[发明专利]一种大功率中频电力变压器设计方法

权利要求书

1.一种大功率中频电力变压器设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：推导出方形利兹线的单股最优直径d_str-opt和股数表达式k；

步骤1中，初级、次级绕组方形利兹线的单股最优直径d_str-opt1和d_str-opt2，以及初级、次级绕组方形利兹线的股数表达式k₁和k₂为:

式中，d_str-opt1和d_str-opt2分别为初级、次级绕组方形利兹线的单股最优直径；η为填充率；K_w为波形因子；m₁和m₂为初级、次级绕组的层数；δ_w为集肤深度；N_w为变压器变比，N_w＝N₁/N₂，N₁和N₂分别为初级、次级绕组的匝数；I_T1为漏电感的电流的有效值；J_max最大电流密度；

波形因子K_w的表达式为：

式中，I_n为第n次谐波电流的有效值；

集肤深度δ_w的表达式为：

式中，ρ_w为铜电阻率；σ_w为铜电导率，μ₀为真空中磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m；f为正弦交变电流的频率；

初级、次级绕组方形利兹线的股数k₁和k₂分别为：

步骤2：推导出采用方形利兹导线的中频电力变压器的漏磁通道d_iso表达式，用于调整变压器的漏电感L_σ(pri)；

步骤2中，采用方形利兹导线的中频电力变压器的漏磁通道d_iso表达式：

式中，H为铁芯窗口高度；MLT₁为初级绕组的平均匝长；N_l1为初级绕组各层导线的匝数；L_σ(pri)为归算至初级侧的漏电感；d_ins1和d_ins2分别为初、次级绕组层间绝缘厚度；γ为复数形式的传播常数，d_iso为初、次级绕组之间隔离间距；d_f1和d_f2为扁铜线的厚度；

k_p1、k_p2、k_s1和k_s2的表达式如下：

k_p1＝sinh(2d_f1γ)-2d_f1γ；

k_p2＝sinh(2d_f2γ)-2d_f2γ；

k_s1＝d_f1γcosh(d_f1γ)-sinh(d_f1γ)；

k_s2＝d_f2γcosh(d_f2γ)-sinh(d_f2γ)；

对于方形利兹线，将m₁和m₂变换为：

将d_f1和d_f2变换为：

将d_f1/δ和d_f2/δ分别表示为△₁和△₂，将铜箔片绕组的归一化厚度△₁和△₂改为方形利兹线绕组的归一化厚度△₁’和△₂’，即可利用上述方法对方形利兹线绕组中频电力变压器的漏磁通道进行计算：

步骤3：基于中频电力变压器匝间绝缘材料的高频方波特征击穿电压，提出中频电力变压器主绝缘尺寸和纵绝缘尺寸计算方法；

步骤3中，主绝缘尺寸包括：高、低压绕组之间最小隔离间距d_iso-min，低压绕组与铁芯柱之间的最小间距d_cf-min，高压绕组与上下铁轭之间最小间距d_cl1-min，旁轭之间最小间距d_cl2-min；

高、低压绕组之间最小隔离间距d_iso-min计算式如下：

式中，k_saf为安全系数；E_ins为工频击穿场强；

低压绕组与铁芯柱之间的最小间距d_cf-min计算式如下：

高压绕组与上下铁轭及旁轭之间最小间距d_cl-min计算式如下：

纵绝缘尺寸包括：初、次级绕组匝间距离d_t1和d_t2、初、次级绕组层间距离d_ins1和d_ins2；初、次级绕组匝间距离d_t1和d_t2计算式如下：

初、次级绕组层间距离d_ins1和d_ins2由下式计算得到：

式中，V_t-t1和V_t-t2分别为长期高频方波电压下高、低压绕组的匝间电压；V_l-l1和V_l-l2分别为长期高频方波电压下高、低压绕组的层间电压；E_ins-s为绝缘材料在高频方波电压下的击穿场强；

步骤4：推导出方波电压激励下铁芯高频损耗P_core，方形利兹线高频损耗表达式P_HV和P_LV；

步骤4中，铁芯高频损耗P_core表达式如下：

式中，V_c为铁芯体积；D为方波电压占空比，D＝(T_on+T_off)/T，T_on和T_off分别为方波正向和负向导通时间，T为周期；K、α和β为铁芯材料的损耗系数；ρ_c为铁芯密度；K_i的计算式如下：

方形利兹线高频损耗表达式P_HV和P_LV计算式如下：

式中，和分别为初、次级绕组第n次电流谐波下的交流电阻系数；R_dc1和R_dc2分别为初、次级绕组的直流电阻，计算式如下：

式中，σ_w为绕组导体的电导率；

方形利兹线的交流电阻系数如下：

式中，m为绕组层数；k为利兹线股数；△_str为基波频率f_s下导线归一化厚度，△_str＝d_str/δ_w；δ_w为集肤深度；

步骤5：根据固态变压器的系统参数，基于以上步骤1-4，建立非支配排序遗传算法的中频电力变压器计算机辅助优化设计方法。