一种适用于电力电子变压器的高频大功率水冷变压器
阅读说明：本技术 一种适用于电力电子变压器的高频大功率水冷变压器 (High-frequency high-power water-cooled transformer suitable for power electronic transformer ) 是由 范建华 徐鹏飞 王庆园 于晓强 韩长忠 谢堂林 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电力系统技术领域,具体公开了一种适用于电力电子变压器的高频大功率水冷变压器,其技术方案包括初级绕组(1),次级绕组(2),铁芯(3),绝缘材料(4),连接、支撑结构(5)。其中初级绕组(1)和次级绕组(2)中至少有一个绕组使用带有冷却水道的利兹线(6),其中带有冷却水道的利兹线用于降低变压器的高频损耗,并且通过使用冷却水可以使线圈保持较低的运行温度,降低由于温度升高导致的导线电阻增加引起的额外损耗,提高变压器的安全性,本发明的变压器能满足高频大功率电源对变压器的要求,并且具有损耗小、温升低、可靠性高等优点。(The invention relates to the technical field of power systems, and particularly discloses a high-frequency high-power water-cooled transformer suitable for a power electronic transformer, which comprises a primary winding (1), a secondary winding (2), an iron core (3), an insulating material (4) and a connecting and supporting structure (5). The transformer has the advantages that the requirement of a high-frequency high-power supply on the transformer can be met, the loss is small, the temperature rise is low, the reliability is high, and the like.)
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种适用于电力电子变压器的高频大功率水冷变压器。
背景技术
传统工频变压器具有能耗高、波形易畸变、故障响应速度慢等缺点，已无法满足建设坚强智能电网的需求。电力电子变压器克服了工频变压器的上述缺点，且具有多端口输出、能量双向流动等优点，受到越来越多人的关注。高频变压器是电力电子变压器的主要器件，然而受限于绕组材料在高频下的损耗、散热等问题，高频变压器的功率很难做大。
目前高频变压器主要绕组材料为：利兹线、铜管或者铜箔。
对于大功率高频变压器，为了保证合适的载流量，需要使用股数很多的利兹线，绞合时各漆包线的位置会出现不一致的情况，同时外径比较粗，导线内部和外部的散热条件相差很多，内部温升明显高于外部，易出现内部漆包线过温，漆膜损坏，导致漆包线间产生粘连，失去利兹线降低高频电阻的意义。
使用铜管制作绕组的方式，当铜管的壁厚大于趋肤深度时，电流只在铜管表面流动，为了保证足够的载流量需要使用很粗的铜管，同时铜管本身硬度比较高，不易使用，如制作过程产生大角度的弯折会致使管道产生不可恢复的损坏。如使用铜箔作为绕组，层叠的方式，高频下临近效应会凸显，导致损耗升高，且每层铜箔间都需要加入绝缘纸做绝缘，导致散热变差，温升过高。
本专利中的带有冷却水道的利兹线(6)，冷却水道(7)采用1～3层无缝软性绝缘材料，然后以此为圆心使用多股单根线径为0.05～0.5mm的漆包线(8)经过复绞而成。冷却水道是软性材质，线材使用较细的漆包铜线，成品具有很好的柔软性，易于使用。围绕冷却水道绞合，保证了各单股线处于对称位置，有利于减小高频损耗，同时方便散热。用此种线做成的变压器具有损耗小、温升低、可靠性高等优点。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种适用于电力电子变压器的高频大功率水冷变压器，通过采用带有冷却水道的利兹线作为变压器绕组的方式，降低了变压器的损耗及温升，从而制成具有损耗小、温升低、可靠性高等优点的变压器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现，一种适用于电力电子变压器的高频大功率水冷变压器，包括初级绕组，次级绕组，铁芯，绝缘材料，连接和支撑结构，其中：
初级绕组，连接电路中能量输入端，接收输入电压和电流；
次级绕组，连接电路中能量输出端，输出电压和电流；
初级绕组(1)和次级绕组(2)至少有一处使用带有冷却水道的利兹线(6)缠绕；初级绕组(1)或次级绕组(2)未采用带有冷却水道的利兹线(6)时，可以根据使用环境，选用不带冷却水道的利兹线(6)、铜箔或铝箔缠绕；
铁芯，变压器磁通的主要路径，用于耦合变压器初级绕组和次级绕组，实现功率传输，该铁芯使用铁氧体磁芯或者纳米晶磁芯；
绝缘材料，包括用于变压器初级绕组内，次级绕组内，初级、次级绕组间的绝缘包覆所使用的材料；
连接和支撑结构，将铜端子与经过脱漆处理的利兹线通过压接、焊接的方式连接，作为变压器的出线端子；使用配套的水道头与冷却水道的进出口连接形成进出水道口。
带有冷却水道的利兹线的水道采用1～3层无缝软性绝缘材料为圆心，并使用多股单根线径为0.05～0.5mm的漆包线经过复绞而成。
进一步地，冷却水道采用铁氟龙或者硅橡胶材质，可加厚管壁或使用多层管保证水道的密闭性。
进一步地，先使用一定股数的漆包线通过自由绞合的方式绞合成绞合线，然后将3～7股绞合线再次绞制，形成复绞线，最后将复绞线以冷却水道为圆心绞制，制成带有冷却水道的利兹线。
进一步地，将带有冷却水道的利兹线和绝缘材料绕制成线圈，作为变压器的绕组，通过连接、支撑结构将变压器的绕组、铁芯、绝缘材料组合成高频大功率变压器。
本发明的有益技术效果：采用带有冷却水道的利兹线作为变压器的绕组，使得各根漆包线的位置对称性较好，降低了变压器的交流电阻，降低了变压器的高频损耗，同时绕组内部有冷却水道，可以将绕组内部的热量带走，降低绕组内部的温升，增加变压器的可靠性，减小绕组因温度升高，引起的电阻增加而产生的额外损耗，进一步减小变压器损耗。使得变压器具有损耗小、温升低、可靠性高等优点。
附图说明
图1是本发明适用于电力电子变压器的高频大功率水冷变压器的结构示意图。
图2是本发明适用于电力电子变压器的高频大功率水冷变压器的带有冷却水道利兹线的结构示意图。
图3是次级使用带有冷却水道的利兹线的高频大功率水冷变压器的结构示意图。
附图标号：1为初级绕组，2为次级绕组，3为铁芯，4为绝缘材料，5为连接、支撑结构，6为带有冷却水道的利兹线，7为冷却水道，8为单芯漆包线，9为多股漆包线经过绞合形成的绞合线，10为绞合线经过复绞形成的复绞线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1所示，一种适用于电力电子变压器的高频大功率水冷变压器，包括1为初级绕组，2为次级绕组，3为铁芯，4为绝缘材料，5为连接和支撑结构，6为带有冷却水道的利兹线，7为冷却水道。所述变压器初级绕组1和次级绕组2都使用带有冷却水道的利兹线6，具体的将带有冷却水道的利兹线6绕制在一个直径为70mm的圆筒骨架上，绕制20圈，作为变压器的次级绕组2。将带有冷却水道的利兹线6绕制在一个直径为140mm的圆筒骨架上，绕制20圈，作为变压器的初级绕组1。对于初级绕组1和次级绕组2在出线位置将水道7和漆包铜线分离，对漆包铜线进行脱漆操作，通过压接、焊接操作将铜线与铜端子连接，作为变压器的出线端子；使用配套的水道头与冷却水道的水道连接形成进出水道道口。通过将初级绕组使用环氧树脂灌封形成具有高防护、强绝缘、易固定的线圈结构。通过变压器底座，边夹板等连接、支撑结构5将变压器的绕组、铁芯3、绝缘材料4组合成高频大功率变压器。
此高频变压器的初级和次级都采用带有冷却水道的利兹线，通过配套的水道接口与冷却水连接，工作时冷却水可以将利兹线的热量带走，从而降低了绕组的温度，极大的提高了变压器的可靠性。
类似的，如果初级绕组与次级绕组需要实现高压绝缘，冷却水可能会成为导电路径，导致初级绕组与次级绕组的绝缘失效，为保证电气绝缘的高可靠行，依照绕组电流的大小及工作频率可以将其中一个绕组换成不带水道利兹线、铜箔或者铝箔。如图3所示，是次级使用带有冷却水道的利兹线，初级使用不带冷却水道利兹线的高频大功率水冷变压器。具体的将带有冷却水道的利兹线6绕制在一个直径为70mm的圆筒骨架上，绕制20圈，作为变压器的次级绕组2。将不带带有冷却水道的利兹线11绕制在一个直径为140mm的圆筒骨架上，绕制20圈，作为变压器的初级绕组1。对于初级绕组1在出线位置对漆包铜线进行脱漆操作，通过压接、焊接操作将铜线与铜端子连接，作为变压器的初级出线端子；对于次级绕组2在出线位置将水道7和漆包铜线分离，对漆包铜线进行脱漆操作，通过压接、焊接操作将铜线与铜端子连接，作为变压器的次级出线端子；使用配套的水道头与冷却水道的水道连接形成进出水道道口。通过将初级绕组使用环氧树脂灌封形成具有高防护、强绝缘、易固定的线圈结构。通过变压器底座，边夹板等连接、支撑结构5将变压器的绕组、铁芯3、绝缘材料4组合成高频大功率变压器。
如图2所示，一种带有冷却水道的利兹线，其中8为单芯漆包线，使用铜线直径为0.1mm的漆包线，9为多股漆包线经过绞合形成的绞合线，使用100股0.1mm的漆包线绞合而成，10为用5股绞合线经过绞合形成的复绞线，6为9股复绞线以冷却水道7为圆心绕制而成的带有冷却水道的利兹线，其中冷却水道使用的是外径为6.5mm，内径为4.5mm的特氟龙软管。
上述实施方式中，本发明的一种高频大功率水冷变压器应用到电力电子变压器领域，作为其他实施方式，也可以应用到交直流配电网、电力电子技术和电力系统领域。
上述实施方式中，本发明的大功率水冷变压器应用到高频变压器上，作为其他实施方式，也可以应用到低频变压器和中频变压器上。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。
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