[发明专利]大容量高频变压器最优工作频率的确定方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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：

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K_m、α和β的值；导线采用多股并绕的利兹线；

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_c，导线的电导率σ；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N₁和副边导线的股数N₂；

步骤3：计算高频变压器的面积积值A_p，根据A_p确定磁芯尺寸；根据绕组损耗P_w的表达与单位体积磁芯损耗P_c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；

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f_opt；

步骤5：计算初选最优工作频率值f_opt下的高频变压器面积积值A′_p，根据高频变压器面积积值A′_p，确定相应的磁芯尺寸值；

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_opt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′_c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f_opt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f′_opt，此时对应的变压器的体积最小。

所述步骤3中的绕组损耗P_w的计算式为