大功率高壓開關(guān)電源變壓器耗損分析和風冷優(yōu)化

王 強

（寧波浙鐵江寧化工有限公司，浙江寧波 315207）

1 大功率高壓開關(guān)電源變壓器的磁場耗損分析

1.1 磁場耗損分析

在高頻變壓器中，磁芯損耗形式主要有渦流損耗（Pe）、磁滯損耗（Ph）和剩余損耗（Pr）。

（1）Pe=bB2mf2，b=nd02/（6p）。其中，p 是電阻率，Ω·m；d0是材料厚度，m；f 是頻率，Hz。

（2）Ph=αBmsf。其中，α 是由材料性質(zhì)或其他相關(guān)因素所決定的一個常數(shù)；Bm是最大通磁密度；s 是Steinmetz 系數(shù)；f 是頻率。

（3）Pr=cB1-5f1-5。c 是經(jīng)驗參數(shù)。

總的磁芯耗損P=Ph+Pe+Pr，通過這個公式可以看出，在大功率高壓開關(guān)電源中，變壓器磁芯的總損耗會受到開關(guān)頻率以及最大磁通密度的乘積影響，隨著這個乘積增大，總損耗也會增大，由此可見，兩者呈正比例關(guān)系。

1.2 繞組損耗分析

在大功率高壓開關(guān)電源中，變壓器繞組的產(chǎn)生原因主要是集膚效應和臨近效應。當變壓器溫度達到70 ℃時，銅線集膚深度。假設這個線圈是圓形橫截面，則，其中，Ks是集膚效應的系數(shù)，RBc是集膚效應所引起的交流阻抗，Rdc是直流阻抗。因此，在對臨近效應進行求解過程中，可以用公式Kx=G］進行計算，其中，m 是線圈層數(shù)，h 是線圈疊加高度，d2是線圈厚度，G=d2/S。將上述公式進行簡化，則可以得出，Ks=1+G4，由此可以得出。

通過以上2 個公式可以得知，臨近效應和線圈的橫截面積以及線圈的層數(shù)之間均有緊密關(guān)系，通過這一關(guān)系，可以得知，變壓器繞組損耗和線圈的橫截面積以及線圈的層數(shù)之間也有緊密關(guān)系。

2 大功率高壓開關(guān)電源變壓器溫度場散熱計算

2.1 在自然風冷環(huán)境下對變壓器溫升進行仿真分析

當變壓器處在滿負載時，通過對變壓器溫升進行仿真分析可知，在這樣條件之下，變壓器會產(chǎn)生出龐大數(shù)量的數(shù)據(jù)，因此在不會對仿真實驗結(jié)果造成影響的前提條件之下，將變壓器模型對稱性的特征作為依據(jù)，選擇其中的1/4 作為對象來進行熱分析。通過仿真實驗可以發(fā)現(xiàn)，在自然風冷條件下，變壓器最高溫度可以達到102.84 ℃，比理想穩(wěn)定溫度高出很多。由此可以看出，變壓器的散熱需要進一步改進。在改進過程中，可以改變散熱方式，但是由于液體的冷卻會進一步增大整體體積，故可以采用強迫風冷的形式進行改進，通過對風機風速的調(diào)節(jié)來達到散熱效果。同時，變壓器的大部分熱量都在線圈中集中，因此在改進過程中，也可以通過增加散熱風道來降低變壓器的升溫效果。

2.2 對不同負載之下需要的風量進行計算

在通過風冷對散熱進行控制的過程中，輻射換熱也很容易被忽略，基于這一情況，可以將對流以及傳導作為主要的換熱方法。將進口的空氣溫度設置在25 ℃，將變壓器的安全溫度上限設置為90 ℃。本次實驗過程中，應用的是直流開關(guān)電源變壓器，其輸入電流在0.5～3.0 A，輸出效率可以達到90%。將已經(jīng)或得到的相關(guān)參數(shù)作為依據(jù)，就可以計算變壓器不同負載之下的通風量。通風量Qt=Qre×60/（cp×P×Δt），其中，cp是空氣比熱容，J/（kg·℃）；P 是空氣密度，kg/m3；Qt是通風量，m3/min；Qre是風機所帶走的熱量，W；Δt 是空氣入口和空氣出口之間的溫度差，℃。在本次實驗中，已知該變壓器穩(wěn)定的溫度是90 ℃，經(jīng)過強制風冷作用，帶走的熱量在總消耗功率之中占據(jù)90%，剩余的一些熱量主要是通過電源外殼朝著外部輻射，或者是通過自然的對流而散失。

在變壓器的負載達到2500 V、3 A 時，可以計算出該變壓器中功率損耗大約是0.75 kW，由此可以算出，這樣的負載條件之下，該變壓器的通風量需求是0.748 m3/min。考慮通風量的損失以及安全性等諸多因素，并結(jié)合實際經(jīng)驗，適當裕量應該與1.5～2.0 的系數(shù)相乘，由此可以計算出通風量Qt=1.495 m3/min。

按照以上方法和步驟進行計算，可以計算出大功率高壓開關(guān)電源變壓器在不同負載條件下的通風量需求。在本次研究中，分別在自然風冷以及強迫風冷這兩種情況下，對不同負載條件下的變壓器模型溫度進行仿真實驗，并對升溫結(jié)果進行對比。

2.3 變壓器在強迫風冷條件之下的溫升仿真分析

在分析過程中，應該選擇變壓器在滿負載條件之下的模型來詳細分析仿真結(jié)果，改進放熱方式后，變壓器在強迫風冷條件下的仿真升溫結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可以看出，通過對變壓器散熱方式加以改進，其溫升的降低效果十分顯著，該變壓器的最大溫度由改進之前的102.84 ℃下降到65 ℃，較變壓器正常運行過程中的溫度極值要低一些，這對于變壓器的良好穩(wěn)定運行及其安全性將會起到有效保護作用。

3 大功率高壓開關(guān)電源變壓器的整體散熱控制設計分析

在進行大功率高壓開關(guān)電源變壓器的整體散熱控制設計過程中，通過對不同負載條件之下變壓器散熱情況的分析，提出以下整體設計流程。

（1）基本條件的確定與模型建立。在對大功率高壓開關(guān)電源變壓器進行整體散熱控制設計過程中，首先應該對變壓器基本的應用條件進行確定，在全面確定了其基本的條件后，再應用Ansoft Maxwell 軟件來建立相應3D 模型。

（2）對磁場進行仿真分析。在對磁場進行仿真分析的過程中，依然可以通過Ansoft Maxwel 軟件來實現(xiàn)，這樣就可以分別獲得變壓器對應條件之下的磁芯損耗和繞組損耗情況。

（3）對散熱負載進行設定。在進行大功率高壓開關(guān)電源變壓器的整體散熱控制設計過程中，負載的設定也是一項關(guān)鍵性內(nèi)容。在負載設定過程中，應該判斷散熱負載和變壓器額定負載的大小，如果散熱負載小于變壓器額定的負載，則可以繼續(xù)進行下一步，如果散熱負載大于變壓器的額定負載，則應該結(jié)束計算。

（4）在自然風冷的條件下進行溫度場的仿真。在ANSYS 軟件之中導入磁場損耗模型，并計算自然風條件下的高壓開關(guān)電源變壓器溫升情況。

圖1 變壓器在強迫風冷條件之下的仿真升溫結(jié)果

（5）在強迫風冷的條件下進行溫度場的仿真。在計算變壓器所需散熱通風量過程中，可以通過ANSYS 軟件對風量條件進行計算，這樣就可以獲得強迫風冷條件下的變壓器溫升。通過將其與自然風冷條件下溫升情況進行對比，就可以分析出散熱效果是否理想。

（6）實物模型的建立。在將自然風冷條件之下以及強迫風冷條件之下的溫升結(jié)果進行對比之后，如果發(fā)現(xiàn)其可基本滿足變壓器散熱條件，就可以建立實物模型，進一步對其進行驗證。

（7）對結(jié)果進行對比。通過實際模型結(jié)果和仿真結(jié)果的對比，就可以獲得最優(yōu)設計結(jié)果，并能夠?qū)?yōu)化設計是否有效進行驗證。

（8）對新的負載進行運算。在得出設計結(jié)果后，應該重新選擇一組負載進行運算，這樣就能夠獲得不同負載條件之下變壓器需要的通風量，進而實現(xiàn)對風量的有效調(diào)節(jié)，使變壓器得到最佳散熱效果。

4 結(jié)束語

在大功率高壓開關(guān)電源變壓器應用過程中，損耗以及散熱始終是需要重點解決的問題。因此，在實際應用過程中，相關(guān)工作人員應全面分析變壓器運行中的損耗以及不同負載條件之下的散熱情況，這樣才可以及時發(fā)現(xiàn)其損耗以及散熱方面的問題，并根據(jù)實際情況制定出合理化解決方案。通過這種方式，可以合理降低大功率高壓開關(guān)電源變壓器的運行損耗和運行溫度，在保障其正常運行情況下提升運行安全性。這對于大功率高壓開關(guān)電源應用效果的提升會起到十分積極的促進作用，進而有效推動當今社會經(jīng)濟與能源等的可持續(xù)發(fā)展。