固态变压器的设计

B. Dheeraj Reddy¹， Sarat Kumar Sahoo博士²

UG学生[EEE]，学校电气工程， VIT大学，Vellore，泰米尔纳德邦，印度
学院副教授电气工程， VIT大学，Vellore，泰米尔纳德邦，印度

摘要

变压器的设计是为了使重量和成本最小化，基于三个假设:电源是正弦波，频率是固定的，电压不超过规定的最大限制。在基于这些假设的基础上设计变压器时，不需要采用严格的方法，如果修改这些假设，则需要再次进行适当的考虑。考虑到这一点，必须解决高效和具有成本效益的设计问题。为了减少温室气体的排放，取代煤炭或石油等有限的能源，可再生能源的数量正在不断增长。所有这些都导致了一个最佳的解决方案，这是固态变压器进化的原因。本文介绍了100va, 100hz和200va, 50hz变压器的结构细节，并对结果进行了比较，提出了最佳设计方案。

关键字

采购产品固态变压器(SST)，电力电子设备，SST拓扑，智能电网。

I.INTRODUCTION

传统的“庞然大物”变压器高效可靠，但也存在一些缺点:对谐波敏感，功率因数没有改善，在直流偏置负载不平衡时性能较差，负载下电压下降，对系统中断和过载没有保护。装有电力电子设备的变压器可以对控制信号作出响应，并消除与传统变压器相关的问题。固态变压器试图通过高频隔离AC/AC固态转换技术取代传统的50hz变压器。由于采用了电力电子电路，SST可以在任何频率下工作。由于高频调制;sst的体积和重量可以比传统的50hz变压器小得多，还可以提高磁芯的利用率。固态变压器比传统的50hz变压器具有更低的物理轮廓，并提供功率流的主动控制。然而，由于电力电子变换器的存在，它们不像传统的50赫兹变压器那么简单。但这是由电力电子设备提供的辅助服务组成的，如允许双向潮流，主动改变电压和频率水平等功率特性，提高电能质量(无功补偿和谐波滤波)，根据公用事业提供商和最终用户以及网络中的其他变压器之间的通信提供有效的电力路由。

本文回顾了现有的关于常规变压器设计和各种sst模型的文献，并选择了最优效率的一种。然后采用合适的方法设计了高效变压器。

在设计新的变压器时，可以采用两种方法。假设基础是一个100 VA, 50 Hz的变压器，两种方法都可以采用。

1)上述基础变压器可在100 Hz下工作，将功率传输能力提高到200 VA(即;几乎翻倍)，频率增加，而核心的大小和重量保持不变。2)可以制定新的设计程序，频率固定在100hz，而不是基准频率为50hz，功率容量为100va。与基准变压器相比，新设计的变压器的尺寸和重量都将减小。

案例1的级别高于其他案例，因为在这种情况下，原始的基础变压器，最初工作在50hz，本身可以在100hz的功率容量下运行，而不是设计一个新的变压器，节省时间和金钱。唯一需要采取的预防措施是，由于高频磁致伸缩，变压器会振动并产生嗡嗡声，可以通过拧紧核心螺栓来消除这种嗡嗡声。此外，电力需求的增长也要求变压器并联运行;因此，每当电力需求加剧时，就必须安装一台新的变压器。如前所述，使用case-1变压器，无需购买新的变压器即可补偿电力需求。

三级拓扑结构提供了一些优于其他两种拓扑结构的优点，例如[1];由于高频变压器减小了尺寸，可以提高功率因数，多级变换器拓扑可以应用于获得高电压水平(例如，11和22千伏)。目前最流行的是三级拓扑结构，所涉及的电力电子电路的各种潜力，如简化开关拓扑结构，正在研究和开发，以提高熟练程度。

3相关损失

对于给定的电压和匝数，增加频率可以减小磁芯的横截面积，而不会使磁芯饱和。以100 - 400hz而不是50hz的频率运行电气系统的优点是电源更小、更轻。但是这种重量的减轻是以电力电子设备为代价的。如我们所知，铁的损失由两部分组成;滞回和涡流分量[2]。

蒙皮效应对铜损失的增加在一定程度上不显著。

根据现有文献;电阻上升10%的导线直径(单位:mm)

d = 200/√f = 50hz时28mm = 100hz时20mm, 400hz时= 10mm。

众所周知，当频率高于400hz时，集肤效应更为显著(这就是飞机使用400hz电源的原因)，而我们的研究仅限于100hz。因此，当频率加倍时，总损耗几乎不变。相互连接的设备将能够完全控制真实和无功功率流的大小和方向，并可以取代老式的不可控、体积大、重量大的线路频率变压器。

四、变压器的设计

根据标准公式[3]-[5]和实际考虑，生成了excel电子表格。这将加快设计变压器的过程，容易和准确的几个其他额定值。

A. 100va, 440/220 V变压器的设计已经用电子表格进行了测试，结果与根据标准教科书计算的值相似，在VA等级和效率方面有1%的可观误差。所开发的excel电子表格如表1所示

B.同一芯双倍频率下的输出额定值估计:

将数据输入开发的电子表格，发现输出增加了一倍，与计算值一致(表2)。

C. 200 VA、50 Hz的设计(表3):

D.不同设计的比较:如表4所示。

E.结果:尽管频率增加，但前面已经提到的核心损失减少了。变压器的空载电流已测量(硬件)，结果证实了上述说法。使用440V, 50Hz的电源测量以下电流:

F.绕组布置:如图1所示为100va, 50hz变压器的绕组布置。

图2显示了200 VA, 50 Hz的绕组排列

诉的结论

从对比表中可以看出，case-3型变压器的效率略低，铁芯损耗适中。而case-2变压器提出的压降最小、效率更好、单位速率最小。不要忘记，在SST范例的电路中使用电力电子的补充优点。同时，空载和堆芯损耗的降低也证明了SST的优越性能。考虑设计中涉及的各种参数和实际考虑;案例2，即100 VA, 100 Hz变压器具有变压器的属性，将完全适合未来的智能电网。

确认

作者要感谢泰米尔纳德邦维洛尔VIT大学电气工程学院(SELECT)对这项工作的持续指导和鼓励。

参考文献

许她;Alex Q. Huang;Rolando Burgo，“固态变压器技术及其在配电系统中的应用综述”，IEEE 2168-6777- 2013。
英德拉吉特·达斯古普塔，《变形金刚的设计》，麦格劳希尔教育(印度)私人有限公司，印度新德里。
Sawhney a.k.，《电机设计》，DhanpatRai出版社，印度。
M.G.说，“交流电机的性能和设计”，哥伦比亚广播公司出版社和分销商，德里。
H.M.Rai，《电机设计原理》，Satyaprakashan出版社，新德里。