文献综述
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研究背景和意义
变压器的损耗[1]包括两部分：铁损和铜损。变压器的升温主要由铁损和铜损共同产生的。由于变压器存在铁损和铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率。当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁芯流动，因为铁芯本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁芯的断面上形成闭合回路并产生电流，好像一个旋涡所以称为“涡流”[2]。这个“涡流”使变压器的损耗增加，并且使变压器的铁芯发热，变压器的升温增加。由“涡流”所产生的损耗我们称为“铁损”。变压器的铁损还包括磁滞损耗，但在变压器的测试中，只需要知道变压器总的铁损，而不必分别测出磁滞损失与涡流损失。变压器在空载情况下所取得的功率都消耗于铁损和原绕组的铜损，而原绕组的铜损由于空载时对应的电流很小，所以与铜损相比铁损就微不足道了，因此变压器空载时所消耗的功率可以近似认为是铁损。另外要绕制变压器需要用大量的铜损，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为“铜损”[3]。变压器的铜损分两部分：原绕组的铜损和副绕组的铜损。在一个给定的变压器中，铜损仅与变压器的负载有关，测量变压器铜损是通过短路实验来测定的，在短路实验中，将变压器的低压端绕组[4]短接，而给另一个绕组加上适当小的电压，使通过两个绕组的电流都等于额定值，称为电路电压，因为短路电压很低，此时变压器的铁损可以忽略不计，此时测得的即可认为是变压器的额定状态下的铜损[5]。
电力电子变压器通过电力电子控制提高了变压器的运行频率， 使得变压器铁芯的体积与质量大幅减小，因此非常 适用于电力机车、离岸风电等对变压器体积和质量有特殊要求的应用领域。变压器功率单元常采用 AC-DC-AC 的拓扑形式，中频变压器）位于中间级 DC-DC变换环节。MFT 前级通过电力电子交直交变换[6]， 在提升交流频率的同时，变压器端口电压电流波形 也发生了相应改变，具体波形与所采用的电力电子 控制方式直接相关。如采用两电平移相控制与串联谐振控制时，MFT 端口为方波电压。 铁芯损耗[7]是电机、变压器等基于电磁耦合原理电力设备损耗的重要组成部分。随着运行频率的提升，变压器铁芯损耗会显著增加。常采用超薄硅 钢片、铁氧体、非晶及纳米晶等在高频下损耗较的材料来制造中高频变压器的铁芯。其中，纳米晶除有着较高的饱和磁感应强度之外，它在中高频下的损耗密度也更低。频率提升不仅会使铁芯损耗 增加，还会使变压器的绕组损耗及电力电子器件的 开关损耗[8]同样上升，此外，变压器的整体损耗密度也 将大幅提高。为了平衡损耗与散热，大功率变压器常工作在低于 10 kHz 的中频频段[9]。 综上所述，在考虑提高功率密度且尽可能降低损耗的同时，大功率 MFT 在中频频段采用纳米晶 铁芯[10]是较为理想的方案。由于 MFT 的端口电压通 常为非正弦波，因此在中频频段内对非正弦电压激励下纳米晶[11]的铁芯损耗进行分析，无论是对于大功率MFT的设计还是效率优化都具有十分重要的意义[12]。
2、国内外研究现状及发展趋势
铁损作为变压器的主要损耗之一，是变压器设计最为关注的问题，尤其是中高频变压器。因为变压器的运行频率是可变的，有时高达几百甚至上千赫兹[21]，随着频率的升高，铁心损耗在变压器总损耗中的比重也增大；此外，有些电路中含有变频器，而变频器[13]输出中的谐波分量也将在铁心中产生附加铁耗。因此，对铁心损耗的研究就显得尤为重要。 目前，大部分的铁耗研究都集中在正弦波驱动情况下，并且已经有了比较成熟的理论和试验方法。但是在非正弦波驱动情况下，由于含有大量谐波成分，对中高频电机，还要进一步考虑铁心材料的饱和特性和集肤效应，铁心材料的铁耗模型发生了变化，传统的铁耗计算方法已不适用于中高频变压器[14]。这就对中高频铁耗模型提出了更高的要求。目前中高频变压器铁耗研究中对于铁磁材料特性分析与建模、非正弦激励时铁耗计算模型等问题作系统的综述和分析，并对谐波铁耗的修正系数有所涉及，大大提高了中高频铁耗[15]的计算精度。现今铁损计算方法有3 类：（1）基于物理现象的磁滞损耗模型；（2）基于铁损可分离假设的损耗分离法；（3）基于实验数据拟合的经验公式法[16]。磁滞模型基于物理现象的磁滞模型主要有 Jiles-Atherto模型（简称 JA 模型）和 Preisach 模型。Jiles-Atherto模型是一种基于铁磁物质内能量平衡原理的磁滞模型。损耗分离法建立在 3 种不同效应对铁芯损耗影响的基础上，即静态磁滞损耗 Ph，涡流损耗 Pe，额外损耗 Pa。铁芯损耗 Ps为 3 者之和，如式 Ps=Ph Pe Pa 相较于磁滞模型[17]，损耗分离法简化了铁损的分析过程，在 Bertotti 解释了额外损耗的物理意义之后，损耗分离法的计算精度得到了提高[18]。Steinmetz 在 1892 年总结了关于单位体积内铁芯损耗的经验公式，如式中：Pv为铁损密度，W/m3；Bm为磁通密度峰值， T；eta;、beta; 为系数，与铁芯材料特性有关[19]。
3、参考文献：
[1]武 琳. 级联型电力电子变压器控制策略研究[D]. 北京：北京交通 大学，2014. WU Lin. Control strategy for cascaded powerelectronic transformer[D]. Beijing, China: Beijing Jiaotong University, 2014.
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