变压器数量确定；

每一层所述对称三柱机械结构均包括y型凹槽支撑板，相邻两层y型凹槽支撑板之间通过三根等长度绝缘管支撑设置，所有绝缘管上下对齐形成三柱对称结构，y型凹槽支撑板边缘通孔中心与绝缘管轴线一致，并通过拉紧杆固定。

优选地，所述y型凹槽支撑板与磁轭之间填充和敷设有导热胶。

优选地，两个所述散热风扇中，位于底部的散热风扇用于送风，位于顶部的散热风扇用于抽风。

优选地，所述壳式磁芯及绕组组件产生的热量通过散热风扇强迫通风冷却，所述外部绝缘套筒和多绕组高频变压器之间的空间形成冷却风道。

优选地，所述组件还包括转轮，所述转轮安装于外部绝缘套筒的外部的底部上。

根据本发明的另一个方面，提供了一种应用上述任一项所述的多模块多绕组高频变压器组件构成的电力系统，其中，所述多模块多绕组高频变压器组件为一个，一个所述多模块多绕组高频变压器组件通过前后级变换器构成一相系统；或

所述多模块多绕组高频变压器组件为多个，多个所述多模块多绕组高频变压器组件之间通过前后级变换器构成三相系统。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下至少一项有益效果：

1、本发明提供的具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件及系统，针对多模块多绕组高频变压器，解决了传统配电变压器磁芯和绕组绝缘间距过大和散热困难的问题，由于每个高频变压器输入线圈前端是输入侧h桥逆变器和串联谐振电容，每个输出线圈接不可控h桥整流器并经电容器滤波稳压，再经h桥逆变器构成级联式多电平逆变器,前端h桥逆变器含串联谐振电容模块和后端不可控整流器含电容滤波稳压模块与中间高频变压器之间都只有电气连线；同样地，电容滤波稳压输出与级联式多电平逆变器之间也只有电气连线，而高频变压器之间没有电气连线，提高分立高频变压器的系统集成度和光伏发电各子系统间的接口界面清晰度。

2、本发明提供的具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件及系统，在外部绝缘套筒的底部和顶部安装散热风扇且风量得到充分利用，解决了通风散热难题。

3、本发明提供的具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件及系统，辅助机械支撑结构不仅有效地固定高频变压器，而且凹槽支撑板与磁轭之间通过填充和敷设导热胶提供了与磁芯之间热传导的途径，有利于高频变压器散热。

4、本发明提供的具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件及系统，集成了多个多绕组变压器和通风冷却，解决了模块化设计和集成制造问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例中具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件局部剖视图；

图2为图1中所示具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件的俯视图；

图3为本发明一优选实施例中多绕组高频变压器结构示意图；其中，(a)为壳式磁芯及绕组组件与旁路磁轭之间的位置关系结构示意图；(b)为分段式磁芯柱结构示意图；(c)为上磁轭、旁路磁轭以及固体绝缘填充结构之间的连接关系示意图；

图中：1为外部绝缘套筒，2为多绕组高频变压器，3为拉紧杆及其绝缘管，4为y型凹槽支撑板，5为散热风扇，6为输入线圈，7为输出线圈(多个)，8为上磁轭，9为下磁轭，10为旁路磁轭(其中10-1、10-2和10-3分别为与上磁轭和下磁轭的分支部分连接的旁路磁轭)，11为分段式磁芯柱(11-1和11-3分别为具有高磁导率的上段和下段磁芯柱，11-2为具有低磁导率的中段磁芯柱)，12为绝缘材料，13-1、13-2和13-3分别为通风孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件，该组件对一相隔离型多模块多绕组高频变压器空间布置和通风冷却，并利用辅助结构对系统进行集成，解决了众多高频变压器的空间布置和散热问题。

本发明实施例所提供的具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件，包括：外部绝缘套筒、若干多绕组高频变压器、散热风扇以及辅助机械支撑结构；其中：

辅助机械支撑结构设置于外部绝缘套筒内；

散热风扇为两个，分别设置于外部绝缘套筒内部的底部和顶部；

多绕组高频变压器设置于辅助机械支撑结构上；

每一个多绕组高频变压器均包括：壳式磁芯及绕组组件、磁轭和绝缘材料；其中：

壳式磁芯及绕组组件中，壳式磁芯包括分段式磁芯柱，绕组包括输入线圈和输出线圈，其中，输入线圈紧靠分段式磁芯柱设置，输出线圈为多个，并自上而下依次套装于输入线圈的外侧；

磁轭包括上磁轭、下磁轭以及分别与上磁轭和下磁轭连接且呈空间对称分布的多个旁路磁轭，其中，上磁轭和下磁轭分别设置于壳式磁芯及绕组组件的上侧和下侧，多个旁路磁轭分别设置于输出线圈的外侧；

绝缘材料分别设置于输入线圈与输出线圈之间、输入线圈与分段式磁芯柱之间、输出线圈与旁路磁轭之间、以及壳式磁芯及绕组组件与上磁轭和下磁轭之间。

作为一优选实施例，分段式磁芯柱包括上、中、下三部分，其中，中段磁芯柱采用低磁导率磁性材料，其饱和磁感应强度高于上、下两段磁芯柱，上、下两段磁芯柱均采用高磁导率磁性材料。

作为一优选实施例，中段磁芯柱长度根据串联谐振条件下的漏电感参数与主电感参数最佳匹配要求进行调整。

作为一优选实施例，上磁轭和下磁轭均包括中间圆盘部分和与中间圆盘部分一体成型的多个分支部分，其中，中间圆盘部分覆盖输入线圈和输出线圈，多个分支部分分别与多个旁路磁轭一一对应连接。

作为一优选实施例，上磁轭、下磁轭和旁路磁轭均采用高磁导率磁性材料。

作为一优选实施例，外绝缘套筒包括可拆分连接的两部分，外绝缘套筒的两侧分别开有引出线通孔。

作为一优选实施例，相邻两个引出线通孔之间的间距满足引出线电压和绝缘耐压要求。

作为一优选实施例，输入线圈的引出线通过设置于外部绝缘套筒一侧的通孔引出；输出线圈的引出线通过设置于外部绝缘套筒另一侧的通孔引出。

作为一优选实施例，所有引出线在外绝缘套筒通孔处固定。

作为一优选实施例，辅助机械支撑结构包括若干层对称三柱机械结构，其中层数由多绕组高频变压器数量确定；

每一层对称三柱机械结构均包括y型凹槽支撑板，相邻两层y型凹槽支撑板之间通过三根等长度绝缘管支撑设置，所有绝缘管上下对齐形成三柱对称结构，y型凹槽支撑板边缘通孔中心与绝缘管轴线一致，并通过拉紧杆固定。

作为一优选实施例，y型凹槽支撑板与磁轭之间填充和敷设有导热胶。

作为一优选实施例，两个散热风扇中，位于底部的散热风扇用于送风，位于顶部的散热风扇用于抽风。

作为一优选实施例，壳式磁芯及绕组组件产生的热量通过散热风扇强迫通风冷却，外部绝缘套筒和多绕组高频变压器之间的空间形成冷却风道。

作为一优选实施例，组件还包括转轮，转轮安装于外部绝缘套筒的外部的底部上。

在本发明部分实施例中：

线圈与线圈之间、线圈与磁芯之间、线圈与磁轭之间都采用高强度绝缘材料填充。

多层y型凹槽支撑板之间等间距设置，间距稍高于高频变压器的高度。

外部绝缘套筒分两部分，可以自由打开与闭合，便于安放高频变压器与接线，外部绝缘套筒与辅助机械支撑结构固定。

所有高频变压器的输入线圈引出线通孔位于同一侧，且依次上下排列，所有高频变压器的输出线圈引出线通孔位于另一侧，且依次上下排列，引出线通孔上下间距满足引线电压和绝缘耐压要求，所有引出线在外绝缘套筒通孔处固定，并可以与外电路联结。

分段式磁芯柱采用高磁导率和低磁导率两种不同磁性材料，磁轭采用高磁导率磁性材料，上、下磁轭均空间对称地分为三个支路，使得磁路结构空间对称，分段式磁芯柱套装绕组；绕组包括输入线圈和若干相同结构的输出线圈，输入线圈与分段式磁芯柱之间用绝缘纸筒绝缘，输出线圈套装在输入线圈外部且依次上、下排列，相邻输出线圈的绕向相反，以减小相邻线圈之间的电压差和绝缘间距。

分段式磁芯柱没有非磁性材料间隙，具有低磁导率的中段磁芯柱长度可以根据漏电感参数与主电感参数匹配要求进行调整，相当于采用高磁导率材料的上、下两段磁芯柱中间增加非磁性气隙的效果，但由于没有非磁性材料引起的扩散高频磁场对绕组的附加损耗。

多层等间距设置的y型凹槽支撑板，既可以固定高频变压器又可以增加机械强度，通过凹槽支撑板与高频变压器接触面敷设导热胶增强导热性能。

高频变压器输入线圈和输出线圈的引出线分别固定在外部绝缘套筒两侧的通孔上，通孔上下排列，以便与外部控制电路连接。

散热风扇置于外部绝缘套筒的顶部和底部，底部风扇送风，顶部风扇抽风。

高频变压器输入线圈与输出线圈之间、输出线圈与上、下磁轭和旁路磁轭之间填充高电场强度绝缘材料，以减小绝缘间距，提高组件的功率密度。

本实施例还可以根据需要，输入低压引出线和输出高压引出线分离，保证绝缘要求。

组件底部增加底座和/或转轮以便支撑组件和整体移动。

下面结合附图，对本发明实施例所提供的技术方案进一步详细描述。

如图1所示，为本发明上述实施例所提供的具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件局部剖视图，图中：1为外部绝缘套筒，2为多绕组高频变压器，3为拉紧杆及其绝缘管，4为y型凹槽支撑板，5为散热风扇(风机)；

图2是图1所示组件结构的俯视图，13-1、13-2和13-3分别为通风孔。

图3中(a)、(b)和(c)是本发明上述实施例中所采用的多绕组高频变压器示意图，图中：6为输入线圈，7为输出线圈(多个)，8为上磁轭，9为下磁轭，10为旁路磁轭(其中10-1、10-2和10-3分别为与上磁轭和下磁轭的分支部分连接的旁路磁轭)，11为分段式磁芯柱(11-1和11-3分别为高磁导率磁芯柱部分，11-2为低磁导率磁芯柱部分)，12为高击穿电场强度绝缘材料。

具体的，一种具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件，包括：外部绝缘套筒1、若干多绕组高频变压器2、散热风机5和用于固定的辅助机械支撑结构。

多绕组高频变压器包括分段式磁芯柱11，上磁轭8，下磁轭9和三个对称分布的旁路磁轭10，围绕分段式磁芯柱11的输入线圈6，输入线圈6外侧自上而下布置的多个输出线圈7，输入线圈6与输出线圈7之间、各输出线圈7之间、输入线圈6与分段式磁芯柱11之间、输入线圈6和输出线圈7与上磁轭8、下磁轭9和旁路磁轭10之间都采用高击穿电场强度绝缘材料12填充；

辅助机械支撑结构是多层对称三柱机械结构，层数由高频变压器数量确定，包括安放高频变压器的多层等间距y型凹槽支撑板4，间距稍高于高频变压器的高度，相邻凹槽支撑板之间用三根等长度绝缘管支撑，所有绝缘管上下对齐形成三柱对称结构，凹槽支撑板边缘通孔中心与绝缘管轴线一致，并用拉紧杆固定，凹槽支撑板4与高频变压器下磁轭9接触处敷设导热胶，增强导热，凹槽支撑板4与高频变压器旁路磁轭10外边缘侧开有通风孔，增加旁轭的通风散热效果；

外部绝缘套筒1分两部分，可以自由打开与闭合，便于安装高频变压器与连接各线圈引线，外绝缘套筒1与辅助支撑架固定，外绝缘套筒两侧分别开有高频变压器连接引线通孔，所有高频变压器的输入线圈通孔位于同一侧，依次上下排列，所有高频变压器的输出线圈通孔位于另一侧，依次上下排列，引线通孔上下间距满足引线电压和绝缘耐压要求，所有引出线在外绝缘套筒通孔处固定，并可以与外电路联结。

分段式磁芯柱11，采用高和低两种磁导率、低密度、高电阻率、低比损耗、高频磁性材料，其中上、下两段(11-1和11-3)采用高磁导率磁性材料(例如相对磁导率超过1000锰锌铁氧。)，中间段(11-2)采用低磁导率高饱和磁感应强度的磁性材料(例如相对磁导率小于50的铁硅铝)，低磁导率材料磁芯柱长度根据电感参数所需等效气隙确定，避免采用实际非磁性材料引起杂散磁场对输入线圈损耗的影响。磁性材料的工作频率均可高达100khz以上。

作为一个优选实施方式，输入线圈6采用偶数层结构，确保引线位于同一侧，多个输出线圈7的匝数相同，均采用多层结构，并且各输出线圈依次上、下排列，相邻输出线圈之间绕向相反，减小输出线圈之间的最大电压差。

本发明另一实施例提供了一种应用上述实施例所提供的多模块多绕组高频变压器组件构成的电力系统，其中，多模块多绕组高频变压器组件为一个，一个多模块多绕组高频变压器组件通过前后级变换器构成一相系统；或

多模块多绕组高频变压器组件为多个，多个多模块多绕组高频变压器组件之间通过前后级变换器构成三相系统。

本实施例可以根据需要，灵活地将单一组件或若干组件通过前后级变换器构成一相或三相系统。

本发明上述实施例所提供的具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件及系统，集成了多个多绕组变压器和通风冷却，解决了模块化设计和集成制造问题。

本发明上述实施例所提供的具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件及系统，针对多模块多绕组高频变压器组件，解决了器件集成、引线绝缘与外电路连线接口、通风散热等关键问题，提高冷却效果并减小系统体积。底部和顶部安装风机且风量在外绝缘套筒内得到充分利用，解决了高频变压器因磁芯气隙引起扩散磁场对线圈损耗增加的问题。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。