蒸發(fā)冷卻技術在高頻大功率變壓器中的應用研究

虞曉陽，汪 濤，駱仁松，阮 琳，熊 斌

（1.南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇 南京 211102；2.中國科學院電工研究所，北京 100190）

0 引言

社會經濟的飛速發(fā)展對電力電子設備能耗需求不斷提升，土地資源日益緊張和昂貴，電力電子設備的效率、功率密度要求也不斷提高，特別是在一些城市區(qū)域的智能配電網、電動汽車充電站、海上新能源送電平臺、孤島供電平臺等應用場合［1-3］。隨著設備容量的提升，無源器件體積重量大幅增加，提高開關頻率可以有效降低無源器件（特別是磁性元件）的體積。但是，在高壓隔離場景下，例如電力電子變壓器產品，隔離變壓器耐壓通常達到10 kVac 甚至更高，在較小尺寸中實現變壓器的高壓隔離，需要采用澆注樹脂等方式，變壓器繞組和磁芯因澆注樹脂包裹，損耗產生的熱量無法快速傳導至表面，變壓器的散熱問題成為制約電力電子設備功率密度提升的關鍵問題［4-7］。

蒸發(fā)冷卻散熱系統(tǒng)結構設計簡單，不需要循環(huán)泵等冷卻設備，散熱效率高，溫度分布均勻，運行和維護成本較低［8-9］。目前，蒸發(fā)冷卻技術在變頻器等功率模塊［10-11］，特別是高速列車牽引變流器功率器件［12］和變壓器［13］、直流換流閥單元模塊［14］、環(huán)網控制裝置［15］、開關電源［16］等行業(yè)領域得到深入研究和廣泛應用。因此，蒸發(fā)冷卻技術為解決高頻大功率變壓器散熱問題、提升功率密度提供了解決思路［17-20］。

電力電子變壓器在電力系統(tǒng)中應用越來越廣泛［21］，本文以電力電子變壓器產品為研究對象，以高功率密度為研究目標，應用蒸發(fā)冷卻技術，設計U型蒸發(fā)器以解決電力電子設備的高頻大功率變壓器散熱問題。

1 電力電子變壓器系統(tǒng)設計

電力電子變壓器產品常用雙有源橋（Dual Active Bridge，DAB）電路拓撲［22-23］，該拓撲主要由高壓側逆變電路、移相電感、變壓器、低壓側逆變電路組成，如圖1所示。

圖1 雙有源橋電路拓撲Fig.1 Dual active bridge circuit topology

本文設計了1臺DAB模組，其參數如表1所示，其變壓器功率密度要求達到10 kW/L。

本文設計的變壓器采用芯式結構，繞組采用同心結構，如圖2所示。芯式變壓器被繞組包裹，磁芯散熱條件差，繞組暴露在磁芯外圍，電磁干擾及漏電感較大，但是芯式結構更有利于繞組的散熱。為了提高繞組與磁芯以及繞組間的絕緣水平，繞組采用樹脂澆筑，采用同心繞組結構，有利于增大繞組間的耦合程度，減少漏磁。

圖2 高頻大功率變壓器結構Fig.2 Structure of high-frequency high-power transformer

根據變壓器結構，結合應用需求，建立變壓器仿真模型，設計變壓器仿真模型剖面圖如圖3所示，圖3（a）為變壓器正面剖視圖，圖3（b）為變壓器俯視剖視圖。

圖3 變壓器剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of transformer profile

變壓器的熱功率和材料性質如表2所示。

表2 變壓器材料導熱率及熱功率Table 2 Thermal conductivity and thermal power of transformer materials

在此環(huán)境及熱功率條件下，自然冷卻仿真得到變壓器磁芯溫升高達到135 ℃，變壓器繞組溫升也超過120 K。繞組溫升很高，會造成樹脂絕緣加速老化；磁芯由于繞組的包裹，溫升更高，可能出現高溫消磁，造成變壓器功能失效，威脅設備安全運行［24-28］。

2 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設計

為了解決高頻大功率變壓器的散熱問題，本文根據變壓器磁芯形狀，設計了U型蒸發(fā)器為換熱元件，并設計了常溫自循環(huán)蒸發(fā)冷卻來實現變壓器的散熱，系統(tǒng)示意圖如圖4所示。其中，U型蒸發(fā)器的板材為鋁，導熱率為200 W/（m·K），內部流道的截面尺寸為17 mm×3 mm，循環(huán)工質為FC-72 氟化液，冷凝器樣機按照系統(tǒng)級設計，總體尺寸為550 mm×370 mm×60 mm，標稱換熱面積3.23 m2，散熱功率遠遠大于單個變壓器熱功耗（330 W）。

圖4 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)Fig.4 Evaporative cooling system

根據設計方案建立變壓器-換熱器系統(tǒng)裝置的幾何模型，由于U型蒸發(fā)器的尺寸較小，因此在計算變壓器系統(tǒng)整體溫升時，對U 型蒸發(fā)器作簡化處理。計算區(qū)域共兩部分，分別為除去U 型蒸發(fā)器外的整體變壓器系統(tǒng)（如圖2所示），以及U型蒸發(fā)器流道模型（如圖5所示）。為了方便分析，在Z-X與Y-X方向等間距截3個面。

圖5 U型蒸發(fā)器計算區(qū)域Fig.5 Calculation area of U-type evaporator

研究思路為：首先，計算整體變壓器系統(tǒng)的傳熱過程，即利用給定的熱源功率與邊界條件計算出U 型換熱器所帶走的全部熱量Q；其次，將Q作為U型蒸發(fā)器的計算熱流邊界，進行U型管內部的相變與傳熱模擬。

在進行數值模擬時，其邊界條件主要包括：進口邊界條件、出口邊界條件、內部流體邊界條件、壁面邊界等［28］。各邊界及初始條件如下：

1） 變壓器系統(tǒng)計算區(qū)域邊界條件

對于整個變壓器系統(tǒng)的外表面采用自然對流換熱邊界，換熱系數為15 W/（m2·K），環(huán)境溫度為25 ℃；

在整個系統(tǒng)中磁芯的發(fā)熱功率為8×104W/m3，繞組的發(fā)熱總功率為4.5×104W/m3；

由于實驗中U型蒸發(fā)段的平穩(wěn)溫度為52 ℃，因此U型蒸發(fā)器與繞組和磁芯的接觸面設置為固定溫度邊界，T=325.15 K。

2） U型蒸發(fā)器流道模型邊界條件

① 進口邊界采用Pressure-inlet，位于U 型蒸發(fā)器進口處，壓力值默認為1 000 Pa，并假設入口壓力均勻分布；

② 出口采用充分發(fā)展的自由流動邊界Pressureoutlet，壓力默認為0 Pa；

③ U型蒸發(fā)器的進出口管道外壁設置為自然對流邊界，換熱系數為15 W/（m2·K），環(huán)境溫度為25 ℃；

④ U 型蒸發(fā)器的內外壁面均設置為熱流邊界，熱流量Q（W/m2）由整體傳熱模擬中的總發(fā)熱功率減去對流換熱所帶走的熱量除以蒸發(fā)器面積所得到的。

模擬時假設氣流為熱態(tài)且不可壓，所采用的計算模型為流體力學中RNGk-ε雙方程模型，湍流動能方程k如式（1）所示，湍流耗散率方程ε如式（2）所示：

式（1）、式（2）中，ρ表示流體密度，t表示時間，xi、xj分別是x方向的位置，ui為xi方向的速度；C1ε、C2ε、C3ε是常量，αk和αε是k方程和ε方程的湍流反作用普朗特數，Sk和Sε是用戶定義數據；Gk表示平均速度梯度產生的湍流動能，Gb表示由浮力產生的湍流動能，YM表示壓縮湍流中由于流體膨脹產生的湍流動能；k、ε值根據進口速度及進口尺寸和氣體特性計算得到。

3 蒸發(fā)冷卻換熱仿真

3.1 高頻大功率變壓器換熱仿真

對整體系統(tǒng)的流場進行模擬并分析比較，在25 ℃環(huán)境溫度下，圖6為整體溫度分布，可以看出變壓器表面的整體溫度分布范圍為37 ℃～97 ℃，主要高溫區(qū)域集中于熱源體內部。

圖6 變壓器系統(tǒng)溫度分布Fig.6 Temperature distribution of transformer system

圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）分別是系統(tǒng)Z-X 方向上、中、下3 部分截面溫度分布圖，截面溫度分布呈中間對稱形式，截面最大溫度約為97 ℃，最小溫度值約為39 ℃。外圍的環(huán)氧樹脂溫度最低，從外圍環(huán)氧樹脂通過繞組，向中間磁芯，溫度慢慢升高，中間磁芯的溫度最高。就繞組而言，外側繞組溫度較低，約為47 ℃，內側繞組較高約為92 ℃，對于溫度較高的磁芯而言，溫度從上而下逐漸降低；對于溫度較低的環(huán)氧樹脂而言，中間位置處溫度較高，上下部分位置處溫度較低。

圖7 系統(tǒng)Z-X方向三個截面溫度分布Fig.7 Temperature distribution of three sections in the Z-X direction of the system

圖8（a）、圖8（b）、圖8（c）分別是系統(tǒng)X-Y方向前、中、后三部分截面溫度分布圖，截面溫度分布呈左右對稱形式，截面最大溫度約為97 ℃，最小溫度值約為37 ℃，系統(tǒng)X-Y 方向中間位置處溫度較高，前后部分位置處溫度略低，中間截面的磁芯溫度最高，平均溫度約為92 ℃，U型蒸發(fā)器未覆蓋的下部區(qū)域磁芯底部溫度最高，磁芯頂部次之，中間被U型蒸發(fā)器覆蓋的部分溫度最低。就繞組而言，磁芯窗口內部繞組溫度較高，越接近磁芯溫度越高；磁芯窗口外部繞組溫度較低，越遠離磁芯溫度越低，外圍的環(huán)氧樹脂溫度最低，約為37 ℃。

圖8 系統(tǒng)X-Y方向3個位置截面溫度分布Fig.8 Temperature distribution of three sections in the X-Y direction of the system

整個計算區(qū)域內的自然對流換熱量，如式（3）所示。

式（3）中，h為自然對流換熱系數，計算中取值為15 W/（m2·K），A1為整個表面與空氣側的接觸面積，本計算工況中為0.31 m2。T1為變壓器表面的平均溫度，T2為空氣溫度，即25 ℃。由于變壓器表面的溫度分布有差異性，因此取平均溫度44.5 ℃作為標準值。所以Q1計算為

從而可以得到U 型蒸發(fā)器所帶走的熱量Q0=Q2-Q1，這里Q2為體熱源發(fā)熱量，為340 W，因此Q0計算為250 W。

3.2 U型蒸發(fā)器溫度分布

在上一部分里已經求得U 型蒸發(fā)器所帶走熱量Q0=250 W，蒸發(fā)器上下壁面的加熱熱流密度為Q0/A2，其中A2為蒸發(fā)器面積，即0.016 6 m2，因此，計算出的蒸發(fā)器邊界熱流密度為15 060 W/m2。從圖9 中看出，U型蒸發(fā)器回液管、集氣管的進口部分的溫度最低，約為58 ℃，而流道邊界處出現了局部高溫點，最高處溫度達到119 ℃。但總體而言，整個蒸發(fā)器內部溫度分布較為平均，維持在91 ℃左右，體現出了蒸發(fā)冷卻中相變過程所導致的均溫性。

圖9 U型蒸發(fā)器溫度分布Fig.9 Temperature distribution of U-type evaporator

4 變壓器蒸發(fā)冷卻實驗驗證

本文搭建了1 臺雙有源橋電力電子變壓器樣機，高頻大功率變壓器容量為170 kVA，采用U 型蒸發(fā)器冷卻散熱，體積約16 L，功率密度超過10 kW/L，樣機照片如圖10所示，磁芯和繞組內部布置測溫熱電偶。

圖10 裝有U型蒸發(fā)器的高頻大功率變壓器Fig.10 High-frequency high-power transformer with U-type evaporator

在環(huán)溫25 ℃，當變壓器170 kVA 滿載運行時，如圖11和表3所示，熱成像儀指示最高溫度出現在變壓器磁芯側面無蒸發(fā)器覆蓋的區(qū)域，最高溫度96.4 ℃，溫升71.4 K；熱電偶測溫磁芯內部測點溫升69 K；實驗數據與仿真磁芯溫升數據72 K 相接近。熱電偶測溫繞組內部測點溫升59 K，可能由于預埋測點位置偏差，與仿真繞組最高溫升數據67 K略有差異。

表3 變壓器熱仿真及實驗驗證溫升對比Table 3 Transformer thermal simulation and temperature rise comparison of experimental verification

圖11 變壓器功率運行溫度分布Fig.11 Temperature distribution of transformer power operation

綜合仿真和實驗數據考慮，應用U 型蒸發(fā)器的高頻大功率變壓器達到了10 kW/L 功率密度設計要求，溫升水平滿足應用要求，驗證了系統(tǒng)設計的合理性、理論仿真和實驗驗證的一致性。

5 結語

本文針對應用于電力電子變壓器場合的高頻大功率變壓器，針對芯式結構變壓器，選用U型蒸發(fā)器為換熱原件，解決了變壓器散熱問題，實現了變壓器功率密度10 kW/L的設計目標。本文設計了常溫自循環(huán)蒸發(fā)冷卻來實現變壓器的散熱，計算了整體變壓器系統(tǒng)的傳熱過程，驗證了蒸發(fā)冷卻中相變過程的均溫性。最后，本文給出了150 kW 樣機的實驗數據，驗證了仿真設計研究的正確性。