文献综述
一个理想的变压器绕组电阻应该为零,即没有绕组损耗,但在实际情况下,绕组电阻是存在的,并根据导体特性,绕组电阻会随着电流频率和自身温度而上升。并且对于任何结构绕组,漏磁通都会在绕组中产生涡流从而产生损耗。在绕组上损耗的能量不仅会降低变压器的效率,同时也是变压器温升问题的根源。因此,对变压器进行绕组损耗分析是很有必要的。
1、课题研究的现状及发展趋势
高频条件下涡流所带来的集肤效应与邻近效应[1-5],使绕组的有效截面积减小,使得绕组的交流电阻变大,使得变压器绕组损耗大幅提升。减小绕组交流电阻的一个重要方法是采用利兹线绕制绕组。关于利兹线的损耗分析也是中频变压器绕组损耗分析的关注点之一。文献[6-8]对利兹线的损耗模型和交流电阻优化进行了分析,利兹线中通过多股互相绝缘的细线在保证每股线的电阻相同的前提下合理绕制,在保证足够导体截面积的同时,减小导体厚度,降低高频下的绕组损耗。利兹线的主要关注点是减小交流电阻,相对的利兹线也存在一些缺点比如:导热性差,不利于散热设计;单股线长增加使得整体直流电阻增加;绕组填充系数降低。
目前,常见的变压器绕组高频损耗计算方法主要有两种:数值法与解析法。有的学者如潘亚培,吴明赞,李竹唐,冬林,刘庆想,王庆峰等人运用数值法通过建立实际变压器的有限元数字模型,经过剖分对每个节点进行电磁场数值计算,进而得到绕组的高频损耗值[9-10]。数值法具备较高的准确度,但缺点在于缺乏通用性,需要消耗大量的时间与计算资源。有的学者如Perry M P、Bennet E、Vandelac J P、Ferreka J A、Ferreira J A运用解析法通过建立变压器简化模型,经过电磁方程推导,得到绕组高频损耗的解析计算公式[11-16]。解析法具备通用性,但缺点在于由于建立解析模型的过程中都经过一定的简化,进行了部分理想化的假设,其准确度不高。还有一些学者结合了数值法与解析法,对变压器绕组高频损耗进行了研究。
由于高频涡流下产生的集肤效应与临近效应,使电流集中于导体表面。变压器理论上可以采用空心绕组,绕组中通入绝缘散热介质。可在有效提高变压器绕组的散热效率的同时,提高绕组材料利用率[17-18]。但是由于其结构的特殊性,使得对于其的绕组损耗推导十分困难,还有待更深入的研究。
2、课题研究的意义和价值
近年来,随着电力系统智能化的发展,传统变压器难以应对现代电力系统的挑战,各国学者开始研究电力电子变压器。随着电力电子器件和高频磁性材料的发展,电力电子变压器被越来越多地引入到高压大功率的应用领域。大功率中频变压器是电力电子变压器电磁耦合环节的关键部件,起着电气隔离和电压变换的作用[19-20]。电子电力变压器是基于大功率电力电子变流技术的智能变压器,不仅能完成传统电力变压器的功能,还具备高度的灵活可控性、多种交直流接口等其他功能,具备解决智能电网面临的诸多问题的潜力。在电力电子变压器结构中,隔离型 DC-DC变换器是一种十分具有发展前景的结构。
隔离型DC-DC变换器在风电场、直流电网、微电网、机车牵引和车辆辅助电源等领域得到应用,尤其以海上风电、电力机车牵引和特高压直流输电为热门研究领域[21]。在这些应用场合中,体积和重量的减少是使用大容量中频变压器的主要原因之一。通过对大功率中频变压器绕组损耗的研究,可以有效减少变压器交流电阻,提高绕组散热效率和绕组材料利用率,对大功率中频变压器的优化设计有不小的帮助。在提高功率密度的同时,需要维持变压器的效率和稳定性,这既对变压器设计方法提出了新的要求,也使得新的工作环境下以漏感、损耗和温升为主的变压器多物理场的研究变得十分重要。
3、参考文献
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