船用水冷变压器的一种设计方法与实现

艾 胜，任 强，曾启帆



船用水冷变压器的一种设计方法与实现

艾 胜，任 强，曾启帆

（海军工程大学, 武汉430033）

本文从船用需求出发，提出了一种高功率密度水冷变压器的设计方法，通过计算机辅助建模与仿真，完成了变压器集成化设计。所设计的产品集成度高、功率密度高，软件仿真结果与试验结果吻合度较高，验证了所提设计方法的有效性。

损耗计算 散热分析 温度场 流场 仿真

0 引言

电力推进系统因其振动噪声低、效率高、易于布局等方面的明显优势，已经成为舰船动力发展的一种趋势[1-2]。在数兆瓦级的中小型电力推进领域，推进系统多采用由整流变压器、电压源型变频调速装置、推进电机等设备组成的交流电力推进方案。多脉波整流技术因其对电网的谐波抑制明显，是电力推进系统整流方案的首选。

目前，国内外对于多脉波整流技术的研究较为深入[3]，特别是对变压器本体及其网侧谐波分析的理论研究已经相当成熟：文献[4]介绍了一种多脉波移相整流变压器设计方法，所设计的干式变压器满足应用需求；文献[5-6]介绍了24脉波牵引整流变压器联结组的变换设计方法，该方法已经在多脉波整流变压器设计过程中被广泛采用；文献[7-8]分别针对移相整流变压器的移相角计算与测量、绕组匝数和电流的确定展开分析计算，理论成熟，可直接应用于多脉波整流变压器设计。

以上研究均侧重于变压器本体设计，对变压器散热及其系统集成设计方法鲜有文章涉及。由于船用领域对变压器的功率密度要求较高，同时为了满足船用使用条件，变压器必须采用闭式水冷散热的方式，避免直接散热造成舱室温度过高，影响设备及人员安全。本文从船用需求出发，提出了一种闭式水冷变压器的设计方法，所设计的产品集成度高、功率密度高，试验的温升数据表明，设计完全满足船用指标要求。

1 水冷整流变压器设计步骤

所述船用12脉波整流器系统由轴向双分裂式变压器、两个三相不控整流桥组成，电气原理图如图1所示。基于上述原理的水冷变压器产品设计方法是本文研究的重点内容。

本文以理论指导为指导，通过软件建模仿真，充分发挥计算机辅助设计在变压器集成化设计中的作用。目前变压器行业普遍采用MagNet和Ansys fluent软件分析损耗和工程化流场、温度分析。通过MagNet进行磁场建模仿真，分别完成几何建模、材料建模，根据稳定运行工况，分析磁场损耗，并在此基础上建立Ansys fluent温度分析模型，分析风速、环境温度、关键点温度，仿真流场及温度场的稳定工作点，通过仿真核算风路及散热设计是否满足要求，见图2。

需要注意的是，用Ansys fluent进行风速仿真时，模型必须与实际装置吻合，须充分考虑引线、冷凝器、风罩、挡板、以及变压器柜内二次回路电子元件对风阻的影响，风阻的准确度直接影响风速分析结果，对温度场分析影响较大。

2 变压器损耗计算

变压器损耗精确计算是进行闭式水冷变压器设计的首要工作，图3列出了变压器损耗计算主要项目，计算不是本文的重点，在完成变压器理论计算后，须通过电场有限元分析软件MagNet进行磁场建模仿真，验证损耗计算的准确性，步骤如图4。

仿真导入变压器3D模型如图5，为简化分析，采用一半对称的模型计算磁场，输入一次和二次电流，软件计算得出各个部分绕组损耗和铁芯损耗，铁心磁密有效值云图如图6。

3 散热计算及风速仿真分析

由于变压器体积小，热流密度高，需采用强迫风冷散热技术。变压器柜内主要由变压器本体、冷却器、辅助冷却风机及二次元件组成。冷却器置于变压器上部，换热流程描述为：柜内空气经风扇驱动，通过风道流经变压器发热表面，与变压器发生热交换，空气被加热；加热的空气循环流动至上部的空—水冷却装置，通过散热器与外循环冷却水交换热量，空气被冷却；冷却后，空气经风道重新与变压器进行热交换，如此周而复始，实际空气循环如图7所示

散热器的传热系数是散热器设计的关键指标，为简化分析，假设热平衡时，变压器发热量全部被空气吸收，取热平衡平衡偏差5%时，水侧的放热量，空气侧放热量，热量交换平均值满足：

（1）

散热器一侧为空气侧强制对流换热，另一侧为水侧强制对流换热。由于空气侧的传热热阻占传热总热阻的大部分，故采用热阻分离法将空气侧换热系数从总传热系数中分离出来，传热系数计算式为：

传热过程的总热阻和分热阻的关系式满足：

根据以上理论计算方法，散热器厂商可以根据变压器损耗值、冷却水流量及进出水温差、空气进出口温差、装置允许条件下能达到的空气侧和水侧最大换热面积等相关技术参数，完成散热器设计，具体可参考根据传热学相关理论[9]。

完成散热器设计后，需根据散热器风量及变压器内部风道流阻，完成散热风扇选型，风扇的稳定工作点必须满足设计要求。在此基础上，建立风速仿真模型，验证散热风路是否满足设计要求。

图8 变压器柜内风速仿真

4 温度仿真及试验验证

根据计算的损耗、输入散热器相关参数及风速仿真结果，建立温度仿真模型，对变压器温度场进行仿真，发现变压器一次侧绕组温度较高，温度分布图如图9所示。

仿真表明：变压器一次侧B相温度较高，局部温度达到125度，主要是由于B相位于变压器中间，表面风速较小。根据以上设计完成变压器制造，并进行不同工况稳定温升试验，试验中变压器测点温度如图10。

图9 变压器一次绕组温度分布图

试验证明，变压器在120 r/min的额定工况运行时，温度最高。A相、B相和C相测温点的温度为106.1度、124度、104.3度。有限元温度计算的结果：测温点附近A相105.9度，B相118.7度，C相105.9度，误差分别为：A相0.2度，B相5.3度，C相1.6度，精度较高。

[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] 孟凡刚，杨威，杨世彦.多脉波整流技术综述[J].电力自动化设备.2012, 32(2):9-22.

[4] 唐永珠.多脉波移相整流干式变压器结构与设计[J].变压器, 2008, 45(8):8-12.

[5] 王念同，魏雪亮. 24脉波牵引整流变压器的联结组[J].变压器,2002, 39(6):10-11.

[6] 韩瑾.24脉波牵引整流变压器联结组的变换[J].变压器,2001, 44(1):5-8.

[7] 王念同，魏雪亮.24脉波牵引整流变压器移相角的计算与测量[J].变压器, 2001, 38(9):8-10.

[8] 钱章福.24脉波整流和移相整流变压器网侧绕组匝数和电流的确定[J].变压器,2005, 42(9):8-12.

[9] 戴锅生.传热学[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

国家自然科学基金项目(51490681)，科技部973项目(2015CB251004)

艾胜(1985-)，男，助理研究员。研究方向：大容量电力电子变换技术。Email:438073212@qq.com