基于等效复数磁导率的利兹线绕组损耗计算模型

绕组损耗是高频变压器总体损耗的重要组成部分,是影响磁性元件体积、效率和温升的关键性参数。由于利兹线的高频损耗小而广泛应用于高频变压器绕组,但其复杂的三维扭转结构导致准确、快速地计算绕组损耗十分困难。解析方法需要进行简化和近似处理,难以准确地表征绕组的高频涡流特性,有限元数值方法需要对每匝绕组精细化建模,导致计算资源耗费严重。采用具有等效复值材料特性的区域替代绕组区域的均匀化技术,能够实现二维磁场对涡流效应的表征,降低了精细化建模的计算成本。但等效区域的材料特性需要利用数值方法获得,增加了计算的复杂性。因此该文通过分析利兹线损耗机理,考虑利兹线截面形状对等效区域材料特性的影响,实现了圆形利兹线绕组等效复数磁导率的明确解析描述。建立了圆形利兹线绕组损耗计算模型,验证了等效复数磁导率计算邻近效应的准确性,实现了较宽频率范围内绕组损耗的准确预测。

非正弦激励下高频变压器铁心动态磁滞特性模拟方法

高频变压器是DC/DC变换器的核心部件,其激励波形一般为非正弦波,工作频率可达数千赫兹以上,导致铁心损耗显著增加,准确模拟非正弦激励下高频变压器铁心动态磁滞特性,有助于铁心损耗计算以及变压器的电磁暂态分析。首先,该文考虑铁心磁化物理过程,利用系统级电力电子仿真软件PLECS中底层模块和语言编写程序,建立基于静态J-A磁滞模型和磁导-电容类比法的铁心静态磁滞磁导模型;然后,考虑高频条件下涡流效应与弛豫效应对铁心动态磁滞特性的影响,根据损耗统计理论建立铁心动态磁滞磁导模型;最后,基于模拟退火与Levinberg-Marquardt混合算法提取静态J-A磁滞模型参数,根据铁心损耗特性曲线采用最小二乘法提取动态损耗系数。对比分析不同占空比、高频方波电压激励下电流波形以及磁滞回线的仿真结果与实验测量结果,验证了模型的有效性。

高频变压器电磁场-结构力场-声场求解及特性分析

大容量高频变压器结构紧凑,工作频率为数百Hz到几十kHz,工作波形为方波等非正弦的特殊激励波形。高频变压器电磁、结构、声等多场耦合紧密,运行时出现严重的振动与噪声问题,对高频变压器振动与噪声特性进行精细分析对于其减振降噪具有重要意义。为此,该文首先建立高频变压器电磁场-结构力场-声场3维仿真求解模型,明确各物理场的载荷传递过程以及电磁和力学性能参数;然后,采用有限元法得到不同电压激励下变压器铁芯表面时域振动波形与噪声频域特性,并定量评估了纳米晶切割铁芯对受力特性的影响程度;最后,对1台5 kHz/10 kVA高频变压器的振动和噪声进行试验测试,得到正弦和方波电压激励下铁芯振动和噪声数据。由仿真与试验结果可知,高频变压器铁芯拐角处振动较为剧烈且周围产生的噪声也较大;相比于正弦波激励,非正弦波激励下的振动不仅集中发生在2倍频,还存在许多高次谐波分量,同时各个频率段声压级明显增加;不同波形激励下测量点声压级相对误差均在10%以内,验证了仿真模型的准确性。

圆形利兹线绕组高频损耗三维快速计算模型

绕组损耗作为高频变压器总体损耗的重要组成,是影响磁性元件体积、效率和温升的关键参数。利兹线复杂的三维绞合结构,可以有效降低高频集肤效应与邻近效应引起的附加绕组损耗,广泛应用于高频变压器。然而,利兹线绕组内部的涡流分布极为复杂,现有解析计算方法需要对模型进行较多简化和近似处理,难以精确表征利兹线绕组高频涡流效应。数值计算方法需要对利兹线进行精细化建模,造成计算资源的严重耗费。因此,如何准确、快速计算利兹线绕组损耗对高频磁性元件的优化设计具有重要意义。该文通过分析利兹线绕组损耗机理,并基于解析法与有限元数值法,建立一种同时考虑绕组端部效应及圆形利兹线绞合结构的绕组损耗三维快速计算模型。最后,针对两种不同利兹线绕组的变压器模型,从计算精度和计算成本的角度分别进行详细的实验研究与对比分析。结果表明,所提模型实现了宽频范围内圆形利兹线绕组损耗的精确、高效计算。

基于镜像法的高频圆导线变压器漏感计算模型

高频变压器漏感是影响固态变压器功率传输特性及运行可靠性的一个重要参数,在设计阶段需要对其进行快速、精确的预测。由于数值法计算成本高昂,难以满足变压器设计阶段快速预测漏感的要求,目前常采用解析法计算漏感参数。基于一维磁场假设的计算模型忽略了绕组端部效应的影响,无法准确估计漏感。多数二维计算模型虽然考虑了横向漏磁通的影响,但泊松方程的求解及电流密度的级数表征导致其计算过程过于繁琐。因此,该文基于镜像原理准确提取磁芯窗口区域的漏磁场,推导该区域直流漏磁能量的解析表达式,并引入计及绕组集肤效应和邻近效应的频率相关因子,揭示宽频区间内漏感的衰减规律,建立能够同时考虑频变特性和绕组端部效应的漏感解析计算模型。最后,搭建漏感测量平台,针对具有不同孔隙率的变压器样机开展详细的实验研究。结果表明:所建模型的最大相对误差不超过5%,验证了该模型的准确性和有效性。

基于智能优化算法的高频变压器电磁结构优化设计

高频变压器(HFT)作为电力电子变换器等功率变换装备的核心部件,其优化设计是实现高功率密度、高效率和高可靠性的重要环节。为有效解决高频条件下显著的涡流效应和复杂紧凑的结构使变压器损耗难以准确计算、针对绝缘设计裕量不足的问题,本文提出计及高频效应和结构效应的电磁场建模方法,构建了高频变压器多目标协同优化设计方案。首先建立了低成本与高效率兼备的磁心损耗计算模型。其次,根据面积等效原理推导了考虑绕组结构效应的近似Dowell模型,实现绕组损耗的高精度计算。然后提出了考虑绕组端部效应和频率影响的漏感计算模型,减小漏感对于结构和频率的依赖性。在此基础上,采用一种新型多重绝缘结构,提高绕组间的绝缘耐压水平。最后,基于改进的非支配排序遗传算法(INSGA-Ⅱ)和自由参数扫描法建立了高频变压器的优化设计流程,根据筛选的最优设计方案研制了一台高频变压器样机。

基于Maxwell方程和R-L分数阶导数的高频激励条件下纳米晶材料磁滞特性预测模型

准确预测高频激励条件下纳米晶材料的磁滞特性,对电力电子变压器等高频电力设备磁性元件的优化设计具有重要意义。该文基于Maxwell方程和Riemann-Liouville(R-L)分数阶导数,建立高频激励下纳米晶材料磁滞特性预测模型。首先,根据Maxwell方程,首次推导出计及趋肤效应影响的涡流磁场强度解析式;其次,针对现有静态磁滞特性和异常效应建模方法未考虑趋肤效应影响的问题,依据R-L型分数阶导数理论,建立有效描述带材内部磁通密度分布不均时纳米晶静态磁滞特性与异常效应综合预测模型,并提出一种考虑频率效应的阻尼系数ρ和非整数阶n的解析计算方法;最后,基于磁场分离理论,建立高频激励下纳米晶材料磁滞特性预测模型。通过与纳米晶材料1K107B在高频激励下实测磁滞回线进行对比,验证该文所建预测模型的有效性。相较于经典模型,该文所建模型对磁滞回线的预测精度提升了35.8%。

大功率高频变压器关键技术与发展趋势

大功率高频变压器是固态变压器的核心部件,在未来新能源并网、海上风电、中压配网、轨道交通和数据中心供电中需求广泛。该文综述了大功率高频变压器研究的关键问题与发展趋势,论述了大功率高频铁芯的材料、损耗、结构设计与制造现状,分析了绕组材料与结构设计,指出了大功率高频铁芯与绕组的关键问题。同时讨论了高频高压绝缘与散热问题,分析了绝缘失效、可靠性与散热设计中的矛盾问题。最后阐述了大功率高频变压器在设计、测试与应用等方面研究现状,讨论了其高效高功率密度设计方法,深入分析了大功率高频变压器在效率、绝缘以及温升等性能测试方面存在的关键问题。

高频磁性元件的电磁场仿真实验研究与探讨

高频变压器为功率变换器的核心磁性元件,利用仿真软件对高频变压器进行电磁场仿真分析,可以节省设计时间、优化结构、提高效率。在对电磁场和温度场的控制方程、边界条件进行详细分析的基础上,建立高频变压器电磁场—温度场耦合计算流程。利用Infolytica的MagNet和ThermNet仿真软件,对一台5 k Hz/15 kW纳米晶合金磁芯三相五柱式高频变压器的漏磁场、磁芯损耗、绕组损耗和温度场进行有限元法计算,开展空载和短路实验研究,验证计算方法的准确性。

基于磁导-电容类比法和解析Preisach模型的铁心动态磁滞建模方法

铁磁材料的磁滞、涡流和驰豫效应对电力变压器铁心的非线性特性和功率损耗有显著的影响。为了研究电磁暂态过程中电力变压器的时域响应行为,需要准确计及铁心的动态磁化特性,在电路仿真中对电力变压器铁心进行精细建模。为此,该文首先采用考虑可逆分量的解析Preisach模型表征铁磁材料的静态磁滞效应,通过磁导-电容类比法建立了铁心的回转器-磁导模型,构建铁心静态电磁模型。其次,基于传统损耗统计理论和场分离理论,在静态电磁模型的基础上引入恒定磁阻和受控磁动势源,分别用于表征铁磁材料的涡流效应和弛豫效应对磁滞效应和损耗效应的影响,构建基于传统损耗统计理论的铁心动态电磁模型。最后,运用R-L分数阶导数对涡流损耗表达式进行修正,采用受控磁动势源表示涡流效应,对传统的铁心动态电磁模型进行改进。基于电工钢测量系统测量了硅钢铁心在不同频率、不同磁通密度下的动态磁滞回线,与实验相比改进模型的平均相对误差为6.59%,验证了所提出的改进动态模型的正确性。

采用氮化铝材料的水冷变压器的热管理方法

干式高频变压器结构紧凑且损耗较高,而低导热系数的灌封材料使得热量易在变压器内部累积,从而导致温升成为限制大功率变压器容量与功率密度提升的重要因素。该文以环形水冷变压器为研究对象,建立了考虑中心圆柱热阻的变压器集总参数热路模型,并通过有限元仿真验证了所建模型的准确性。基于所建热路模型,解释了变压器温度降幅随着水流量的提高趋于稳定的现象。为了进一步增强散热效果,该文提出了一种基于高导热绝缘材料氮化铝的新型散热结构。该结构在热源与水冷板之间建立起低热阻通道,增强了变压器与水冷板之间的传热,变压器的容量和功率密度可进一步提高。最后,通过有限元仿真与25 kHz/160 kV·A高频变压器样机实验验证了所提散热结构的有效性。

采用环形变压器的小功率隔离型DC-DC变换器共模电磁干扰噪声建模与抑制

环形变压器具有隔离电容小、易于实现印制电路板(PCB)和集成电路(IC)等优点,在小功率隔离DC-DC变换器设计中的应用日益广泛。实际产品设计中,针对共模EMI噪声的准确预测和有效抑制是至关重要的,而变压器是隔离变换器共模EMI噪声的主要传播通路。然而,目前鲜有针对环形变压器共模电磁干扰(EMI)特性的相关研究,也缺乏针对性的噪声抑制方法。该文针对多种常见于小功率隔离型DC-DC变换器应用的环形变压器对称绕组结构,推导证明其具有统一的对称共模等效集总电容模型。该模型的参数易于获取,且可直接用于预测共模EMI噪声。分析了常用隔离变换器拓扑采用环形变压器时的共模噪声特性,同时给出噪声预测方法,并经实验验证了模型的正确性和有效性。此外,还提出多种环形变压器的共模EMI噪声抑制方法并加以分析,所提方法已在两台样机上得到验证,共模噪声的抑制效果显著。

高功率密度中高频变压器绝缘与散热研究进展与展望

围绕大容量电力电子变压器的发展需求,针对其中关键部件“高功率密度中高频变压器”的绝缘与散热研究进行综述分析。高功率密度对固体绝缘与散热性能提出新的挑战。首先,论述了高功率密度中高频变压器设计与应用时绝缘和散热的矛盾。其次,主要论述了高频绝缘失效的研究进展,包括绝缘击穿、局部放电、沿面放电、电树枝劣化等特性。然后,分析了目前高频绝缘的失效机理研究,包括热击穿、空间电荷效应、高频电导与自由体积效应。最后,论述了高频绝缘寿命的研究,分析了频率、温度、电压变化率du/dt等对绝缘耐电晕寿命的影响以及寿命模型。基于研究进展,提出了高频绝缘与散热的研究展望。该文综述研究对大容量电力电子变压器的设计与应用具有重要意义。

纳米晶高频变压器优化设计与实验验证

在实际工程中,电力电子变压器已经逐渐成为新能源电网等诸多领域不可或缺的重要组成部分,而作为其中关键设备的高频变压器,其优化设计也变得愈加重要。首先,利用改进的Steinmetz经验公式(improved generalized steinmetz empirical formula,IGSE)计算高频变压器铁芯损耗,并采用Dowell方法计算铜箔片在高频下的交流绕组系数。其次,分析了绕组交叉换位对铁芯窗口内漏磁场和导体内电流密度的影响,推导出基于能量法的漏电感公式,综合考虑散热器尺寸大小对温升的影响,并建立了6节点的热网络模型。最后,提出基于自由参数扫描法的高频变压器优化设计方法,得到优化设计方案的Pareto前沿,为验证设计流程的合理性,设计并制作了1台15 kW/5 kHz,效率为99%,功率密度为16.79 kW/L的高功率密度纳米晶高频变压器样机,并搭建了实验平台测试了样机的漏感、铁芯损耗、绕组损耗,与设计值的偏差分别为8.76%、4.02%、2.76%,验证了优化设计方法的正确性,为高效率、高功率密度、大容量高频变压器的研究提供理论和实验基础。

基于等效媒质理论的高频变压器利兹线周期性结构均质化建模方法

高频变压器是电力电子变压器实现新能源交直流系统电气隔离、电压转换的核心部件,具有体积小、功率密度高的特点。受高频集肤效应及邻近效应影响,高频变压器的绕组损耗一般很大,加之其结构紧凑、散热能力不足,设备局部温升极易越限。准确高效地计算绕组损耗对高频变压器的优化设计和可靠运行具有重要意义。该文分析了利兹线的微观蜂巢结构,提取基本周期单元从而简化电磁场分析,基于等效媒质理论提出了绕组电磁场均质化仿真模型与损耗计算方法。结果表明:均质化仿真模型具有很高的准确性与计算效率,以精细化2维模型仿真结果为参考,磁通密度和电场强度的仿真误差小于0.5%,计算效率提升了约12000倍,运行内存需求减少了30.28倍;损耗计算方法在中低频段与主流模型的准确度近似,而在高频段的误差比Tourkhani模型降低了20%。该文提出的均质化模型显著降低了利兹线绕组电磁场仿真的建模难度和计算量,解决了高频涡流仿真难度大、损耗计算准确度低的问题,为高频变压器结构优化设计提供理论和模型支持。

大规模新能源消纳用高频变压器及其铁芯材料发展现状与前景

高频变压器是实现大规模新能源消纳和交直流混合配网柔性互联的关键装备,提升其容量对于促进更多风、光等新能源入网、构建新型电力系统具有重要意义。高频变压器容量、功率密度等性能参数主要与铁芯材料及其磁性元件有关。目前,高频变压器常用铁芯材料以软磁铁氧体和纳米晶合金为主。文中首先回顾了软磁铁氧体和纳米晶合金的发展进程,根据两种软磁材料基本性能参数对比分析结果,阐述了纳米晶合金高饱和磁感应强度、低磁致伸缩系数、高磁导率的高频性能优势。其次介绍了两种软磁元件的研究进展,结合元件尺寸、质量、带材宽度等对高频变压器容量的影响,分析了纳米晶铁芯在提升高频变压器容量方面的性能优越性。最后从材料、磁性元件、变压器3个方面总结了大容量高频变压器的发展和需求,指出了目前宽幅超薄纳米晶材料开发、大容量磁性元件制备、MVA级高频变压器设计及制造关键技术等方面面临的挑战。

能量回馈型大容量高频变压器典型服役工况试验平台

大容量高频变压器运行工况复杂,端口电压、电流波形多变,对其进行典型服役工况下的性能测试与评估比较困难。为此提出一种大容量高频变压器试验平台,其由十二脉波可控整流电路、双向DC-DC变换器BDC1、双向DC-DC变换器BDC2构成。BDC1通过多模块串联组合,在变压器端口产生高频、高幅值以及占空比可调的高压方波;此外,提出一种通过调节模块间的移相角实现多种dv/dt(电压上升率)输出的控制方法,用于大容量高频变压器典型服役工况模拟试验。BDC2用于实现能量回馈,显著减小试验平台运行时电能消耗,降低对电网供电容量的需求。在PSIM中搭建由6个模块组成的1.5 MW仿真平台,其待测高频变压器可以实现6 kV/20 kHz的高频方波输出与阶梯电压为1 kV的阶梯波输出,为后续试验平台搭建奠定理论基础。

环氧固封式大容量高频变压器温度-应力场分布与优化

环氧固封式高频变压器采用环氧材料实现设备整体绝缘,可大幅降低设备体积,有效提高功率密度。大容量高频变压器内部温度分布不均,环氧树脂热应力分布集中致使整机开裂,导致绝缘失效。文中以10 kV高压大容量环氧固封式高频变压器为研究对象,建立了温度仿真模型和应力计算模型;获得了在额定运行工况下高频变压器热应力分布,其热应力主要集中在铁芯和绕组之间的环氧层;提出了降低局部热应力方法:通过材料改性提升环氧树脂导热系数降低高频变压器热点温度,可降低铁芯和绕组之间环氧树脂应力,安全系数由0.965提高至1.035;通过添加玻璃纤维增强材料和应力缓冲层双重措施,可大幅度降低应力集中区域材料弹性模量,降低内部最大应力,安全系数由1.035提高至2.691。研制了10 kV/200 kVA样机,通过–30~120℃高低温冲击试验,验证了其抗开裂性能和降低热应力方法的有效性。

不同纳米晶铁芯结构下高频变压器空载铁耗特性

为了研究高频变压器采用不同纳米晶铁芯结构时的铁芯损耗分布特性,以工作频率为10kHz,容量为20 kVA的U型、三角型和O型结构纳米晶铁芯为研究对象,对比了3种铁芯空载运行时铁芯不同位置磁密和铁耗分布情况,进一步研究了拐角内径对铁芯局部损耗特性的影响。结果表明:O型铁芯损耗密度分布较均匀,U型和三角型铁芯的损耗密度在磁路直线区域分布均匀;在拐角区域径向方向上,损耗密度减小速度先快后缓,切向方向上损耗密度先增大后减小;U型和三角型铁芯拐角处损耗密度最大值显著大于直线区域,适当增大拐角内径,能够显著降低铁芯的最大损耗密度;实验测得U型、三角型和O型铁芯空载损耗分别为37.3 W、50.5 W和20.5 W,局部热点温度最高分别为46.5℃、55.2℃和35.0℃,明显高于铁芯最高平均温度。

软磁材料磁巴克豪森噪声测量系统与影响因素研究

磁巴克豪森噪声信号(MBN)常用来进行材料的无损检测,低频磁场激励下软磁材料的MBN可以用来研究实际工况下此类材料的形变、应力和缺陷等。为此建立了一种可以同时测量软磁材料MBN和磁滞回线的测量系统,包括励磁模块、信号检测模块和信号处理模块。这些模块实现了不同激励信号的生成,且能够对测得的高频MBN信号进行检测和分析处理。利用所研发的实验平台测量了非晶合金、硅钢片等软磁材料的磁场强度、磁感应强度和MBN信号,并对信号进行了放大、滤波和平滑等处理。之后绘制了MBN的包络曲线和MBN能量环,分析了外加磁场强度、激励频率和感应线圈方式对材料MBN包络的影响规律。发现MBN双峰包络随着磁场强度增加而增加,随着激励频率f mag的增加而变大,但到达一定频率后不再变化;而MBN包络受两种感应线圈影响的主要体在第一个峰值上。研究结果为开展软磁材料MBN特性研究奠定了基础。