[發明專利]一種三相高頻大功率變壓器的多目標優化設計方法

有效

• 申請號: 202110555470.4
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113283073B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 王佳寧;胡嘉汶;黃耀東
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06N3/12
• 代理公司: 合肥和瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

1.一種三相高頻大功率變壓器的多目標優化設計方法，所述三相高頻大功率變壓器應用于三相LLC諧振變換器，包括三個相同的單相變壓器、一個上磁軛S、一個下磁軛X和絕緣結構；所述絕緣結構包括主絕緣結構J₁和次絕緣結構J₂；

將三相高頻大功率變壓器中任一個單相變壓器記為i相變壓器G_i，i代表相，i＝A,B,C，所述i相變壓器G_i從內向外由一個橫截面為矩形的磁芯柱Z_i、一個初級繞組Y_1i和一個次級繞組Y_2i組成，初級繞組Y_1i、次級繞組Y_2i的形狀均與磁芯柱Z_i相同，且三者保持同心，在磁芯柱Z_i和初級繞組Y_1i之間填充了次絕緣結構J₂，在初級繞組Y_1i和次級繞組Y_2i之間填充了主絕緣結構J₁，將磁芯柱Z_i的高度記為窗口高度b、磁芯柱Z_i的橫截面的寬度記為磁芯橫截面寬度w、磁芯柱Z_i的橫截面的長度記為磁芯橫截面長度d；

所述上磁軛S和下磁軛X的形狀為相同的長方體，該長方體的高度與磁芯橫截面寬度w相等、寬度與磁芯橫截面長度d相等；三個相同的單相變壓器按照等距a依次并排設置在上磁軛S和下磁軛X之間，且在三個單相變壓器與上磁軛S之間、下磁軛X之間均保留一定的空間，將等距a記為窗口長度a；在三個磁芯柱Z_i與上磁軛S相對的空間中鋪設了相同厚度的非導磁材料，該非導磁材料形成一個氣隙層Q；三個變壓器的三個次級繞組Y_2i與上磁軛S之間、與下磁軛X之間的空間內均填充有次絕緣結構J₂；

初級繞組Y_1i和次級繞組Y_2i采用圓形多股絞線繞制；

其特征在于，所述多目標優化設計方法包括以下步驟：

步驟1，設計要求和參數的選擇；

梳理三相高頻大功率變壓器設計要求，包括額定功率P_N、初級繞組Y_1i兩端電壓V_in、工作頻率f、流經初級繞組Y_1i的電流I_p、流經次級繞組Y_2i的電流I_s、匝比n和輸出電壓級U_o；

根據設計要求選擇三相高頻大功率變壓器的以下參數：磁芯牌號及其第一損耗參數k，第二損耗參數α，第三損耗參數β；圓形多股絞線的單匝線徑d_s及其有效面積系數K_w；主絕緣結構J₁的厚度d_ps和次絕緣結構J₂的厚度d_cs；

步驟2：建立三相高頻大功率變壓器體積模型，計算功率密度PD，其表達式為：

式中，V為三相高頻大功率變壓器的體積；D_p為初級繞組Y_1i的線徑,D_s為初級繞組Y_1i的線徑；

步驟3：建立三相高頻大功率變壓器損耗模型，計算效率η和單位損耗散熱面積S_heat，表達式為：

式中，P_Fe為三相高頻大功率變壓器的磁芯損耗，P_Cu為三相高頻大功率變壓器的繞組損耗，S為三相高頻大功率變壓器的表面積；

步驟4：建立三相高頻大功率變壓器漏電感模型，計算漏電感L_σ，其表達式為：

式中，N_p為初級繞組Y_1i的匝數，MLT_p分別為初級繞組Y_1i的匝長，μ₀為真空磁導率，μ₀＝4π/10^-7，d_eq為圓形多股絞線單匝線徑d_s的等效寬度，k_sp為繞制初級繞組Y_1i的圓形多股絞線股數，k_ss為繞制次級繞組Y_2i的圓形多股絞線股數，hwp為初級繞組Y_1i的高度，F_w1為初級繞組Y_1i有效面積等效因子，F_w2為次級繞組Y_2i有效面積等效因子；

K_rp為Rogowski因子，其表達式為：

式中，dwp為初級繞組Y_1i的厚度，dws為次級繞組Y_2i的厚度；

步驟5，在設定的約束條件下，構建三相高頻大功率變壓器的多目標優化數學模型；

綜合步驟2、步驟3、步驟4建立的三相高頻大功率變壓器體積模型、損耗模型、漏電感模型，以功率密度PD為目標函數f₁、效率η為目標函數f₂、單位損耗散熱面積S_heat為目標函數f₃、漏電感L_σ作為目標函數f₄，以窗口高度b為輸入變量x₁、磁芯橫截面寬度w為輸入變量x₂、磁芯橫截面長度d為輸入變量x₃、初級繞組Y_1i的線徑D_p為輸入變量x₄、次級繞組Y_2i的線徑D_s為輸入變量x₅、初級繞組Y_1i的匝數N_p為輸入變量x₆，在設定的約束條件下，構建三相高頻大功率變壓器的多目標優化數學模型，其表達式為：

設定的約束條件如下：

式中，x_k為輸入變量，k＝1,2,3,4,5,6，x_kmin為輸入變量x_k的取值下限，x_kmax為輸入變量x_k的取值上限，hws為次級繞組Y_2i的高度；

步驟6：采用多目標遺傳算法NSGA-II對步驟5建立的三相高頻大功率變壓器的多目標優化數學模型進行求解，得到最優解集，然后對求得的最優解集求取平均值，選擇最為接近平均值的最優解A作為三相高頻大功率變壓器的設計方案；

步驟7：根據三相LLC諧振變換器的關斷電流、增益趨勢和軟開關特性確定勵磁電感L_m值，并通過調整氣隙層Q厚度來得到所需的勵磁電感L_m值。