大功率高壓開(kāi)關(guān)電源變壓器的損耗分析及散熱控制

黃毅，彭可，王文潮，陳練，董密，邵添，雷佳豪

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大功率高壓開(kāi)關(guān)電源變壓器的損耗分析及散熱控制

黃毅1，彭可1，王文潮1，陳練1，董密2，邵添1，雷佳豪1

(1. 湖南師范大學(xué) 工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410081；2. 中南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

為了提高大功率高壓開(kāi)關(guān)電源的可靠性和穩(wěn)定性，針對(duì)其變壓器損耗與溫升特性，進(jìn)行理論分析和仿真實(shí)例驗(yàn)證，并提出一種損耗分析和散熱控制方法。以Ansoft Maxwell軟件建立變壓器的3D模型，進(jìn)行磁場(chǎng)的有限元分析；計(jì)算不同負(fù)載條件下的溫升情況及散熱所需風(fēng)量，通過(guò)Ansys軟件對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析；以2 000 V/3 A的開(kāi)關(guān)電源模塊為例，建立實(shí)際模型驗(yàn)證散熱控制的有效性。研究結(jié)果表明：大功率高壓開(kāi)關(guān)電源的變壓器損耗來(lái)源于繞組損耗和磁芯損耗；在自然冷風(fēng)條件下，變壓器散熱情況較差，溫升明顯過(guò)高；采用本文所述方法所計(jì)算的風(fēng)量能有效控制變壓器的溫升；采用該方法也可得到不同負(fù)載條件下變壓器的對(duì)應(yīng)損耗及所導(dǎo)致的溫升，進(jìn)一步達(dá)到調(diào)控溫度的目的。

變壓器；有限元分析；損耗特性；散熱分析；散熱控制

大功率高壓開(kāi)關(guān)電源廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、工業(yè)微波爐、污水處理等多種場(chǎng)合，其中，變壓器是其核心部件，其質(zhì)量和體積較大，也是重要發(fā)熱源之一，因此，變壓器設(shè)計(jì)是決定大功率高壓開(kāi)關(guān)電源性能的關(guān)鍵因素。由于變壓器是非線(xiàn)性元件，且在大功率、高頻高壓情況下表現(xiàn)出一些新的特性，因而，設(shè)計(jì)變壓器成為大功率高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。在工作過(guò)程中，變壓器的功率損耗隨著工作頻率的提升不斷增大，同時(shí)也直接導(dǎo)致發(fā)熱量不斷增加和溫度上升。若散熱問(wèn)題未能得到有效處理，則會(huì)導(dǎo)致變壓器溫度過(guò)高，系統(tǒng)性能受到嚴(yán)重影響，甚至危害開(kāi)關(guān)電源整體安全。學(xué)者們針對(duì)變壓器損耗分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究，如：LI等[1]通過(guò)仿真軟件計(jì)算了分布間隙對(duì)變壓器磁芯損耗的影響，發(fā)現(xiàn)隨著分布間隙增大，變壓器的損耗增大；鄭婷婷等[2]研究了三相干式變壓器溫度場(chǎng)變化的問(wèn)題，分析了變壓器的損耗和散熱分布，發(fā)現(xiàn)被繞組包圍的鐵芯柱中間溫度高，兩邊溫度低，但沒(méi)有詳細(xì)提出解決溫升問(wèn)題的有效方法；潘亞培等[3]對(duì)單股粗導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成的繞組和由多股細(xì)導(dǎo)線(xiàn)并繞構(gòu)成的繞組進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)多股細(xì)導(dǎo)線(xiàn)并繞可以有效地減小高頻變壓器繞組損耗，但沒(méi)有分析損耗對(duì)溫度場(chǎng)形成的影響；張國(guó)權(quán)等[4]對(duì)鄰近效應(yīng)進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)鄰近效應(yīng)隨著線(xiàn)圈層數(shù)的增加而按指數(shù)規(guī)律遞增，但沒(méi)有分析鄰近效應(yīng)對(duì)變壓器損耗及溫升直接影響的情況。為此，本文作者針對(duì)大功率高壓開(kāi)關(guān)電源中變壓器的損耗與溫升特性，以某2 500 V/3 A的輸出模塊為例，進(jìn)行磁損和溫度場(chǎng)的有限元分析，進(jìn)而得出一種整體的散熱控制方法。通過(guò)仿真軟件建模，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的相關(guān)結(jié)果，驗(yàn)證該方法對(duì)于改善散熱問(wèn)題的可行性和有效性，以便為大功率高壓開(kāi)關(guān)電源的變壓器設(shè)計(jì)提供參考。

1 變壓器的磁場(chǎng)損耗分析

高頻變壓器的效率和溫升是相互關(guān)聯(lián)的，其輸入功率和輸出功率的差值為變壓器提供熱源。功率損失可分為2部分，即磁芯損耗和繞組損耗。這兩者直接決定了變壓器的溫度分布。本文研究的變壓器都在大功率高壓開(kāi)關(guān)電源中得到應(yīng)用，所涉及的大功率高壓開(kāi)關(guān)電源性能指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.1 理論分析

1.1.1 磁芯損耗的理論分析

高頻變壓器的磁芯損耗以3種形式存在：渦流損耗e、磁滯損耗h和剩余損耗r。其中，磁滯損耗h的計(jì)算式為[5]

表1 大功率高壓開(kāi)關(guān)電源的性能指標(biāo)

Table 1 High-power and high-voltage switching power supply performance indicators

渦流損耗e的計(jì)算式為

式中：=π02/(6)；為電阻率(Ω·m)；0為材料厚度(m)；為頻率(Hz)。

剩余損耗r是由于磁化弛豫效應(yīng)引起的損耗，其計(jì)算式為

式中：為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

總磁芯損耗可表達(dá)為

由式(4)可知變壓器的總磁芯損耗隨著開(kāi)關(guān)頻率和最大磁通密度乘積的增大而增大，兩者呈正比關(guān) 系[6?7]。

1.1.2 繞組損耗的理論分析

假設(shè)線(xiàn)圈橫截面為圓形，則有

式中：s為集膚效應(yīng)系數(shù)；dc為直流阻抗；ac為集膚效應(yīng)帶來(lái)的交流阻抗；1為導(dǎo)線(xiàn)半徑。

在變壓器中，由集膚效應(yīng)產(chǎn)生的損耗遠(yuǎn)小于鄰近效應(yīng)所產(chǎn)生的損耗[4]。根據(jù)文獻(xiàn)[10]可得鄰近效應(yīng)系數(shù)x為

由式(8)和式(9)可知鄰近效應(yīng)與線(xiàn)圈的層數(shù)和線(xiàn)圈的橫截面積都有關(guān)系，從而可以得出繞組損耗也與線(xiàn)圈的層數(shù)及線(xiàn)圈的橫截面積相關(guān)。

1.2 變壓器的參數(shù)選定與建模

1.2.1 磁芯材料的選擇

磁芯材料的選擇也是決定變壓器模型特性的關(guān)鍵因素之一[11]。非晶合金、納米晶合金和鐵氧體是廣泛應(yīng)用于變壓器實(shí)際生產(chǎn)中的磁性材料，它們都具有各自特性：非晶合金的磁芯損耗較小，飽和磁通密度較大，并且在用作磁芯時(shí)體積較小，但磁導(dǎo)率較低；鐵氧體的磁芯損耗小，磁導(dǎo)率較高，但飽和磁通密度??；納米晶合金體積也較小，但磁導(dǎo)率較低[12]。常用磁性材料特性見(jiàn)表2。

表2 高頻磁性材料特性表

1) 磁性材料的磁芯損耗c計(jì)算。在正弦波激勵(lì)下，傳統(tǒng)的計(jì)算磁芯損耗c的Steinmetz公式為

2) 磁性材料損耗分析。將表3所示的各磁性材料的Steinmetz系數(shù)代入式(11)并經(jīng)綜合分析，在磁通密度較低、頻率為12 kHz時(shí)，選用體積較小、成本較低的非晶材料作為本文大功率高壓電源所設(shè)定的變壓器磁芯為較優(yōu)方案。

3) 材料性能。材料性能參數(shù)(磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、密度等)是影響磁場(chǎng)仿真分析精度的關(guān)鍵因素[14]。通過(guò)查詢(xún)所用材料的廠(chǎng)家手冊(cè)，將相關(guān)材料的基本性能參數(shù)在A(yíng)nsoft Maxwell材料編輯器中進(jìn)行編輯。圖1所示為本文所選用的非晶材料的磁芯損耗曲線(xiàn)。由圖1可以得出非晶體材料的磁芯損耗隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增大而呈指數(shù)型增大。圖2所示為該材料的磁化曲線(xiàn)。由圖2可得：當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在280 A/m以?xún)?nèi)時(shí)，對(duì)應(yīng)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度呈指數(shù)型增長(zhǎng)；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)280 A/m后，對(duì)應(yīng)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。

圖1 12 kHz下的磁芯損耗曲線(xiàn)

圖2 12 kHz下的磁化曲線(xiàn)

1.2.2 變壓器的基本參數(shù)

綜合考慮實(shí)驗(yàn)需求，根據(jù)上述選型準(zhǔn)則，本文選用安泰公司04N0103型矩形非晶磁芯[15]。該磁芯有效截面積為1 400 mm2，再加上一定裕度，最小為fc= 1 350 mm2，其中，f為窗口填充系數(shù)，c為變壓器磁芯的截面積。取波形系數(shù)=4.0，最大磁通密度m=0.2 T，磁芯窗口利用系數(shù)u=0.035，線(xiàn)圈電流密度= 3.2 A/mm，磁芯窗口面積a=7 100 mm2，電壓頻率為=12 kHz。

1.2.3 變壓器磁芯輸入功率計(jì)算

1) 電壓方程。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，有

式中：為變壓器的繞組線(xiàn)圈匝數(shù)。

將式(13)代入式(14)得繞組端電壓有效值：

2) 功率方程。由式(15)可得功率方程表達(dá)式為

磁芯尺寸的表達(dá)式為

假設(shè)每個(gè)繞組導(dǎo)體中的電流密度相同，將式(16)和式(17)合并可得

1.2.4 幾何建模

運(yùn)用Ansoft Maxwell可以很便捷地將各種類(lèi)型的變壓器模型進(jìn)行建模，同時(shí)也可直接通過(guò)其他建模軟件建立模型后直接導(dǎo)入。本文直接采用Ansoft Maxwell建模，其結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 變壓器的3D幾何模型

1.3 基于A(yíng)nsoft軟件的磁場(chǎng)損耗仿真計(jì)算

1.3.1 電感計(jì)算

通過(guò)Ansoft Maxwell軟件可以準(zhǔn)確得出變壓器磁芯的漏感、自感[16]。變壓器正常運(yùn)行時(shí)原邊和副邊的總磁通量分別見(jiàn)圖4和圖5。由圖4可知原邊的總磁通量隨時(shí)間在0~0.028 0 Wb之間呈周期性變化，由圖5可知副邊的總磁通量隨時(shí)間在0~0.004 8 Wb之間呈周期性變化。只需將計(jì)算的磁通量除以電流即可得到電感。

圖4 變壓器原邊的磁通量

圖5 變壓器副邊的磁通量

1.3.2 變壓器的磁場(chǎng)損耗仿真分析

變壓器損耗也可分別通過(guò)軟件計(jì)算得出[17]。變壓器的磁芯損耗和繞組損耗分別見(jiàn)圖6和圖7。由圖6可得變壓器磁芯損耗的峰值約為3.0 W，谷值約為 0.2 W，且損耗值在這兩者之間呈周期性波動(dòng)。由圖7可得變壓器繞組損耗的峰值約為765 W，谷值約為65 W，且損耗在這兩者之間呈周期性波動(dòng)。

圖6 變壓器的磁芯損耗

圖7 變壓器的繞組損耗

通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)變壓器的損耗主要來(lái)源于繞組損耗，且變壓器的總磁芯損耗隨著最大磁通密度和開(kāi)關(guān)頻率的乘積增大而增大，呈正相關(guān)關(guān)系。本文在建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，采用較大體積的磁芯以及較低工作頻率和工作磁通密度，因此，在仿真過(guò)程中，變壓器的磁芯損耗很小。得到變壓器損耗就能進(jìn)一步在仿真中得出變壓器的溫升結(jié)果。

2 變壓器溫度場(chǎng)的散熱計(jì)算

變壓器的損耗已通過(guò)Ansoft Maxwell軟件直接計(jì)算得出，下一步只需利用Ansys軟件進(jìn)行散熱計(jì)算，將變壓器模型及已得出的相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件完成溫度場(chǎng)的耦合分析[18?19]，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1 自然風(fēng)冷條件下變壓器的溫升仿真分析

在滿(mǎn)負(fù)載(即2 500V/3 A)條件下，對(duì)變壓器溫升的仿真過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明?？紤]到圖3所示變壓器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，在不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提下，根據(jù)變壓器模型對(duì)稱(chēng)的特性，選用其1/4模型作為熱分析對(duì)象。在自然風(fēng)冷條件下，變壓器的溫升分布結(jié)果如圖8所示。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)變壓器在自然風(fēng)冷下的溫度最大值為102.84 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)想的穩(wěn)定溫度，變壓器的散熱情況急需改進(jìn)。通過(guò)改進(jìn)散熱方式來(lái)改變變壓器的散熱情況，考慮到液體冷卻會(huì)導(dǎo)致整個(gè)體積增大，本文選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式，采用可調(diào)節(jié)風(fēng)速的風(fēng)機(jī)散熱；同時(shí)，由于變壓器的熱量大部分都集中在線(xiàn)圈 上[20]，進(jìn)一步采用增加散熱風(fēng)道的方式來(lái)降低溫升。

圖8 變壓器在自然風(fēng)冷下的溫度分布

2.2 不同負(fù)載下所需風(fēng)量計(jì)算

采用風(fēng)冷控制散熱，同時(shí)忽略輻射換熱，以對(duì)流和傳導(dǎo)為主要換熱方式[21]。設(shè)定環(huán)境溫度為25 ℃作為進(jìn)口空氣溫度，變壓器上限安全溫度為90 ℃。本文實(shí)驗(yàn)所用直流開(kāi)關(guān)電源變壓器的輸入電流為0.5~ 3.0 A，輸出效率為0.90。

根據(jù)上面已經(jīng)獲得的參數(shù)，計(jì)算通風(fēng)量。通風(fēng)量的計(jì)算公式為

根據(jù)上述相同的步驟與方式進(jìn)行計(jì)算，可以得出不同負(fù)載條件下變壓器理論所需風(fēng)量如表4所示。將不同負(fù)載的變壓器模型分別進(jìn)行自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下的溫度場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比溫升結(jié)果。

表4 不同負(fù)載下理論所需散熱風(fēng)量

2.3 強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下變壓器溫升仿真分析

選取滿(mǎn)負(fù)載條件下的變壓器模型仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。經(jīng)過(guò)改進(jìn)散熱方式后，可得仿真測(cè)試效果如圖9所示。從圖9可見(jiàn)：通過(guò)改進(jìn)散熱方式來(lái)降低溫升的方法效果顯著；變壓器最大溫度由102.84 ℃降為65.00 ℃，低于確保變壓器正常運(yùn)行的極值，能有效保證變壓器的穩(wěn)定性。

圖9 變壓器改進(jìn)后的溫度分布

3 實(shí)際模型的建立與測(cè)試驗(yàn)證

由前面仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知強(qiáng)迫風(fēng)冷具有散熱作用。進(jìn)一步建立實(shí)物模型，對(duì)其在自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷下的溫升進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，在強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式的溫升測(cè)試中，對(duì)比恒定風(fēng)速散熱和本文所采用的自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)風(fēng)速散熱這2種方式的散熱效果，驗(yàn)證自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)風(fēng)速散熱模式的優(yōu)越性。

3.1 自然風(fēng)冷條件下的溫升測(cè)試

在較穩(wěn)定的外部實(shí)驗(yàn)條件下使變壓器運(yùn)行2 h，分別進(jìn)行自然風(fēng)冷、恒定風(fēng)速散熱和自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)風(fēng)速散熱模式的條件設(shè)定，采用手持式紅外測(cè)溫儀測(cè)試裝置運(yùn)行2 h時(shí)的溫度變化情況，以驗(yàn)證優(yōu)化后散熱問(wèn)題是否得到解決。

首先進(jìn)行自然風(fēng)冷的溫升測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖10和圖11中的曲線(xiàn)1。由圖10和圖11中曲線(xiàn)1可知：在自然風(fēng)冷條件下，變壓器在運(yùn)行2 h過(guò)程中，線(xiàn)圈與磁芯的溫度不斷上升，線(xiàn)圈的溫度峰值超過(guò)100 ℃，磁芯的溫度峰值超過(guò)80 ℃，且長(zhǎng)時(shí)間在該溫度附近波動(dòng)，遠(yuǎn)大于變壓器穩(wěn)定運(yùn)行的安全溫度范圍。

散熱條件：1—自然風(fēng)冷；2—中等風(fēng)量條件(1.0 m3/min)；3—自適應(yīng)風(fēng)量條件；4—高風(fēng)量條件(1.5 m3/min)；5—環(huán)境溫度。

散熱條件：1—自然風(fēng)冷；2—中等風(fēng)量條件(1.0 m3/min)；3—自適應(yīng)風(fēng)量條件；4—高風(fēng)量條件(1.5 m3/min)；5—環(huán)境溫度。

3.2 恒定風(fēng)速散熱模式的溫升測(cè)試

分別選取2個(gè)不同風(fēng)速進(jìn)行恒定風(fēng)速散熱模式的溫升測(cè)試：第1組測(cè)試選用中等風(fēng)速的恒定值 (1.0 m3/min)，第2組測(cè)試選用較高風(fēng)速的恒定值 (1.5 m3/min)，得到在同一外部實(shí)驗(yàn)條件下2組不同測(cè)試風(fēng)速的溫升，如圖10中的曲線(xiàn)2、曲線(xiàn)4和圖11中的曲線(xiàn)2、曲線(xiàn)4所示。由圖10中曲線(xiàn)2、曲線(xiàn)4和圖11中曲線(xiàn)2、曲線(xiàn)4可知：采用恒定風(fēng)速進(jìn)行散熱控制時(shí)，由于風(fēng)速選擇的隨機(jī)性，溫升的控制效果也具有較大的隨機(jī)性；當(dāng)所選用的風(fēng)速較大時(shí)，變壓器的溫升有效控制在安全范圍內(nèi)；當(dāng)選用較小或中等的恒定風(fēng)速時(shí)，變壓器在剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)溫升保持在安全范圍內(nèi)，但隨著運(yùn)行時(shí)間增加，溫升將超出安全范圍，雖然相對(duì)于自然風(fēng)冷溫升有所降低，但由于在運(yùn)行后期，恒定的散熱風(fēng)量長(zhǎng)時(shí)間小于降溫需求值，變壓器的溫升情況沒(méi)有得到很好控制。可見(jiàn)：恒定風(fēng)速的散熱模式具有很大的隨機(jī)性，其散熱效果取決于所選擇的散熱風(fēng)速，且風(fēng)機(jī)輸出的能源有效利用率達(dá)不到最大化。

3.3 自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)風(fēng)速散熱模式的溫升測(cè)試

采用本文自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)風(fēng)速散熱模式，散熱風(fēng)機(jī)的風(fēng)速能夠根據(jù)變壓器的實(shí)時(shí)溫升進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，即能精準(zhǔn)控制溫升一直保持在變壓器安全運(yùn)行范圍內(nèi)，同時(shí)，風(fēng)機(jī)能源輸出的有效利用率也能達(dá)到最大值。實(shí)驗(yàn)中，變壓器各部件的溫升情況如圖10和圖11中的曲線(xiàn)3所示。

由圖10和圖11中曲線(xiàn)3可知：相對(duì)于自然風(fēng)冷模式，在強(qiáng)迫風(fēng)冷下，無(wú)論是恒定風(fēng)速的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱或自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)風(fēng)速散熱模式，變壓器的溫升情況都得到了明顯改善；變壓器的線(xiàn)圈溫度的峰值從優(yōu)化前的100 ℃左右下降到80 ℃以下，而變壓器的磁芯溫度的峰值也從優(yōu)化前的85 ℃左右下降到70 ℃以下；在恒定風(fēng)速散熱模式下，散熱效果具有隨機(jī)性，由恒定風(fēng)速的選擇值決定。圖10和圖11中曲線(xiàn)4對(duì)應(yīng)條件為高風(fēng)量，基本能滿(mǎn)足散熱需求，但在中等風(fēng)量條件下(曲線(xiàn)2)，在變壓器初運(yùn)行階段還能滿(mǎn)足散熱需求，隨著運(yùn)行時(shí)間增加，變壓器的溫升情況沒(méi)能得到有效控制，散熱效果不理想，可見(jiàn)該散熱方式具有較大的隨機(jī)性，且在高風(fēng)速條件下，風(fēng)機(jī)所輸出能源的有效利用率很小。而自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)風(fēng)速散熱模式(曲線(xiàn)3)始終能確保變壓器的溫度處于安全運(yùn)行范圍內(nèi)。變壓器的線(xiàn)圈與磁芯溫度在運(yùn)行過(guò)程中有一個(gè)持續(xù)上升的過(guò)程，在一段時(shí)間后逐步趨于穩(wěn)定，散熱情況得到有效控制。

4 散熱控制的整體設(shè)計(jì)流程

通過(guò)綜合所述示例分析，針對(duì)不同負(fù)載條件下大功率高頻變壓器的散熱問(wèn)題，提出一種散熱控制的整體設(shè)計(jì)方法，其流程如圖12所示，其過(guò)程如下。

圖12 變壓器散熱控制的整體設(shè)計(jì)流程

Step 1：確定開(kāi)關(guān)電源變壓器的基本應(yīng)用條件，通過(guò)Ansoft Maxwell軟件建立相應(yīng)的3D模型。

Step 2：磁場(chǎng)仿真分析。通過(guò)Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行磁場(chǎng)仿真分析，分別得到對(duì)應(yīng)條件下變壓器的磁芯損耗及繞組損耗。

Step 3：設(shè)定負(fù)載。判斷負(fù)載是否小于變壓器的額定負(fù)載：若小于額定負(fù)載，則進(jìn)行下一步；否則，結(jié)束計(jì)算。

Step 4：自然風(fēng)冷條件下的溫度場(chǎng)仿真。將得出的磁場(chǎng)損耗模型導(dǎo)入Ansys軟件，計(jì)算自然風(fēng)冷條件下高壓開(kāi)關(guān)電源變壓器的溫升。

Step 5：強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下的溫度場(chǎng)仿真。計(jì)算散熱理論所需風(fēng)量，在A(yíng)nsys中設(shè)定已計(jì)算的風(fēng)量條件，得到強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下的溫升。對(duì)比自然風(fēng)量條件下的溫升情況，分析是否達(dá)到理想效果。

Step 6：建立實(shí)物模型。對(duì)比自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷這2種情況下的溫升結(jié)果，若滿(mǎn)足基本條件，則建立實(shí)物模型進(jìn)一步驗(yàn)證。

Step 7：將實(shí)際模型的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

Step 8：選取一組新的負(fù)載進(jìn)行新一輪運(yùn)算，可得出不同負(fù)載值條件下的散熱所需風(fēng)量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量、優(yōu)化散熱的目的。

5 結(jié)論

1)針對(duì)大功率高壓開(kāi)關(guān)電源中2 500 V/3 A的輸出模塊進(jìn)行了損耗和散熱分析。根據(jù)結(jié)果進(jìn)行散熱控制后，散熱問(wèn)題得到有效解決。

2) 建立了變壓器的3D模型，進(jìn)行了磁場(chǎng)的損耗分析，得出繞組損耗大于磁芯損耗。

3)在自然風(fēng)冷條件下，溫升會(huì)影響變壓器的穩(wěn)定性。采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式可以有效降低變壓器的溫升情況，使其溫度峰值低于變壓器允許溫升的極值。

4)提出了一種根據(jù)不同負(fù)載情況仿真求解變壓器整體散熱問(wèn)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)建立實(shí)際模型測(cè)試，驗(yàn)證了其合理性和可行性。

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Loss analysis and thermal control of power transformers with high power and high voltage

HUANG Yi1, PENG Ke1, WANG Wenchao1, CHEN Lian1, DONG Mi2, SHAO Tian1, LEI Jiahao1

(1. College of Engineering and Design, Hunan Normal University, Changsha 410081, China; 2. School of Automation, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to strengthen the reliability and stability of the switching power supply, the theoretical analysis and the simulation example verification for its transformer loss and temperature rise characteristics were studied, and a loss analysis and heat dissipation control method were proposed. Firstly, Ansoft Maxwell software was used to build a 3D model of the transformer to carry out the finite element analysis of the magnetic field. Secondly, the temperature rise and the air volume required for cooling under different loads were calculated, and the temperature field with Ansys software was compared. Finally, a 2 000 V/3 A load switching power supply module was used as an example to establish an actual model to verify the effectiveness of the thermal control. The results show that the loss of transformer in high-power and high-voltage switching power supply mainly comes from the winding loss and the core losses. Under natural cold wind conditions, the temperature rise is obviously high due to the poor performance of heat dissipation. Using the air volume results calculated by the analysis method described in this paper, the temperature rise of the transformer can be effectively controlled. This method can also be used to obtain the corresponding loss of the transformer under different load conditions and the resulting temperature rise, which can furtherly regulate the temperature.

transformer; finite element analysis; loss characteristic; thermal analysis; thermal control

TH132.4

A

1672?7207(2019)05?1089?09

10.11817/j.issn.1672-7207.2019.05.011

2018?07?19；

2018?09?22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51677194)；湖南省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17A129) (Project(51677194) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (17A129) supported by the Scientific Research Program of Department of Education of Hunan Province)

彭可，博士，教授，從事機(jī)電一體化技術(shù)研究；E-mail：77547113@qq.com

(編輯 陳燦華)