高頻高壓變壓器的參數(shù)設(shè)計

徐超 付浩 劉瑞娟

摘 要 高頻高壓變壓器在高頻電源系統(tǒng)當(dāng)中，占據(jù)重要的地位，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在高頻電源系統(tǒng)當(dāng)中，可以通過高頻高壓變壓器進行升壓，并且利用其實現(xiàn)能量的傳遞，在系統(tǒng)中還能起到絕緣隔離的作用，因此，要對高頻高壓變壓器進行科學(xué)參數(shù)的設(shè)計與研究，以提高其工作效率，進一步確保整個電源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

【關(guān)鍵詞】高頻高壓 變壓器 參數(shù)設(shè)計

1 前言

本文主要就對高頻高壓變壓器部分參數(shù)進行設(shè)計與研究，通過對磁性材料的合理選擇，進行繞組規(guī)格的設(shè)計，并對變壓器低壓側(cè)繞組匝數(shù)與漏感進行科學(xué)的計算，得出相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計結(jié)果。

2 磁性材料的合適選擇

在變壓器的磁芯材料當(dāng)中，使用最早的合金材料之一就是硅鋼，主要是因為硅與鋼相結(jié)合之后有非常巨大的優(yōu)勢，一方面硅加到鋼里面之后，可以有效的將磁性材料當(dāng)中的電阻率降低，另一方面，還能有效的使磁路的渦流損耗降低，同時使材料具有更強的穩(wěn)定性。還有一種材料，也非常適合磁性材料的選擇標準，那就是非晶態(tài)材料，這種材料由于其在施加磁場的時候，比較小的磁場就可以帶來相對比較大的磁化相應(yīng)，由于這種特性，在電感以及變壓器的設(shè)計當(dāng)中經(jīng)常被應(yīng)用，在使用當(dāng)中也具有高磁感應(yīng)強度以及高磁導(dǎo)率，而且磁芯損耗相對也會比較低等等優(yōu)勢。

對于磁芯材料的選擇，一般要滿足以下幾點要求：

（1）功率損耗要低。變壓器產(chǎn)生的耗損主要就來自鐵芯的磁滯，以及渦輪的損耗，還有繞組銅線發(fā)熱帶來的損耗。在實際進行變壓器設(shè)計的時候，要嚴格篩選出比較合適的磁通量，如果磁通量太低的話，就會導(dǎo)致繞組匝數(shù)相應(yīng)的增加，且繞組之間的間隙會更少，更加容易造成繞組嚴重的發(fā)熱情況發(fā)生，發(fā)熱嚴重的時候，繞組就要進行散熱活動，而散發(fā)的熱量就傳遞給了磁芯。當(dāng)鐵損太大的時候，就會使磁芯出現(xiàn)發(fā)熱狀況，同時熱量也會相應(yīng)的傳遞給繞組。因此，依據(jù)多方面的考量，要選擇耗損較低并且溫度低且升溫速度相對較慢的材料。

（2）由于飽和磁通與變壓器通過量呈正相關(guān)關(guān)系，所以，在選擇飽和磁通的時候要盡量選擇較高的飽和磁通，其可以保證變壓器能流過更大的電流，卻不會達到磁飽和狀態(tài)。

（3）選擇合理的居里溫度。居里溫度反應(yīng)的是磁芯去磁性時候的溫度，磁性材料是否穩(wěn)定主要可以通過居里溫度的高低來判斷。

通過綜合的考量，在高頻電材料選擇中，能滿足以上各方面條件與參數(shù)的材料中，最合適的就是鐵氧體，因為鐵氧體不僅具有高于100℃的居里溫度，工作頻率最高可以達到2MHz并且價格也相對適中。選擇了合適的磁性材料之后，運用EE240型磁芯來進行變壓器的設(shè)計，其中EE240的磁芯比例見圖1，磁芯規(guī)格見表1。

3 繞組規(guī)格設(shè)計

要進行繞組規(guī)格設(shè)計，首先就要對集膚效應(yīng)進行科學(xué)的計算，通常會用集膚深度來進行效應(yīng)的表示：

公式當(dāng)中δ代表的是集膚深度，μ代表的是導(dǎo)線材料磁導(dǎo)率，ρw代表的是材料電導(dǎo)率溫度系數(shù)，d代表的是銅箔厚度。

之后進行鄰近效應(yīng)系數(shù)的計算，鄰近效應(yīng)是高頻電流所產(chǎn)生的交變磁場在相鄰導(dǎo)線之間引起渦流，而相應(yīng)的渦流就會增加電流密度。

通過以上公式，可以進行原邊繞組銅箔度di以及銅箔高度hp的確定。原邊繞組材料在正常情況下，要選擇銅箔，因為銅箔的厚度要比兩倍集膚效應(yīng)穿透深度還要小。通過公式的計算并結(jié)合實際波動空間的需求，可以得到di=0.55mm，hp=125mm，lp=2900mm。因此，可以獲得鐵芯窗口的高度h≥150mm。

4 變壓器低壓側(cè)繞組匝數(shù)計算

依據(jù)電壓的輸出電壓波形，并根據(jù)具體工作的相關(guān)模式，通過AP法進行磁芯面積的計算。同時根據(jù)上述研究，我們已經(jīng)確定使用EE240規(guī)格與比例的鐵芯，并且已經(jīng)通過科學(xué)的計算確定了相應(yīng)的窗口高度，此時我們計算之后，就可以得到4.6×10-3m2這樣的磁芯截面積。在變壓器運行電壓最小的狀態(tài)下，我們可以通過相關(guān)公式得出Np=8.6匝的原邊距數(shù)，取其整數(shù)就是9匝。

5 漏感計算

變壓器的漏磁場主要是由負載電流所組成的，并且漏磁形成的磁能全都都會和在了漏磁場當(dāng)中，變壓器的樓磁場主要就由漏感進行反映和表現(xiàn)。根據(jù)這個原理，我們要計算漏感，可以先進行樓磁能的計算，計算樓磁能，則主要可以通過計算變壓器尺寸與統(tǒng)計負載電流數(shù)據(jù)進行。我們通過將相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)帶入科學(xué)的公式當(dāng)中，經(jīng)過嚴密的計算之后，得到變壓器的漏感是265mH。

6 設(shè)計結(jié)果

依據(jù)上文選取合適的材料之后，進行合理的繞組規(guī)格設(shè)計，并對變壓器低壓側(cè)繞組匝數(shù)進行計算得出匝數(shù)為9匝，漏感計算得出漏感是265mH。

7 結(jié)束語

本文在選擇合理的磁性材料之后，進行繞組規(guī)格的科學(xué)設(shè)計，并依據(jù)相關(guān)公式進行變壓器低壓側(cè)繞組匝數(shù)與漏感的計算，得出一系列的相關(guān)參數(shù)，為高頻高壓變壓器研究與設(shè)計提供參數(shù)依據(jù)。

參考文獻

[1]胡細保，郗亮，譚智勇等.高頻高壓大功率變壓器優(yōu)化設(shè)計方法研究[J].電氣工程學(xué)報，2016，11（06）：40-47.

[2]李大華.整流變壓器繞組漏磁計算及線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].南昌大學(xué)，2015：78-78.

作者單位

1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 江西省九江市 332007

2.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程訓(xùn)練中心 江西省九江市 332007

3.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣學(xué)院 江西省九江市 332007