電力電子變壓器作為一種高度可控的新型變電裝備，可滿足智能電網(wǎng)中大規(guī)模光伏接入和海上風(fēng)電并網(wǎng)對變壓器高功率密度、輕量化和高可控性的需求。高頻變壓器作為電力電子變壓器的核心電磁元件，與同容量工頻變壓器相比，具有更小的體積。但隨著對大容量、高效率、高功率密度需求的日益提高，高頻變壓器的損耗和溫升問題也變得尤為重要。國內(nèi)外許多學(xué)者針對高頻變壓器鐵心損耗進(jìn)行了多方面的研究，主要集中在材料磁特性、鐵心損耗準(zhǔn)確計(jì)算及整機(jī)鐵耗分析三方面。缺乏對計(jì)及鐵心結(jié)構(gòu)影響下變壓器鐵心損耗分布特性的分析。目前在大容量高頻變壓器的設(shè)計(jì)中，對于鐵心結(jié)構(gòu)的選擇一般是依靠設(shè)計(jì)人員的工程經(jīng)驗(yàn)選擇，并沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而常見的高頻變壓器鐵心結(jié)構(gòu)包括U型、O型和E型，在一些工程實(shí)踐中還出現(xiàn)了三角形鐵心結(jié)構(gòu)的高頻變壓器。因此，研究不同鐵心結(jié)構(gòu)下高頻變壓器鐵心損耗分布特性就成為大容量高頻變壓器設(shè)計(jì)面臨的關(guān)鍵問題。鄧思影等研究人員以容量相同的U型、三角形和O型高頻變壓器用納米晶鐵心為研究對象，建立了場-路耦合有限元計(jì)算模型，分析了空載運(yùn)行時(shí)三種結(jié)構(gòu)鐵心不同位置的磁密隨時(shí)間變化情況，揭示了不同結(jié)構(gòu)鐵心損耗密度分布規(guī)律。同時(shí)，分析了拐角內(nèi)徑對拐角區(qū)域損耗分布特性的影響，并進(jìn)一步比較了由于鐵心損耗分布特性帶來的鐵心局部熱點(diǎn)溫度。研究成果為大容量高頻變壓器鐵心結(jié)構(gòu)選擇及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要參考。
1. 不同結(jié)構(gòu)納米晶鐵心典型位置磁密分析針對容量20kVA，工作頻率10kHz的納米晶鐵心，對比700V方波激勵(lì)下U型、三角形和O型鐵心的磁密分布特性。U型和三角形鐵心模型構(gòu)建需考慮拐角，分別如圖1(a）和2(b）所示。
圖3 三角形鐵心不同位置磁密分別隨時(shí)間和距離變化曲線
鐵耗主要取決于工作磁密幅值和頻率，但在鐵心拐角處的磁密明顯高于工作磁密，且呈現(xiàn)出不均勻分布。因此，為準(zhǔn)確分析鐵心不同位置鐵耗，研究人員除了工作磁密，還對典型位置的磁密變化特點(diǎn)進(jìn)行分析，并且對U型、三角形和O型鐵心剖分網(wǎng)格圖以及利用有限元計(jì)算得到了某時(shí)刻磁密分布情況，U型鐵心拐角和鐵心柱區(qū)域不同位置磁密分別隨時(shí)間和距離變化的曲線圖，如圖2、3所示。
2. 不同結(jié)構(gòu)納米晶鐵心典型位置損耗分析為便于分析，研究人員對鐵心拐角和鐵心柱建立參考坐標(biāo)系，選取典型位置分別進(jìn)行沿徑向方向和切向方向的損耗密度分析；并且對三角形鐵心、O型鐵心徑向和切向不同位置的損耗密度進(jìn)行分析。見圖4、5。
圖4 三角形鐵心徑向和切向不同位置損耗密度分布
進(jìn)一步研究U型和三角形鐵心損耗分布，研究人員還對鐵心拐角進(jìn)行區(qū)域劃分，然后計(jì)算分析不同區(qū)域的鐵耗分布情況。
3. 拐角內(nèi)徑對鐵心局部損耗特性的影響為進(jìn)一步研究拐角內(nèi)徑對鐵心局部損耗特性的影響，在保證同一結(jié)構(gòu)鐵心的繞組結(jié)構(gòu)、鐵心截面積和等效磁路長度一致的前提下，研究人員對U型和三角形鐵心分別建立隨拐角內(nèi)徑變化的參數(shù)化掃描模型，然后計(jì)算不同內(nèi)徑下的鐵心磁密與損耗密度。
最后，為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，研究人員對前述U型、三角形和O型三種納米晶鐵心進(jìn)行了空載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三角形鐵心空載損耗最大，U型次之，O型最小，與仿真模型的空載損耗所得規(guī)律一致。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差可能源于有限元計(jì)算時(shí)單元離散帶來的誤差，同時(shí)材料偏差以及鐵心制造工藝差異性也會給仿真結(jié)果帶來一定的誤差，但兩者整體趨勢一致，也可以驗(yàn)證文中理論分析和仿真結(jié)果的正確性與有效性。通過以上的實(shí)驗(yàn)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)：O型鐵心損耗密度分布較均勻，U型和三角形鐵心損耗密度最大值均位于內(nèi)拐角中間位置，工作磁密為0.26 T時(shí)，其值分別約為鐵心柱區(qū)域單位質(zhì)量損耗5.2倍和3.5倍。在U型和三角形鐵心拐角區(qū)域，徑向方向上，磁密先迅速下降后平緩下降；切向方向上，磁密先增大后減小，但整體變化程度較??；當(dāng)U型和三角形鐵心拐角內(nèi)徑分別大于6mm和15mm時(shí)，能夠顯著降低拐角區(qū)域的局部損耗密度。U型、三角形和O型鐵心空載損耗分別為19.3 W、32.1 W和13.7 W，與仿真結(jié)果規(guī)律一致；U型和三角形鐵心，拐角處局部熱點(diǎn)溫度最高分別為46.5℃和55.2℃，明顯高于鐵心的最高平均溫度42.8℃和50.8℃，O型鐵心局部熱點(diǎn)與平均溫度最高分別為35.0℃和33.6℃，兩者差異較小。來源：《不同納米晶鐵心結(jié)構(gòu)下高頻變壓器空載鐵耗特性》
1. 不同結(jié)構(gòu)納米晶鐵心典型位置磁密分析針對容量20kVA，工作頻率10kHz的納米晶鐵心，對比700V方波激勵(lì)下U型、三角形和O型鐵心的磁密分布特性。U型和三角形鐵心模型構(gòu)建需考慮拐角，分別如圖1(a）和2(b）所示。
圖3 三角形鐵心不同位置磁密分別隨時(shí)間和距離變化曲線
鐵耗主要取決于工作磁密幅值和頻率，但在鐵心拐角處的磁密明顯高于工作磁密，且呈現(xiàn)出不均勻分布。因此，為準(zhǔn)確分析鐵心不同位置鐵耗，研究人員除了工作磁密，還對典型位置的磁密變化特點(diǎn)進(jìn)行分析，并且對U型、三角形和O型鐵心剖分網(wǎng)格圖以及利用有限元計(jì)算得到了某時(shí)刻磁密分布情況，U型鐵心拐角和鐵心柱區(qū)域不同位置磁密分別隨時(shí)間和距離變化的曲線圖，如圖2、3所示。
2. 不同結(jié)構(gòu)納米晶鐵心典型位置損耗分析為便于分析，研究人員對鐵心拐角和鐵心柱建立參考坐標(biāo)系，選取典型位置分別進(jìn)行沿徑向方向和切向方向的損耗密度分析；并且對三角形鐵心、O型鐵心徑向和切向不同位置的損耗密度進(jìn)行分析。見圖4、5。
圖4 三角形鐵心徑向和切向不同位置損耗密度分布
進(jìn)一步研究U型和三角形鐵心損耗分布，研究人員還對鐵心拐角進(jìn)行區(qū)域劃分，然后計(jì)算分析不同區(qū)域的鐵耗分布情況。
3. 拐角內(nèi)徑對鐵心局部損耗特性的影響為進(jìn)一步研究拐角內(nèi)徑對鐵心局部損耗特性的影響，在保證同一結(jié)構(gòu)鐵心的繞組結(jié)構(gòu)、鐵心截面積和等效磁路長度一致的前提下，研究人員對U型和三角形鐵心分別建立隨拐角內(nèi)徑變化的參數(shù)化掃描模型，然后計(jì)算不同內(nèi)徑下的鐵心磁密與損耗密度。
最后，為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，研究人員對前述U型、三角形和O型三種納米晶鐵心進(jìn)行了空載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三角形鐵心空載損耗最大，U型次之，O型最小，與仿真模型的空載損耗所得規(guī)律一致。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差可能源于有限元計(jì)算時(shí)單元離散帶來的誤差，同時(shí)材料偏差以及鐵心制造工藝差異性也會給仿真結(jié)果帶來一定的誤差，但兩者整體趨勢一致，也可以驗(yàn)證文中理論分析和仿真結(jié)果的正確性與有效性。通過以上的實(shí)驗(yàn)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)：O型鐵心損耗密度分布較均勻，U型和三角形鐵心損耗密度最大值均位于內(nèi)拐角中間位置，工作磁密為0.26 T時(shí)，其值分別約為鐵心柱區(qū)域單位質(zhì)量損耗5.2倍和3.5倍。在U型和三角形鐵心拐角區(qū)域，徑向方向上，磁密先迅速下降后平緩下降；切向方向上，磁密先增大后減小，但整體變化程度較??；當(dāng)U型和三角形鐵心拐角內(nèi)徑分別大于6mm和15mm時(shí)，能夠顯著降低拐角區(qū)域的局部損耗密度。U型、三角形和O型鐵心空載損耗分別為19.3 W、32.1 W和13.7 W，與仿真結(jié)果規(guī)律一致；U型和三角形鐵心，拐角處局部熱點(diǎn)溫度最高分別為46.5℃和55.2℃，明顯高于鐵心的最高平均溫度42.8℃和50.8℃，O型鐵心局部熱點(diǎn)與平均溫度最高分別為35.0℃和33.6℃，兩者差異較小。來源：《不同納米晶鐵心結(jié)構(gòu)下高頻變壓器空載鐵耗特性》
