CN106841808A - 中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法 - Google Patents

中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法，包括以下步骤：在绕组绕制过程中增加辅助绕组；通过对初级绕组、次级绕组及辅助绕组的测量和计算得出初级绕组短路阻抗，并与直接测量的初级绕组短路阻抗进行评价，从而得出中频变压器初级绕组和次级绕组的交流电阻。本发明实现了初级绕组及次级绕组交流电阻的分离，便于进行中频变压器绕组损耗、散热等设计校核。

Description

中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法
技术领域
本发明涉及电力电子化电力系统领域，具体涉及一种中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法。
背景技术
在大容量直流变换器、电力电子变压器等电力电子电能变换场合，隔离变压器是关键组成部件之一。为了显著提高变压器的功率密度，应尽可能提高其工作频率，但由于逆变电路、整流电路中包含了较多大容量功率器件，其开关损耗随着工作频率的增加而线性增加。因此，工作频率为100Hz～10kHz范围的中频隔离变压器得到了越来越多的应用。
但中频变压器工作时绕组处于交变电磁场中，内部会产生涡流。在集肤、邻近、端部效应等因素影响下，绕组等效交流电阻(简称交流电阻)通常大于其直流电阻，而且随着频率变化而变化。
如果已知绕组交流电阻，乘以电流有效值的平方，即可得到绕组损耗，为了确保中频变压器散热、效率等指标的精细控制，需要进行变压器绕组交流电阻的精确提取。目前通常用阻抗分析仪、LCR参数测试仪等设备测量变压器短路阻抗以得到绕组交流电阻，但是仅能得到绕组总的等效交流电阻，无法将初级、次级绕组的交流电阻分离，因此，需要一种能够实现初级、次级绕组交流电阻分离的测量方法。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法，实现了初级、次级绕组交流电阻的分离测量。
为实现上述目的，本发明所设计的中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法，包括以下步骤：
A.在绕组绕制过程中增加辅助绕组；
B.将初级绕组开路，对次级绕组施加正弦激励电压，分别测量初级绕组电压U1及辅助绕组电压U3c，根据式(1)计算初级绕组与辅助绕组的开路电压比n13；将所述次级绕组开路，对所述初级绕组施加正弦激励电压，分别测量次级绕组电压U2及辅助绕组电压U3c，根据式(2)计算次级绕组与辅助绕组的开路电压比n23；
C.在中频变压器负载工况下，测量初级绕组电压U1、初级绕组电流I1以及辅助绕组电压U3c，根据式(3)计算初级绕组漏阻抗Z1c；测量次级绕组电压U2、次级绕组电流I2以及辅助绕组电压U3c，根据式(4)计算次级绕组漏阻抗Z2c；
D.在中频变压器负载工况下，测量辅助绕组电压U3c与初级绕组电流I1的比值(U3c/I1)，测量次级绕组电流I2与初级绕组电流I1的比值(I2/I1)，根据式(5)计算激磁阻抗Zic；
E.通过对所述步骤B中的初级绕组与辅助绕组的开路电压比n13和次级绕组与辅助绕组的开路电压比n23、所述步骤C中的初级绕组漏阻抗Z1c和次级绕组漏阻抗Z2c、所述步骤D中的激磁阻抗Zic根据式(6)进行计算，得出中频变压器的初级绕组短路阻抗Zshort_c；
F.测量中频变压器的初级绕组短路阻抗Zshort，计算所述步骤E中的初级绕组短路阻抗Zshort_c与初级绕组短路阻抗Zshort的比值M，若0.8≤M≤1.2，则进行步骤G，否则，重新从步骤B开始测量并计算；
G.初级绕组的交流电阻为所述初级绕组漏阻抗Z1c的实部；次级绕组的交流电阻为所述次级绕组漏阻抗Z2c的实部。
优选地，若所述中频变压器的所述初级绕组与所述次级绕组匝数相等，则设置一套辅助绕组，所述辅助绕组匝数与所述初级绕组、所述次级绕组匝数相等。
优选地，若所述中频变压器的所述初级绕组与所述次级绕组匝数不相等，则对应所述初级绕组与所述次级绕组设置两套辅助绕组，两套所述辅助绕组匝数分别与所述初级绕组及所述次级绕组匝数相等。
优选地，若所述中频变压器的所述初级绕组与所述次级绕组匝数不相等，则设置一套辅助绕组，所述辅助绕组匝数等于所述初级绕组与所述次级绕组匝数数量多的匝数，并在所述辅助绕组上增加抽头，满足所述辅助绕组与匝数数量少的绕组匝数相等的要求。
优选地，所述辅助绕组与所述初级绕组对称耦合，所述辅助绕组所述次级绕组对称耦合，避免将铁耗带入所述初级绕组及所述次级绕组漏阻抗测量值，进而提高所述初级绕组及所述次级绕组交流电阻的测量精度。
优选地，所述辅助绕组的导线直径不大于0.5倍的集肤深度，所述集肤深度与所述中频变压器工作频率对应。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、可以分别计算出初级绕组和次级绕组的交流电阻。
2、通过使用与待测中频变压器绕组具有相同匝数的辅助绕组，减少电压、电流测量误差对交流电阻测量误差的不利影响，提高交流电阻测量精度；
3、通过使用与初级绕组、次级绕组对称耦合的辅助绕组，避免将铁耗带入初级绕组、次级绕组漏阻抗测量值，提高初级绕组、次级绕组交流电阻的测量精度。
附图说明
图1为本发明含一个辅助绕组的中频变压器T型等效电路原理图；
图2为本发明变压器三维1/2模型示意图；
图3为本发明变压器二维1/4模型示意图；
图4为本发明变压器负载工况的阻抗测量原理图；
图5为本发明含两个辅助绕组的中频变压器T型等效电路原理图。
图中各部件标号如下：
初级绕组1、次级绕组2、辅助绕组3、铁心4、FRA5096频率响应分析仪5、NF4520A功率放大器6、中频变压器7、高频电阻负载8、初级辅助绕组9、次级辅助绕组10。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示含一个辅助绕组的中频变压器T型等效电路原理图，其中，U1为初级绕组电压，I1为初级绕组电流，U2为次级绕组电压，I2为次级绕组电流，U3c为辅助绕组电压，Z1c为初级绕组漏阻抗，Z2c为次级绕组漏阻抗，Zic为激磁阻抗。
按照传统变压器设计方法，设计并制造了一台2kW中频变压器，壳式铁心结构，铁心材料使用铁基非晶合晶，初级绕组1、次级绕组2均为铜箔，主要参数如下表所示：
此变压器三维1/2模型示意如图2，二维1/4模型示意如图3。
此中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法，包括以下步骤：
A.此中频变压器7在绕组绕制过程中增加一套辅助绕组3，匝数为16匝，且辅助绕组3分别与初级绕组1、次级绕组2对称耦合，即耦合系数相同，布置在初级绕组1与次级绕组2之间，根据此中频变压器7工作频率对应的集肤深度及系统绝缘要求，辅助绕组3的导线直径取1.1mm。
B.将初级绕组1开路，对次级绕组2施加正弦激励电压，使用阻抗分析仪分别测量初级绕组电压U1及辅助绕组电压U3c，根据式(1)计算初级绕组与辅助绕组的开路电压比n13；将次级绕组2开路，对初级绕组1施加正弦激励电压，分别测量次级绕组电压U2及辅助绕组电压U3c，根据式(2)计算次级绕组与辅助绕组的开路电压比n23；
C.在中频变压器7负载工况下，如图4的阻抗测量原理图，FRA5096频率响应分析仪5驱动NF4520A精密功率放大器6作为激励源，NF4520A精密功率放大器6输出单次正弦电压激励中频变压器7，中频变压器7输出侧为高频电阻负载8。Rs1和Rs2为两个0.1欧姆的精密采样电阻，用于测量中频变压器7初级绕组电流和次级绕组电流。测量初级绕组电压U1、初级绕组电流I1以及辅助绕组电压U3c，根据式(3)计算初级绕组漏阻抗Z1c；测量次级绕组电压U2、次级绕组电流I2以及辅助绕组电压U3c，根据式(4)计算次级绕组漏阻抗Z2c；
D.在中频变压器7负载工况下，测量辅助绕组电压U3c与初级绕组电流I1的比值，测量次级绕组电流I2与初级绕组电流I1的比值，根据式(5)计算激磁阻抗Zic；
E.通过对步骤B中的初级绕组与辅助绕组的开路电压比n13和次级绕组与辅助绕组的开路电压比n23、步骤C中的初级绕组漏阻抗Z1c和次级绕组漏阻抗Z2c、步骤D中的激磁阻抗Zic根据式(6)进行计算，得出中频变压器7的初级绕组短路阻抗Zshort_c；
F.使用阻抗分析仪测量中频变压器7的初级绕组短路阻抗Zshort，计算步骤E中的初级绕组短路阻抗Zshort_c与初级绕组短路阻抗Zshort的比值M，若0.8≤M≤1.2，则进行步骤G，否则，重新从步骤B开始测量并计算；
G.初级绕组1的交流电阻为初级绕组漏阻抗Z1c的实部；次级绕组2的交流电阻为次级绕组漏阻抗Z2c的实部。
实施例2
如图1所示含一个辅助绕组的中频变压器T型等效电路原理图，其中，U1为初级绕组电压，I1为初级绕组电流，U2为次级绕组电压，I2为次级绕组电流，U3c为辅助绕组电压，Z1c为初级绕组漏阻抗，Z2c为次级绕组漏阻抗，Zic为激磁阻抗。
按照传统变压器设计方法，设计并制造了一台2kW中频变压器，壳式铁心结构，铁心材料使用铁基非晶合晶，初级绕组1、次级绕组2均为铜箔，主要参数如下表所示：
此变压器三维1/2模型示意如图2，二维1/4模型示意如图3。
此中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法，包括以下步骤：
A.此中频变压器7在绕组绕制过程中增加一套辅助绕组3，匝数为16匝，与初级绕组1对应，并对称耦合，即耦合系数相同，另在辅助绕组3中间8匝增加抽头，与次级绕组2对应，并对称耦合，即耦合系数相同，辅助绕组3布置在初级绕组1与次级绕组2之间，根据此中频变压器7工作频率对应的集肤深度及系统绝缘要求，辅助绕组3的导线直径取1.2mm。
B.将初级绕组1开路，对次级绕组2施加正弦激励电压，使用阻抗分析仪分别测量初级绕组电压U1及与初级绕组1对应的辅助绕组电压U3c，根据式(1)计算初级绕组与辅助绕组的开路电压比n13；将次级绕组2开路，对初级绕组1施加正弦激励电压，分别测量次级绕组电压U2及与次级绕组2对应的辅助绕组电压U3c，根据式(2)计算次级绕组与辅助绕组的开路电压比n23；
C.在中频变压器7负载工况下，如图4的阻抗测量原理图，FRA5096频率响应分析仪5驱动NF4520A精密功率放大器6作为激励源，NF4520A精密功率放大器6输出单次正弦电压激励中频变压器7，中频变压器7输出侧为高频电阻负载8。Rs1和Rs2为两个0.1欧姆的精密采样电阻，用于测量中频变压器7初级绕组电流和次级绕组电流。测量初级绕组电压U1、初级绕组电流I1以及与初级绕组1对应的辅助绕组电压U3c，根据式(3)计算初级绕组漏阻抗Z1c；测量次级绕组电压U2、次级绕组电流I2以及与次级绕组2对应的辅助绕组电压U3c，根据式(4)计算次级绕组漏阻抗Z2c；
D.在中频变压器7负载工况下，测量与初级绕组1对应的辅助绕组电压U3c与初级绕组电流I1的比值，测量次级绕组电流I2与初级绕组电流I1的比值，根据式(5)计算激磁阻抗Zic；
E.通过对步骤B中的初级绕组与辅助绕组的开路电压比n13和次级绕组与辅助绕组的开路电压比n23、步骤C中的初级绕组漏阻抗Z1c和次级绕组漏阻抗Z2c、步骤D中的激磁阻抗Zic根据式(6)进行计算，得出中频变压器7的初级绕组短路阻抗Zshort_c；
F.使用阻抗分析仪测量中频变压器7的初级绕组短路阻抗Zshort，计算步骤E中的初级绕组短路阻抗Zshort_c与初级绕组短路阻抗Zshort的比值M，若0.8≤M≤1.2，则进行步骤G，否则，重新从步骤B开始测量并计算；
G.初级绕组1的交流电阻为初级绕组漏阻抗Z1c的实部；次级绕组2的交流电阻为次级绕组漏阻抗Z2c的实部。
实施例3
如图5所示含二个辅助绕组的中频变压器T型等效电路原理图，其中，U1为初级绕组电压，I1为初级绕组电流，U2为次级绕组电压，I2为次级绕组电流，U3e为初级辅助绕组电压，U3d为次级辅助绕组电压，Z1c为初级绕组漏阻抗，Z2c为次级绕组漏阻抗，Zic为激磁阻抗。
按照传统变压器设计方法，设计并制造了一台2kW中频变压器，壳式铁心结构，铁心材料使用铁基非晶合晶，初级绕组1、次级绕组2均为铜箔，主要参数如下表所示：
此中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法，包括以下步骤：
A.此中频变压器7在绕组绕制过程中增加初级辅助绕组9和次级辅助绕组10，其中初级辅助绕组9匝数为16匝，次级辅助绕组10匝数为8匝，且初级辅助绕组9与初级绕组1对称耦合，次级辅助绕组10与次级绕组2对称耦合，即耦合系数相同，初级辅助绕组9和次级辅助绕组10均布置在初级绕组1与次级绕组2之间，根据此中频变压器7工作频率对应的集肤深度及系统绝缘要求，初级辅助绕组9和次级辅助绕组10的导线直径均取1.1mm。
B.将初级绕组1开路，对次级绕组2施加正弦激励电压，使用阻抗分析仪分别测量初级绕组电压U1及初级辅助绕组电压U3e，根据式(1)计算初级绕组与初级辅助绕组的开路电压比n13；将次级绕组2开路，对初级绕组1施加正弦激励电压，分别测量次级绕组电压U2及次级辅助绕组电压U3d，根据式(2)计算次级绕组与次级辅助绕组的开路电压比n23；
C.在中频变压器7负载工况下，如图4的阻抗测量原理图，FRA5096频率响应分析仪5驱动NF4520A精密功率放大器6作为激励源，NF4520A精密功率放大器6输出单次正弦电压激励中频变压器7，中频变压器7输出侧为高频电阻负载8。Rs1和Rs2为两个0.1欧姆的精密采样电阻，用于测量中频变压器7初级绕组电流和次级绕组电流。测量初级绕组电压U1、初级绕组电流I1以及初级辅助绕组电压U3e，根据式(3)计算初级绕组漏阻抗Z1c；测量次级绕组电压U2、次级绕组电流I2以及次级辅助绕组电压U3d，根据式(4)计算次级绕组漏阻抗Z2c；
D.在中频变压器7负载工况下，测量初级辅助绕组电压U3e与初级绕组电流I1的比值，测量次级绕组电流I2与初级绕组电流I1的比值，根据式(5)计算激磁阻抗Zic；
E.通过对步骤B中的初级绕组与初级辅助绕组的开路电压比n13和次级绕组与次级辅助绕组的开路电压比n23、步骤C中的初级绕组漏阻抗Z1c和次级绕组漏阻抗Z2c、步骤D中的激磁阻抗Zic根据式(6)进行计算，得出中频变压器7的初级绕组短路阻抗Zshort_c；
F.使用阻抗分析仪测量中频变压器7的初级绕组短路阻抗Zshort，计算步骤E中的初级绕组短路阻抗Zshort_c与初级绕组短路阻抗Zshort的比值M，若0.8≤M≤1.2，则进行下一步计算，否则，重新从步骤B开始测量并计算；
G.初级绕组1的交流电阻为初级绕组漏阻抗Z1c的实部；次级绕组2的交流电阻为次级绕组漏阻抗Z2c的实部。
本发明解决了中频变压器初级绕组及次级绕组交流电阻精确测量的难题，通过使用与待测中频变压器绕组具有相同匝数的辅助绕组，减少电压、电流测量误差对交流电阻测量误差的不利影响；通过使用与初级绕组及次级绕组耦合系数相同的辅助绕组，避免将铁耗带入初级绕组及次级绕组漏阻抗测量值，提高初级绕组及次级绕组交流电阻的测量精度，实现了初级绕组及次级绕组交流电阻的分离，进而便于进行中频变压器绕组损耗、散热等设计校核。

Claims (6)

1.一种中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.在绕组绕制过程中增加辅助绕组；
B.在初级绕组开路工况下，对次级绕组施加正弦激励电压，分别测量初级绕组电压U1及辅助绕组电压U3c，计算初级绕组与辅助绕组的开路电压比n13；在所述次级绕组开路工况下，对所述初级绕组施加正弦激励电压，分别测量次级绕组电压U2及辅助绕组电压U3c，计算次级绕组与辅助绕组的开路电压比n23；
C.在中频变压器负载工况下，测量初级绕组电压U1、初级绕组电流I1以及辅助绕组电压U3c，计算初级绕组漏阻抗Z1c；测量次级绕组电压U2、次级绕组电流I2以及辅助绕组电压U3c，计算次级绕组漏阻抗Z2c；
D.在中频变压器负载工况下，测量辅助绕组电压U3c与初级绕组电流I1的比值，测量次级绕组电流I2与初级绕组电流I1的比值，计算激磁阻抗Zic；
E.通过对所述步骤B中的初级绕组与辅助绕组的开路电压比n13和次级绕组与辅助绕组的开路电压比n23、所述步骤C中的初级绕组漏阻抗Z1c和次级绕组漏阻抗Z2c、所述步骤D中的激磁阻抗Zic进行计算，得出中频变压器的初级绕组短路阻抗Zshort_c；
F.测量中频变压器的初级绕组短路阻抗Zshort，计算所述步骤E中的初级绕组短路阻抗Zshort_c与初级绕组短路阻抗Zshort的比值M，若0.8≤M≤1.2，则进行步骤G，否则，重新从步骤B开始测量并计算；
G.初级绕组的交流电阻为所述初级绕组漏阻抗Z1c的实部；次级绕组的交流电阻为所述次级绕组漏阻抗Z2c的实部。
2.根据权利要求1所述中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法，其特征在于：若所述中频变压器的所述初级绕组与所述次级绕组匝数相等，则设置一套辅助绕组，所述辅助绕组匝数与所述初级绕组、所述次级绕组匝数相等。
3.根据权利要求1所述中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法，其特征在于：若所述中频变压器的所述初级绕组与所述次级绕组匝数不相等，则对应所述初级绕组与所述次级绕组设置两套辅助绕组，两套所述辅助绕组匝数分别与所述初级绕组及所述次级绕组匝数相等。
4.根据权利要求1所述中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法，其特征在于：若所述中频变压器的所述初级绕组与所述次级绕组匝数不相等，则设置一套辅助绕组，所述辅助绕组匝数等于所述初级绕组与所述次级绕组匝数数量多的匝数，并在所述辅助绕组上设置抽头。
5.根据权利要求1或2或3或4所述中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法，其特征在于：所述辅助绕组分别与所述初级绕组及所述次级绕组对称耦合。
6.根据权利要求1或2或3或4所述中频变压器绕组交流电阻的辅助绕组测量方法，其特征在于：所述辅助绕组的导线直径小于等于0.5倍的集肤深度，所述集肤深度与所述中频变压器工作频率对应。
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