大功率中频三相变压器绕组和铁芯谐波损耗模型

基于磁耦合三相双有源全桥DC/DC变换器的固态变压器适合于大功率应用场合,精确预估其核心磁性元件—大功率中频三相变压器在非正弦电压激励下的绕组与铁芯损耗,研究不同工作模态、不同绕组联接方式下变压器损耗的变化趋势,对于固态变压器精细化设计至关重要。在对隔离式三相双有源全桥DC-DC变换器工作原理进行分析的基础上,建立Y-Y、Y-Δ和Δ-Δ型绕组联接方式下变换器的等效电路模型和相量图,采用基波分析方法推导出中频三相变压器绕组非正弦电流的谐波计算表达式,考虑各阶次谐波频率下集肤效应和邻近效应对交流电阻的影响,实现绕组损耗的计算。结合不同绕组联接方式下电压波形和移相控制方式,推导出六电平阶梯波和三电平阶梯波电压激励下的分段线性磁密波形表达式,结合各种修正的Steinmetz经验公式的简化解析计算式,计算出不同移相角下的铁芯损耗。针对5 kHz/15 kW纳米晶合金铁芯中频三相变压器模型,将该方法的计算结果与有限元仿真和实验测量结果对比,验证了该方法的有效性。

大功率中频三相变压器优化设计方法

基于磁耦合的三相双有源全桥DC/DC变换器非常适合于大功率应用场合,尽管该型变换器具有诸多优势,但其内部核心磁性元件—大功率中频三相变压器的结构、工作模态、电磁特性更加复杂,容量、频率、损耗温升、漏电感相互制约,形成一个复杂的系统化设计难题。该文重点对大功率中频三相变压器整体优化方法和性能进行研究。结合三相双有源全桥DC-DC变换器的稳态电压和电流波形,采用基波分析法推导出中频三相变压器的各阶次谐波电流表达式,提出绕组损耗解析计算方法;根据六电平阶梯电压波激励下分段线性磁通密度波形,提出改进的IGSE公式用于计算铁心损耗;针对三相五柱式铁心拓扑结构,建立具有14个温度节点的集中参数热网络模型,用于计算中频三相变压器的最高温升;研究绕组排布方式对漏电感的影响规律,并给出漏电感解析表达式。在此基础上,提出基于自由参数扫描法的大功率中频三相变压器优化设计流程。按照最优设计方案制作了一台5kHz/15kW纳米晶铁心中频三相变压器模型,并对其漏电感、铁心损耗、绕组损耗、温升进行有限元仿真和实验测试,验证所提设计方法的有效性。