CN103226187B - 一种磁性元件损耗测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁性元件损耗测量方法，采用一功率变换器作为测试电路，在工况下测量所述测试电路的输入功率，然后选择所述测试电路中磁性元件的两端点并将被测磁性元件并联在所述两端点，之后测量并联被测磁性元件后所述测试电路的输入功率，并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件在工况下的损耗。该方法不仅提高了磁性元件损耗的测量精度，而且测量方便简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及高频磁性元件损耗测量技术领域，特别是一种基于差值测量法的高频磁性元件损耗测量方法。
背景技术
磁性元件是电力电子功率变换器中的重要器件，磁性元件损耗的测量对磁性元件的分析、设计与应用有重要的作用。由于电力电子功率变换器及其磁性元件是工作在高频下，因此磁性元件损耗的测量比较困难，成为业界普遍关注的问题。现有的高频磁性元件损耗测量方法从原理上可分为三类：交流功率计法、直流功率计法和量热计法。
交流功率计法是目前被广泛采用的电气测量方法，它是通过高频功率放大器或高频电源给被测磁性元件施加励磁电压，采用传感器采集被测磁性元件上的高频励磁电压以及绕组高频励磁电流，通过两者的乘积计算出被测磁性元件的磁芯损耗，其原理如图1所示，或通过第二个绕组采集被测磁性元件磁芯上高频磁通所产生的感应电压以及绕组高频励磁电流，通过两者的乘积计算出被测磁性元件的磁芯损耗，其原理如图2所示。此法简单、快捷，但其测量误差随着被测磁芯阻抗角接近90°而急剧增大。因此当测量小损耗角磁性元件磁芯损耗时，由于其阻抗角接近90°，会产生很大的测量误差。
专利“磁性元件损耗的测量装置”（公告号：CN101373210）提出了直流功率计法的基本思想，该方法可以从根本上克服交流功率计法的误差对被测磁性元件阻抗角十分敏感的难题，它是通过一个电源转换器将直流电压转换正负电压变化的矩形波，并施加到被测磁性元件上，通过电压测量器和电流测量器分别测量电源转换器的输入电压和输入电流，以电源转换器输入电压和输入电流的乘积得到磁性元件的损耗，其原理如图3所示。由于该方法输入电压是直流，测量的是直流功率，因此有效规避了交流功率计法中测量高频交流功率时，磁性元件阻抗角对测量误差的影响，这是该方法的特别优点，但该方法的测量精度会受到电源转换器电路本身元器件的杂散损耗的影响，虽然可以通过各种方法，如选择合适的器件，优化电路设计和控制等方法有效降低这些杂散损耗，但并不能完全消除，还需要通过仔细繁琐的定标过程来补偿这些杂散误差。
量热计法是直接测量被测磁性元件产生的损耗热量在工质中引起的温升来获得损耗。从原理上讲，此方法直接、精确，但实际操作繁琐，费时，需要复杂精密的量热法装置，其原理如图4所示。为了提高测量精度，也需要采用仔细繁琐的定标过程来补偿各种误差因素。
综上所述，交流功率计法的测量精度受被测磁性元件阻抗角的影响，直流功率计法虽然从根本上克服了交流功率计法测量误差对被测磁性元件阻抗角的敏感性问题，但其测量精度受电源转换器电路元器件杂散损耗的影响。这两种方法从测量原理上，都是基于从输入的功率来获得被测磁性元件的损耗，这就不可避免地存在两个问题，一是都是基于测量绝对功率大小来得到被测磁性元件的损耗，难免带来各种误差，因此均需要通过繁琐的定标过程来补偿误差；二是无法测量实际工况下复杂的励磁波形，如功率因数校正电路（PFC）的输入电感两端的电压激励下的磁性元件损耗。而量热计法因其繁琐而费时，一般只适用于实验室研究。由于以上几种测量技术的局限性，因此有必要研究新的测量方法和技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁性元件损耗测量方法，该方法不仅提高了磁性元件损耗的测量精度，适用于复杂励磁工况，而且测量方便简单，成本低。
本发明的目的是采用如下技术方案实现的：一种磁性元件损耗测量方法，采用一功率变换器作为测试电路，在工况下测量所述测试电路的输入功率，然后选择所述测试电路中磁性元件的两端点并将被测磁性元件并联在所述两端点，之后测量并联被测磁性元件后所述测试电路的输入功率，并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件在该工况下的损耗。
在本发明一实施例中，所述被测磁性元件在所述工况频率下的阻抗值大于所述测试电路中磁性元件的阻抗值的十倍以上。
在本发明一实施例中，所述测试电路中磁性元件的磁芯与所述被测磁性元件的磁芯具有相同的规格尺寸和绕线匝数，且所述被测磁性元件在所述工况频率下的阻抗值大于所述测试电路中磁性元件的阻抗值的十倍以上，并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件的磁芯在与所述测试电路中磁性元件的磁芯相同磁通密度工况波形情况下的损耗。
在本发明一实施例中，当测量所述被测磁性元件施加工频交流偏磁电流的损耗时，将被测磁性元件串联上一个外加电阻后再并联在所述测试电路中磁性元件的两端点，调节所述外加电阻或被测磁性元件的绕组线径，使满足L1/(R1+R2)=L0/R0，其中L1表示所述被测磁性元件的电感值，R1表示所述被测磁性元件绕组的工频电阻值，R2表示所述外加电阻的电阻值，L0表示所述测试电路中磁性元件的电感值，R0表示所述测试电路中磁性元件的工频电阻值，则并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件在所述工况和工频交流偏磁电流下的损耗。
在本发明一实施例中，当测量所述被测磁性元件施加直流偏磁电流的损耗时，将被测磁性元件串联上一个偏磁电流抑制电阻Rp后再并联在所述测试电路中磁性元件的两端点，将直流偏置电源并联在所述被测磁性元件上，则并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件在所述工况和直流偏磁电流下的损耗。
严格上说，如上测量方法得到的被测磁性元件的损耗包括磁芯损耗和绕组损耗，但由于本发明所述被测磁性元件在所述工况频率下的阻抗值大于所述测试电路中磁性元件阻抗值的十倍以上，流过被测磁性元件的励磁电流很小，绕组损耗很小，可以忽略。因此，在本发明的技术方案中，被测磁性元件的损耗也可以近似作为磁芯在工况下的损耗。
本发明的有益效果是克服了通过测量绝对功率损耗来获得磁性元件损耗存在的问题，提出了一种新的高频磁性元件损耗测量方法——差值测量法，通过测量功率损耗的增量（即损耗的差值）来获得磁性元件损耗，能够有效克服交流功率计法中被测磁性元件阻抗角对测量精度的影响，也克服了直流功率计法中电路元件的杂散参数对测量精度的影响，同时具有可测量实际功率变换器励磁工况下磁性元件损耗的特点。此外，本发明测量方便简单，成本低。
附图说明
图1是现有技术中单绕组交流功率计法的原理图。
图2是现有技术中双绕组交流功率计法的原理图。
图3是现有技术中直流功率计法的原理图。
图4是现有技术中量热计法的原理图。
图5是本发明的磁性元件损耗测量方法的原理图。
图6是本发明的被测磁性元件施加工频交流偏磁电流的原理图。
图7是本发明的被测磁性元件施加直流偏磁电流的原理图。
图8是本发明以BUCK电路作为测试电路的原理图。
图9是本发明以反激电路作为测试电路的原理图。
图10是本发明以有源功率因数校正电路作为测试电路的原理图。
图11是本发明以逆变电路作为测试电路给被测磁性元件施加工频交流偏磁电流的原理图。
图12是本发明以BUCK电路作为测试电路给被测磁性元件施加直流偏磁电流的原理图。
图13是本发明以反激电路作为测试电路给被测磁性元件施加直流偏磁电流的原理图。
图中，11-高频交流激励源，12-被测磁性元件，13-采样电流，14-采样电压；21-高频交流激励源，22-被测磁性元件，23-采样电流，24-采样电压；31-直流电压，32-电压测量器，33-电流测量器，34-电源转换器，35-被测磁性元件；41-温度计，42-隔热容器，43-搅拌磁子，44-被测磁性元件，45-定标电阻，46-工质；51-测试电路，52-被测磁性元件，53-被测磁性元件阻抗Z1，54-测试电路阻抗Z0，55-直流输入电压，56-被测磁性元件绕组电阻R1；61-测试电路，62-被测磁性元件，63-被测磁性元件阻抗Z1，64-测试电路阻抗Z0，65-工频输入电压，66-测试电路磁性元件，67-被测磁性元件绕组电阻R1，68-外加电阻R2，69-测试电路磁性元件绕组电阻R0；71-测试电路，72-被测磁性元件，73-被测磁性元件阻抗Z1，74-测试电路阻抗Z0，75-直流输入电压，76-被测磁性元件绕组电阻R1，77-偏磁电流抑制电阻Rp，78-直流偏置源lp；81-测试电路，82-被测磁性元件，83-被测磁性元件阻抗，84-测试电路阻抗，85-直流输入电压；91-测试电路，92-被测磁性元件，93-被测磁性元件阻抗，94-测试电路阻抗，95-直流输入电压；101-测试电路，102-被测磁性元件，103-被测磁性元件阻抗，104-测试电路阻抗，105-工频输入电压；111-测试电路，112-被测磁性元件，113-被测磁性元件阻抗Z1，114-测试电路阻抗Z0，115-直流输入电压，116-测试电路磁性元件，117-被测磁性元件绕组电阻R1，118-外加电阻R2，119-测试电路磁性元件绕组电阻R0；121-测试电路，122-被测磁性元件，123-被测磁性元件阻抗，124-测试电路阻抗，125-偏磁电流抑制电阻Rp，126-直流偏置源lp，127-直流输入电压；131-测试电路，132-被测磁性元件，133-被测磁性元件阻抗，134-测试电路阻抗，135-偏磁电流抑制电阻Rp，136-直流偏置源lp，137-直流输入电压。
具体实施方式
本发明的磁性元件损耗测量方法，如图5所示，采用一功率变换器作为测试电路，在工况下测量所述测试电路的输入功率，然后选择所述测试电路中磁性元件的两端点，如电感L两端点或变压器TX原边或副边绕组两端点，并将被测磁性元件并联在所述两端点，之后测量并联被测磁性元件后所述测试电路的输入功率，并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件在工况下的损耗。以BUCK电路、反激电路、有源功率因数校正电路作为测试电路的实施例分别如图8、9、10所示。
为了使被测磁性元件并联后，不影响原有测试电路的工作状态，上述被测磁性元件的阻抗值|Z1|（无论是直流、工频或开关工作频率下）大于并联两端点之间的电路的阻抗值|Z0|的十倍以上，且越大越好。
上述测试电路中磁性元件的磁芯与所述被测磁性元件的磁芯具有相同的规格尺寸和绕线匝数，且所述被测磁性元件在所述工况频率下的阻抗值大于所述测试电路中磁性元件的阻抗值的十倍以上，并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件的磁芯在与所述测试电路中磁性元件的磁芯相同磁通密度工况波形情况下的损耗。
为了给应用于功率因数校正电路（PFC）、正弦工频逆变等变换器的被测磁性元件施加所需工频偏磁电流，本发明提出了图6所示的电路。当测量所述被测磁性元件施加工频交流偏磁电流的损耗时，将被测磁性元件串联上一个外加电阻后再并联在所述测试电路中磁性元件的两端点。在所述测试电路中磁性元件的磁芯与所述被测磁性元件的磁芯具有相同的规格尺寸和绕线匝数的情况下，调节外加电阻R2的电阻值或被测磁性元件的绕组线径（改变R1），使L1/(R1+R2)=L0/R0，其中L1表示所述被测磁性元件的电感值，R1表示所述被测磁性元件绕组的工频电阻值，R2表示所述外加电阻的电阻值，L0表示所述测试电路中磁性元件的电感值，R0表示所述测试电路中磁性元件的工频电阻值，则并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件在所述工况和工频交流偏磁电流下的损耗。以正弦工频逆变电路作为测试电路给被测磁性元件施加工频交流偏磁电流的实施例如图11所示。
为了给应用于buck、boost、反激等变换器的被测磁性元件施加所需的直流偏磁电流，本发明提出了图7所示的电路。当测量所述被测磁性元件施加直流偏磁电流的损耗时，将被测磁性元件串联上一个偏磁电流抑制电阻Rp后再并联在所述测试电路中磁性元件的两端点，将直流偏置电源并联在所述被测磁性元件上。偏磁电流抑制电阻Rp的直流电阻值大于被测磁性元件绕组直流电阻值R1的十倍以上，且越大越好，以保证偏磁源仅对被测磁性元件施加偏磁电流，而不对测试电路带来影响，即不改变原电路的工作状态。同时为了使施加在被测磁性元件上的电压等于测试电路两端点的电压，被测磁性元件在工况频率下阻抗Z1大于偏磁电流抑制电阻Rp十倍以上，且越大越好。则并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件在所述工况和直流偏磁电流下的损耗。以BUCK电路、反激电路作为测试电路给被测磁性元件施加直流偏磁电流的实施例分别如图12、13所示。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1. 一种磁性元件损耗测量方法，其特征在于：采用一功率变换器作为测试电路，在工况下测量所述测试电路的输入功率，然后选择所述测试电路中磁性元件的两端点并将被测磁性元件并联在所述两端点，之后测量并联被测磁性元件后所述测试电路的输入功率，并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件在所述工况下的损耗；
当测量所述被测磁性元件施加工频交流偏磁电流的损耗时，将被测磁性元件串联上一个外加电阻后再并联在所述测试电路中磁性元件的两端点，调节所述外加电阻或被测磁性元件的绕组线径，使满足L1/(R1+R2)=L0/R0，其中L1表示所述被测磁性元件的电感值，R1表示所述被测磁性元件绕组的工频电阻值，R2表示所述外加电阻的电阻值，L0表示所述测试电路中磁性元件的电感值，R0表示所述测试电路中磁性元件的工频电阻值，则并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件在所述工况和工频交流偏磁电流下的损耗；
当测量所述被测磁性元件施加直流偏磁电流的损耗时，将被测磁性元件串联上一个偏磁电流抑制电阻Rp后再并联在所述测试电路中磁性元件的两端点，将直流偏置电源并联在所述被测磁性元件上，则并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件在所述工况和直流偏磁电流下的损耗。
2.根据权利要求1所述的一种磁性元件损耗测量方法，其特征在于：所述被测磁性元件在所述工况频率下的阻抗值大于所述测试电路中磁性元件的阻抗值的十倍以上。
3.根据权利要求2所述的一种磁性元件损耗测量方法，其特征在于：所述测试电路中磁性元件的磁芯与所述被测磁性元件的磁芯具有相同的规格尺寸和绕线匝数，且所述被测磁性元件在所述工况频率下的阻抗值大于所述测试电路中磁性元件的阻抗值的十倍以上，并联被测磁性元件前后所述测试电路的输入功率之差即为所述被测磁性元件的磁芯在与所述测试电路中磁性元件的磁芯相同磁通密度工况波形情况下的损耗。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20150603 |
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