应用于中压直流配电网的中频变压器绕组振动产生机理及抑制技术研究

DC/DC power converter and its isolation transformers are core equipment in flexible electrical distribution network and shipboard integrated power system with MVDC technology. Limited to the switching frequency of medium-voltage power electronic device, the isolation transformer usually runs at medium frequency and suffers from the electromagnetic vibration. This project mainly researches the mechanism and suppressing method of winding vibration. Since the lumped electrodynamic force model is not applicable for the foil winding, a precise 2-D electrodynamic force model will be proposed. Then the winding axial and radial vibration multi-freedom model will be constructed, and a finite element model based electrocircuit-electromagnetic field-mechanical field coupling theory will be present to forecast the winding vibration. The fluctuation of the phase-shift angle will be pointed out to be the main reason of DC component bias. The winding vibration within harmonics and DC bias will be investigated to propose the vibration suppressing method. Based on the above work, the winding vibration is wished to be control effectively. The research achievement will result in a better vibration-control design of the magnetic devices for high-capacity power electronics.

在应用中压直流电制的陆地柔性配电网、舰船综合电力系统等领域，直流变换器及其内部的隔离变压器属于核心变电设备。受限于中压大容量电力电子器件的开关频率，隔离变压器往往工作于中频段，中频电磁振动问题不可避免。本课题从变压器本体和变流器系统两个层次出发，研究绕组振动的产生机理和抑制方法。建立考虑涡流的箔式绕组二维电动力模型，解决集中电动力模型不适用于箔式绕组振动分析的问题；建立中频变压器绕组基于“质量-弹簧-阻尼”集中参数模型的箔式绕组轴向、径向振动理论模型，以及电路-电磁场-结构振动场耦合有限元分析模型，为中频变压器绕组振动预测及抑制方法研究提供有效研究手段；查明移相控制方式绕组电流直流分量的产生机理，研究PWM激励下中频变压器绕组振动的谐波影响机理，提出绕组振动抑制方法。通过上述研究工作，期望从源头上解决中频变压器绕组电磁振动问题，研究成果可推广应用至大容量电力电子磁性元件的振动抑制。

在中压直流舰船综合电力系统中，大容量DC/DC变流器实现中压直流至低压直流的电能变换。中频变压器的体积、重量、损耗约占变流器整体的20%~40%，而且是主要的电磁振动源、噪声源。本项目针对箔绕式大容量中频变压器的绕组电磁振动开展了相关研究。.第一，分析了变压器漏磁场分布，对比了基于磁路法的电磁力计算方法与基于有限元的电磁力计算方法；仿真分析了箔式线圈电流密度的二维分布规律，计算了箔式线圈的交流阻抗并实验验证；仿真分析了激励电流频率、幅值对箔式线圈电磁力影响以及电磁力的三维分布规律。.第二，建立了空心箔式线圈的结构模型，通过有限元法计算了箔式线圈的固有频率和振型，并仿真分析了绝缘层弹性模量和层间分离对线圈模态的影响；采用移动力锤法对箔式线圈进行了模态测试，引入模态置信准则矩阵验证了模态向量的正交性。.第三，搭建了箔式线圈的电磁振动实验平台，实验分析了正弦激励电流的频率、幅值对振动响应的影响；测量了非正弦激励下线圈的振动响应；建立了箔式线圈的电磁-结构顺序耦合电磁振动有限元仿真模型，模拟了正弦和非正弦激励两种工况箔式线圈的电磁振动响应。.第四，针对移相全桥直流变换器拓扑，计算变压器初级电压谐波分量，以最小化变压器初级电压总谐波畸变率为目标确定最佳工作点，从而降低中频变压器工作时的高次谐波含量；针对中频变压器直流偏磁问题，分析了移相角波动时变压器初级电压的直流分量，指出移相角波动是变压器直流偏磁的主要原因，进而提出切换式控制方法；建立实验平台，进行实验验证。