船用水冷變壓器的一種設計方法與實現

艾 勝，任 強，曾啟帆

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船用水冷變壓器的一種設計方法與實現

艾 勝，任 強，曾啟帆

（海軍工程大學, 武漢430033）

本文從船用需求出發，提出了一種高功率密度水冷變壓器的設計方法，通過計算機輔助建模與仿真，完成了變壓器集成化設計。所設計的產品集成度高、功率密度高，軟件仿真結果與試驗結果吻合度較高，驗證了所提設計方法的有效性。

損耗計算 散熱分析 溫度場 流場 仿真

0 引言

電力推進系統因其振動噪聲低、效率高、易于布局等方面的明顯優勢，已經成為艦船動力發展的一種趨勢[1-2]。在數兆瓦級的中小型電力推進領域，推進系統多采用由整流變壓器、電壓源型變頻調速裝置、推進電機等設備組成的交流電力推進方案。多脈波整流技術因其對電網的諧波抑制明顯，是電力推進系統整流方案的首選。

目前，國內外對于多脈波整流技術的研究較為深入[3]，特別是對變壓器本體及其網側諧波分析的理論研究已經相當成熟：文獻[4]介紹了一種多脈波移相整流變壓器設計方法，所設計的干式變壓器滿足應用需求；文獻[5-6]介紹了24脈波牽引整流變壓器聯結組的變換設計方法，該方法已經在多脈波整流變壓器設計過程中被廣泛采用；文獻[7-8]分別針對移相整流變壓器的移相角計算與測量、繞組匝數和電流的確定展開分析計算，理論成熟，可直接應用于多脈波整流變壓器設計。

以上研究均側重于變壓器本體設計，對變壓器散熱及其系統集成設計方法鮮有文章涉及。由于船用領域對變壓器的功率密度要求較高，同時為了滿足船用使用條件，變壓器必須采用閉式水冷散熱的方式，避免直接散熱造成艙室溫度過高，影響設備及人員安全。本文從船用需求出發，提出了一種閉式水冷變壓器的設計方法，所設計的產品集成度高、功率密度高，試驗的溫升數據表明，設計完全滿足船用指標要求。

1 水冷整流變壓器設計步驟

所述船用12脈波整流器系統由軸向雙分裂式變壓器、兩個三相不控整流橋組成，電氣原理圖如圖1所示。基于上述原理的水冷變壓器產品設計方法是本文研究的重點內容。

本文以理論指導為指導，通過軟件建模仿真，充分發揮計算機輔助設計在變壓器集成化設計中的作用。目前變壓器行業普遍采用MagNet和Ansys fluent軟件分析損耗和工程化流場、溫度分析。通過MagNet進行磁場建模仿真，分別完成幾何建模、材料建模，根據穩定運行工況，分析磁場損耗，并在此基礎上建立Ansys fluent溫度分析模型，分析風速、環境溫度、關鍵點溫度，仿真流場及溫度場的穩定工作點，通過仿真核算風路及散熱設計是否滿足要求，見圖2。

需要注意的是，用Ansys fluent進行風速仿真時，模型必須與實際裝置吻合，須充分考慮引線、冷凝器、風罩、擋板、以及變壓器柜內二次回路電子元件對風阻的影響，風阻的準確度直接影響風速分析結果，對溫度場分析影響較大。

2 變壓器損耗計算

變壓器損耗精確計算是進行閉式水冷變壓器設計的首要工作，圖3列出了變壓器損耗計算主要項目，計算不是本文的重點，在完成變壓器理論計算后，須通過電場有限元分析軟件MagNet進行磁場建模仿真，驗證損耗計算的準確性，步驟如圖4。

仿真導入變壓器3D模型如圖5，為簡化分析，采用一半對稱的模型計算磁場，輸入一次和二次電流，軟件計算得出各個部分繞組損耗和鐵芯損耗，鐵心磁密有效值云圖如圖6。

3 散熱計算及風速仿真分析

由于變壓器體積小，熱流密度高，需采用強迫風冷散熱技術。變壓器柜內主要由變壓器本體、冷卻器、輔助冷卻風機及二次元件組成。冷卻器置于變壓器上部，換熱流程描述為：柜內空氣經風扇驅動，通過風道流經變壓器發熱表面，與變壓器發生熱交換，空氣被加熱；加熱的空氣循環流動至上部的空—水冷卻裝置，通過散熱器與外循環冷卻水交換熱量，空氣被冷卻；冷卻后，空氣經風道重新與變壓器進行熱交換，如此周而復始，實際空氣循環如圖7所示

散熱器的傳熱系數是散熱器設計的關鍵指標，為簡化分析，假設熱平衡時，變壓器發熱量全部被空氣吸收，取熱平衡平衡偏差5%時，水側的放熱量，空氣側放熱量，熱量交換平均值滿足：

（1）

散熱器一側為空氣側強制對流換熱，另一側為水側強制對流換熱。由于空氣側的傳熱熱阻占傳熱總熱阻的大部分，故采用熱阻分離法將空氣側換熱系數從總傳熱系數中分離出來，傳熱系數計算式為：

傳熱過程的總熱阻和分熱阻的關系式滿足：

根據以上理論計算方法，散熱器廠商可以根據變壓器損耗值、冷卻水流量及進出水溫差、空氣進出口溫差、裝置允許條件下能達到的空氣側和水側最大換熱面積等相關技術參數，完成散熱器設計，具體可參考根據傳熱學相關理論[9]。

完成散熱器設計后，需根據散熱器風量及變壓器內部風道流阻，完成散熱風扇選型，風扇的穩定工作點必須滿足設計要求。在此基礎上，建立風速仿真模型，驗證散熱風路是否滿足設計要求。

圖8 變壓器柜內風速仿真

4 溫度仿真及試驗驗證

根據計算的損耗、輸入散熱器相關參數及風速仿真結果，建立溫度仿真模型，對變壓器溫度場進行仿真，發現變壓器一次側繞組溫度較高，溫度分布圖如圖9所示。

仿真表明：變壓器一次側B相溫度較高，局部溫度達到125度，主要是由于B相位于變壓器中間，表面風速較小。根據以上設計完成變壓器制造，并進行不同工況穩定溫升試驗，試驗中變壓器測點溫度如圖10。

圖9 變壓器一次繞組溫度分布圖

試驗證明，變壓器在120 r/min的額定工況運行時，溫度最高。A相、B相和C相測溫點的溫度為106.1度、124度、104.3度。有限元溫度計算的結果：測溫點附近A相105.9度，B相118.7度，C相105.9度，誤差分別為：A相0.2度，B相5.3度，C相1.6度，精度較高。

[1] KalsiSS．Benefitsof HTS technology to ship systems[R]．Presented at IEEE ESTS Workshop，Philadelphia，PA，2005．

[2] GritterD．Ship electrical system architecture[R]．Presented at the ACES annual conference，Monterey CA，March 24，2003．

[3] 孟凡剛，楊威，楊世彥.多脈波整流技術綜述[J].電力自動化設備.2012, 32(2):9-22.

[4] 唐永珠.多脈波移相整流干式變壓器結構與設計[J].變壓器, 2008, 45(8):8-12.

[5] 王念同，魏雪亮. 24脈波牽引整流變壓器的聯結組[J].變壓器,2002, 39(6):10-11.

[6] 韓瑾.24脈波牽引整流變壓器聯結組的變換[J].變壓器,2001, 44(1):5-8.

[7] 王念同，魏雪亮.24脈波牽引整流變壓器移相角的計算與測量[J].變壓器, 2001, 38(9):8-10.

[8] 錢章福.24脈波整流和移相整流變壓器網側繞組匝數和電流的確定[J].變壓器,2005, 42(9):8-12.

[9] 戴鍋生.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1991.

Design and Implementation of A Marine Water-cooled Transformer

Ai Sheng, Ren Qiang, Zeng Qifan

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To meet the demands for a ship, a design method for implementation of a water-cooled marine transformer is presented in this paper. By the method of computer-aided modeling and simulation, anintegrated transformer is designed. The product designed by the proposed method is highly integrated with high power density. Simulation and experimental results are in good agreement, which validate the proposed design method.

loss calculation; thermal analysis; flow field; temperature field; simulation

TM422

A

1003-4862（2017）01-0001-03

2016-08-15

國家自然科學基金項目(51490681)，科技部973項目(2015CB251004)

艾勝(1985-)，男，助理研究員。研究方向：大容量電力電子變換技術。Email:438073212@qq.com