大功率高频开关电源变压器散热数值模拟

论文摘要

随着电源技术的不断发展,高频化和高功率密度化已成为开关电源系统的研究方向和发展趋势。变压器是开关电源的核心部件,并且随着频率和功率的不断提高,变压器的体积越来越小,功率密度越来越高,这就对变压器的散热提出更高要求。对于大功率高频高压变压器来说,散热与绝缘相交叉,且需在绝缘的基础上考虑散热,这就局限了变压器的散热方式,其高频高压特性使得电磁式温度检测失效,温度测量困难。近年来,随着流体计算力学与其商业软件的不断发展,使得用计算机对流场与温度场耦合进行模拟成为现实。本文首先对高频变压器系统的热仿真做理论铺垫,介绍了变压器系统的传热机理、散热方式,变压器与硅堆的生热原理,有限容积的数值计算方法、数学模型、湍流的基本模型等。在此原理与理论基础上,利用软件对变压器系统的流场和温度场进行三维数值模拟,获得系统各部分的温度场分布结果及水和变压器油的流场结果,发现变压器次级骨架对变压器热点的巨大影响,需对骨架的结构进行改进。变压器在不同放置方式下,热点存在很大差别,其中,卧放时热点温度最低,对入口水温与速度对变压器热点温度影响作了对比分析。由此完成变压器温度的预测,为变压器设计提供辅助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 热学、流体学、变压器冷却基础
• 2.1 热学基本理论
• 2.1.1 稳态与非稳态传热
• 2.1.2 热传递方式
• 2.2 流体流动方式
• 2.3 流体流动状态
• 2.4 变压器冷却技术简介
• 第三章 热源分析
• 3.1 变压器损耗
• 3.2 硅堆损耗
• 第四章 软件简介及数学模型建立
• 4.1 CFD概述
• 4.2 软件简介
• 4.2.1 软件基本介绍
• 4.2.2 软件的程序结构
• 4.2.3 软件求解问题的过程
• 4.3 数学模型的建立
• 4.3.1 CFD三大控制方程
• 4.3.2 湍流模型
• 第五章 变压器系统温度场及流场模拟
• 5.1 系统物理模型
• 5.2 模型假设
• 5.3 形成网格
• 5.4 前处理
• 5.4.1 添加材料
• 5.4.2 设置边界条件
• 5.3.3 计算方法与收敛
• 5.5 计算与收敛判断
• 5.6 结果分析
• 5.7 变压器放置方式对变压器温度的影响
• 5.8 放置方式的实验验证
• 5.9 入口水温对变压器热点温度的影响
• 5.10 水流速度对变压器热点温度的影响
• 5.11 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文