[发明专利]一种感应滤波变压器的紧凑设计方法

说明书

本发明公开了一种感应滤波变压器的紧凑设计方法。感应滤波变压器及其一体化滤波系统在满足要求的感应滤波性能前提下采用近似绕组零等效阻抗设计，滤波绕组等效阻抗与变压器尺寸参数紧密关联，以变压器铁芯到外侧绕组的距离为直接优化目标，在近似绕组零等效阻抗区间搜寻最小变压器径向尺寸，藉以实现变压器尺寸参数最优化。该方法兼顾了实施感应滤波的近似零阻抗设计和变压器物理结构尺寸最优化设计，满足了感应滤波装置在安装空间受限环境下的应用需求。

技术领域

本发明涉及变压器设计与制造领域，具体涉及一种感应滤波变压器的紧凑设计方法。

背景技术

集成化、模块化和系统化是当前全电舰船电力系统的设计理念，与传统船舶供电系统相比，全电舰船不仅优化了装备配置，提升了空间利用率，还增强了舰船稳定性和隐蔽性。电力电子变换器随之成为了逐渐增多的交直流电力装备的核心器件,而谐波性能是此类基于电力电子变换器的全电舰船的必要考核要求。船舶配电系统的谐波畸变可能会使某类敏感装备过热并导致误操作。以船舶推进变压器为例，谐波成分会导致变压器内部的热损耗，这些损耗包括涡流损耗、磁滞损耗、铜损耗和杂散损耗等，并可能由于过热而导致变压器运行故障。此外，为了增强供电系统鲁棒性，运行在谐波环境下的变压器总要考虑冗余容量设计。目前，在舰船电力系统电能优化领域，缺乏一个兼顾滤波性能和空间利用率的解决方案。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种感应滤波变压器的紧凑设计方法，在满足感应滤波性能的同时，兼顾了绕组阻抗匹配约束条件和变压器尺寸优化。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种感应滤波变压器的紧凑设计方法，所述感应滤波变压器采用近似绕组零等效阻抗设计，变压器尺寸参数与绕组等效阻抗相关联，在近似绕组零等效阻抗区间搜寻最小变压器径向尺寸，藉以实现变压器尺寸参数最优化。

进一步地，所述感应滤波变压器包含三个绕组：一次绕组、二次绕组和滤波绕组；一次绕组连接电源，二次绕组连接负荷，滤波绕组连接滤波器；二次绕组布置在最靠近铁芯处，然后依次是滤波绕组和一次绕组。

进一步地，所述感应滤波变压器需满足滤波绕组零等效阻抗设计，在满足滤波性能的基础上亦可近似零阻抗设计，即：

Z₃＝(Z_k13+Z_k23-Z_k12)/2∈[-x,x]

式中，Z_k12、Z_k13、Z_k23分别是一次绕组与二次绕组、一次绕组与滤波绕组、二次绕组与滤波绕组相互之间的短路阻抗；Z₃是滤波绕组的等效阻抗；[-x,x]是近似绕组零等效阻抗区间，为保证感应滤波性能，x≤0.1％。

进一步地，所述绕组等效阻抗可由含绕组尺寸参数的计算公式求解而出，具体而言，各绕组间的短路阻抗可由下式确定：

式中，f是基波频率，I₁和N₁是一次绕组的额定电流和匝数；μ₀是绝对磁导率；ρ_xy是绕组x和绕组y间的洛氏系数；K是附加电抗系数；∑D_xy是绕组x与绕组y之间的漏磁面积，与变压器绕组尺寸参数有关；e_t是每匝线圈磁势；H_xy是绕组间的平均高度。

进一步地，对于铁芯结构变压器的纵向漏磁场，洛氏系数由下式求解：

漏磁面积则由下式确定：

并且，有以下关系成立：