[发明专利]中频变压器散热气道设计及其等效温升试验方法

说明书

本发明公开了一种中频变压器散热气道设计及其等效温升试验方法，按照损耗平均及各发热体散热气道截面积正比于其发热功率的原则进行散热风道的精细设计，使中频变压器各发热体的温升平均分布；通过基于损耗等效的中频变压器工频过载等效温升试验方法，采用过载电流，降低中频变压器出厂温升试验对试验电源的要求，解决绕组散热设计难以进行试验验证的问题。

技术领域

本发明涉及电力电子电能变换领域，具体涉及一种中频变压器散热气道设计及其等效温升试验方法。

背景技术

在DC/DC变流器、固态变压器等电力电子变流设备中，中频变压器具备电气隔离、电能变换、功率传输等功能，是关键部件之一。中频变压器的散热方式根据冷却介质的不同可以分为油浸式、水冷、风冷，其中风冷散热的辅助设备较少，安全可靠，成本和制造难度低，但空气的热传导系数较低，对散热气道设计提出了较高要求，且由于大容量中频变压器工作时铁心、绕组以及结构件内部普遍存在涡流损耗，传统电力变压器风冷散热设计方法难以满足散热要求，因此需要对中频变压器的散热气道进行良好规划，以充分带走损耗，避免变压器温升超标。

另外，在考虑散热气道精细设计的同时，中频变压器出厂试验阶段还需要进行温升试验，通过测量中频变压器各部件温升以检验散热气道设计的合理性及生产质量，因此中频变压器温升试验是其定型检验的必要项目之一。但由于大容量中频变压器的额定电流大、工作频率高，而普通试验电源往往输出能力有限，不能对其进行额定电流、额定频率的温升考核，且由于中频变压器绕组的损耗随着频率升高而显著增大，传统工频短路法的温升试验并不能反映额定工况下中频变压器的散热特性。因此，需要提出一种可行的试验方案以在中频变压器出厂试验阶段检验散热气道的散热性能。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种中频变压器散热气道设计及其等效温升试验方法，能对中频变压器的散热气道进行良好规划，充分带走损耗，避免中频变压器温升超标，且能在中频变压器出厂试验阶段进行等效温升试验，检验散热气道的散热性能。

为实现上述目的，本发明所设计的中频变压器散热气道设计方法，包括以下步骤：

A.根据变流设备拓扑结构及调制方式，确定所述中频变压器额定工况的初级电压、次级电压及电流谐波含量；

B.计算绕组损耗：中频变压器运行时处于非正弦供电状态，绕组电流包含丰富的高次谐波分量，在交变磁场下绕组中产生感应电动势，进而产生涡流，反映在绕组端口处的电阻会比其直流电阻大，称之为等效交流电阻，简称交流电阻，交流电阻随着频率变化而变化的，根据各次谐波电流分量及相应的交流电阻计算各次谐波电流产生的损耗，叠加后得到总绕组损耗；

C.计算铁心损耗：对所述中频变压器进行非正弦供电，计算各次谐波的铁心损耗，叠加后得到总铁心损耗；

D.根据所述步骤B中绕组损耗的计算结果，计算各匝绕组损耗，根据所述中频变压器绕组形式计算各层绕组损耗，按照损耗平均的原则，将绕组分组，设计散热气道布置位置的分组方案，其中各组损耗数列方差最小的分组方案，为最优的散热气道布置位置；

E.根据所述步骤B和所述步骤C中绕组损耗和铁心损耗的计算结果，按照各发热体散热气道截面积正比于其发热功率的原则，设计各绕组散热气道及外围风道板尺寸；

F.使用软件建立散热模型进行仿真计算所述步骤D中的散热气道布置位置和所述步骤E中的各绕组散热气道及外围风道板尺寸，校核散热方案。

优选地，所述步骤C中，正弦激励下单位重量铁心损耗p_Fe由Steinmetz方程：表示，其中，f为铁心工作频率，B_m为铁心磁密峰值，根据铁心材料单位重量损耗曲线，拟合得到常数k，α，β，对所述中频变压器进行非正弦供电，已知初级电压各次谐波分量U_n，初级绕组匝数N₁，铁心有效截面积A_c，根据