文献综述
1、研究背景和意义
随着电力电子器件和高频磁性材料的发展，电力电子变压器被越来越多的引入到高压大功率的应用领域[1]-[3]。大功率中频变压器是电力电子变压器电磁耦合环节的关键部件，起着电气隔离和电压变换的作用。由于采用更高的运行频率，且变压器原副边均与电力电子换流器相连接，使得大功率中频变压器的特性与优化设计方法与传统工频变压器有着较大区别。针对大功率中频变压器开展系统、科学的研究，对于未来电力电子变压器在电力机车、离岸风电以及智能电网中的广泛应用具有重要的意义[4]。变压器的损耗主要包括绕组损耗与铁心损耗。高频下涡流带来的集肤与邻近效应，使得变压器绕组中电流密度分布不均匀，集中于绕组的表面。通常采用箔式、利兹线绕组，在保证足够导体横截面积的同时，减小导体厚度，以降低绕组高频损耗。随着运行频率的提升，变压器铁心损耗也会显著增加。常采用超薄硅钢片、铁氧体、非晶以及纳米晶等高频损耗较小的材料制造高频变压器铁心 。纳米晶具有较小高频损耗密度的同时，饱和磁密相对较高。在大功率中频变压器最常被采用。电力电子变压器中，经过电力电子变换，中高频变压器的电压与电流波形常为非正弦波，因此在计算绕组与铁心损耗时，还必须考虑非正弦波形因素的影响。 通过以上分析可知，提高变压器运行频率使其重量、体积减小，能量密度增加的同时，也使其损耗密度上升。在对面向轻量化应用的大功率中频变压器进行优化设计时，平衡损耗与重量之间的关系尤为重要[5]-[7]。
2、 研究现状及发展
随着磁芯材料的发展，高频下低损耗材料的研究发展直接促进了大功率中频变压器的发展。由于磁芯材料损耗特性的不同，磁芯材料适用的频率范围不同，设计者一般要根据需要的工作频率来选择合适的磁芯材料，因此磁芯材料的不同可以作为大功率中频变压器分类的标准之一[8]-[9]。
硅钢片（1kHz）:硅钢片的饱和磁感应强度高达2T左右，同时在低频范围具有可以接受的损耗特性，最关键的是价格相对较低，使得硅钢片在低频大功率应用中是几乎最优秀的选择。相对来说，一些为低频工作范围设计的费精彩了，虽然损耗更小，但是价格却昂贵很多，难以广泛应用。值得一提的是，高硅钢片（由很薄的叠片构成），在中频领域（1kHz~25kHz）损耗特性和非晶合金相似，但是造价高很多。
非晶合金和纳米晶材料（1kHz~25kHz）：硅钢片虽然价格低廉，但在这个频率范围内损耗要比非晶合金和纳米晶大很多，因此在这个频率范围内，设计者的选用非晶合金和纳米。非晶材料的饱和磁感应强度一般在1.56T左右，纳米晶体材料的饱和磁感应强度一般在1.2T左右，与硅钢片相比损耗更小，同时这两种材料耐热性更好，随着温度变化物理特性变化很小。
铁氧体材料（25kHz）：随着频率升高，非晶合金和纳米晶的损耗特性也在逐渐变差，损耗升高，但是铁氧体材料在很高的频率仍然具有较低的损耗。铁氧体材料的饱和磁感应强度虽然较低（约0.5T），但是在这个频率区段，很高的频率可以弥补饱和磁感应强度偏小的问题[10]-[11]。
对于变压器损耗的计算，常有的计算手段是运用解析公式和半经验公式的时域法，正交分解合成法，但都有一定的局限性。对于已制成的变压器，还可通过空载试验和短路试验获得变压器空载损耗即铁耗。本文采用2D有限元法，在电磁场有限元分析软件MAXWELL2D中，建立变压器 SFSZ9-31500kVA/110kV铁芯损耗模型。对变压器铁芯柱进行2D静态场和瞬态场仿真，研究变压器铁芯在非饱和区域内，损耗的分布和时变情况，分析影响损耗值变化的因素。为进一步求解变压器内部的油流场和温度场提供依据[12]-[14]。
现有铁损计算方法[15]-[20]主要可归纳为 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。
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