中频变压器铁心的磁-热耦合计算与实验
赵鹏飞1，2，黎先浩2，赵松山2，王昱皓2，成少奇3，王瑞3，赵小军3
(1 北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083；
2 首钢智新电磁材料(迁安)股份有限公司，河北 迁安 064404；
3 华北电力大学 电力工程系，河北 保定 071003)
摘 要：基于中频变压器磁耦合的电力电子变压器是新型电力系统中的关键装置。考虑频率对超薄硅钢磁化及损耗特性的影响，基于电磁场与温度场间接耦合的计算方法，对一台40 kV·A/400 Hz 超薄硅钢中频变压器不同频率条件下铁心的电磁场与温度场分布进行求解，并开展变压器模型的空载实验，得到不同频率下的空载损耗和温升分布。通过仿真与实验数据的比较，误差均在允许范围内，验证了磁-热耦合分析的准确性，为中频变压器铁心散热和材料选择提供参考依据。
关键词： 中频变压器；铁心损耗；空载损耗；电磁场；温度场；超薄硅钢；磁- 热耦合
中图分类号：TM406 ；TM432 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2024)10-0053-08
Calculation and Experiment of Magnetic-Thermal Coupling of
Medium Frequency Transformer Core
ZHAO Peng-fei1, 2, LI Xian-hao2, ZHAO Song-shan2, WANG Yu-hao2, CHENG Shao-qi3, WANG Rui3, ZHAO Xiao-jun3
（1 School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;
2 Shougang Zhixin Electromagnetic Materials (Qian'an) Co., Ltd, Qian'an 064404, China;
3 Department of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China）
Abstract: Power electronic transformers based on magnetic coupling in medium frequency transformers are critical devices in new power systems. This paper considers the effect of frequency on the magnetization and loss characteristics of ultra-thin silicon steel, and uses a calculation method based on the indirect coupling of electromagnetic fields and temperature fields to solve the distribution of electromagnetic fields and temperature fields in the core of a 40 kV·A/400 Hz ultra-thin silicon steel medium frequency transformer under different frequency conditions. Furthermore, no-load experiments of the transformer model are carried out to obtain the no-load loss and temperature rise distribution under different frequencies. Through the comparison of simulation and experimental data, the errors are within allowable limits, verifying the accuracy of the magnetic-thermal coupled analysis and providing a reference basis for the heat dissipation and material selection of the core of medium frequency transformers.
Key words: medium frequency transformer; core loss; no-load loss; electromagnetic field; temperature field; ultra-thin silicon steel; magnetic-thermal coupling
参考文献
[1] 李子欣， 高范强， 赵聪， 等. 电力电子变压器技术研究综述[J]. 中国电机工程学报，2018，38(5) ：1274-1289.
[2] 赵彪，安峰，宋强，等. 双有源桥式直流变压器发展与应用[J]. 中国电机工程学报，2021，41(1) ：288-298.
[3] MA Dajun， CHEN Wu， SHU Liangcai， et al.A MMCBased Multiport Power Electronic Transformer with Shared Medium-Frequency Transformer[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅱ ：Express Briefs，2021，68(2) ：727-731.
[4] 刘洁苇. 高频变压器多物理场仿真及计算[D] . 北京：华北电力大学，2020.
[5] 梁旭. 大功率中频变压器多物理场计算及优化设计[D].宜昌：三峡大学，2022.
[6] 李泽农. 双有源桥变换器中高频变压器的磁芯损耗模型与实验研究[D]. 天津：河北工业大学，2022.
[7] 陈彬，梁旭，万妮娜，等. 中频变压器瞬态电磁场温度场耦合求解分析[J] . 高电压技术，2020，46(12) ：4400-4409.
[8] 刘洁苇，吕运强，李琳，等. 高频变压器磁场和温度场的瞬态特性分析[J] . 高电压技术，2019，45(4) ：1191-1200.
[9] 刘学来，宋永军，金洪文. 热工学理论基础[M]. 北京：中国电力出版社，2008.
[10] 律方成，郭云翔. 非正弦激励下中频变压器铁损计算方法对比分析[J]. 高电压技术，2017，43(3) ：808-813.
