中頻變壓器鐵心的磁-熱耦合計算與實驗
趙鵬飛1，2，黎先浩2，趙松山2，王昱皓2，成少奇3，王瑞3，趙小軍3
(1 北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；
2 首鋼智新電磁材料(遷安)股份有限公司，河北 遷安 064404；
3 華北電力大學(xué) 電力工程系，河北 保定 071003)
摘 要：基于中頻變壓器磁耦合的電力電子變壓器是新型電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝置?？紤]頻率對超薄硅鋼磁化及損耗特性的影響，基于電磁場與溫度場間接耦合的計算方法，對一臺40 kV·A/400 Hz 超薄硅鋼中頻變壓器不同頻率條件下鐵心的電磁場與溫度場分布進行求解，并開展變壓器模型的空載實驗，得到不同頻率下的空載損耗和溫升分布。通過仿真與實驗數(shù)據(jù)的比較，誤差均在允許范圍內(nèi)，驗證了磁-熱耦合分析的準(zhǔn)確性，為中頻變壓器鐵心散熱和材料選擇提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 中頻變壓器；鐵心損耗；空載損耗；電磁場；溫度場；超薄硅鋼；磁- 熱耦合
中圖分類號：TM406 ；TM432 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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
參考文獻
[1] 李子欣， 高范強， 趙聰， 等. 電力電子變壓器技術(shù)研究綜述[J]. 中國電機工程學(xué)報，2018，38(5) ：1274-1289.
[2] 趙彪，安峰，宋強，等. 雙有源橋式直流變壓器發(fā)展與應(yīng)用[J]. 中國電機工程學(xué)報，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] 劉潔葦. 高頻變壓器多物理場仿真及計算[D] . 北京：華北電力大學(xué)，2020.
[5] 梁旭. 大功率中頻變壓器多物理場計算及優(yōu)化設(shè)計[D].宜昌：三峽大學(xué)，2022.
[6] 李澤農(nóng). 雙有源橋變換器中高頻變壓器的磁芯損耗模型與實驗研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué)，2022.
[7] 陳彬，梁旭，萬妮娜，等. 中頻變壓器瞬態(tài)電磁場溫度場耦合求解分析[J] . 高電壓技術(shù)，2020，46(12) ：4400-4409.
[8] 劉潔葦，呂運強，李琳，等. 高頻變壓器磁場和溫度場的瞬態(tài)特性分析[J] . 高電壓技術(shù)，2019，45(4) ：1191-1200.
[9] 劉學(xué)來，宋永軍，金洪文. 熱工學(xué)理論基礎(chǔ)[M]. 北京：中國電力出版社，2008.
[10] 律方成，郭云翔. 非正弦激勵下中頻變壓器鐵損計算方法對比分析[J]. 高電壓技術(shù)，2017，43(3) ：808-813.
