CN108431614B - 用交流电压激励组件的方法和装置以及测试设备 - Google Patents

Abstract

描述了用于激励缠绕的组件的方法和装置。在一种布置中，提供了一种用交流电压激励组件的方法。该组件包括缠绕在磁芯上的线圈。该方法包括在线圈两端施加在第一时间段期间具有第一波形且在第二时间段期间具有第二波形的电压。第二时间段在第一时间段之后。第二波形包括具有一系列相同波形的振荡函数。第一波形使得：如果线圈具有零电阻，则磁芯中的通量密度随时间的变化在第一波形期间将改变符号至少一次。

Description

用交流电压激励组件的方法和装置以及测试设备

本发明涉及激励缠绕的组件，特别是出于当通过施加交流电压来激励时测试该组件的响应的目的。本发明特别涉及快速且准确地测试变压器。

通过向变压器的初级线圈施加电压并测量产生的电流来测试变压器是已知的。当线圈被激励时产生的暂态效应意味着：在首次激励组件之后通过将电流的测量延迟一段时间，可以实现提高的准确度。这种延迟增加了测试所需的时间，在需要测试大量组件的情况下，这会是特别不期望的。

本发明的目的是提供允许以减少或消除暂态效应的方式用交流电压激励组件，从而允许更快速地执行组件的电性质的准确测量的方法和装置。

根据本发明的一方面，提供一种用交流电压激励组件的方法，该组件包括缠绕在磁芯上的线圈，其中，该方法包括：在线圈两端施加在第一时间段期间具有第一波形且在第二时间段期间具有第二波形的电压，第二时间段在第一时间段之后，其中，第二波形包括具有一系列相同波形的振荡函数；并且第一波形使得：如果线圈具有零电阻，则磁芯中的通量密度随时间的变化在第一波形期间将改变符号至少一次。

以这种方式施加第一波形以使通量密度B在第一波形期间改变符号，这导致通量密度的变化，从而比使用现有技术的布置将实现的情况更早地有效利用B-H曲线中的线性区域。在现有技术的布置中，B仅由于线圈中的电阻损耗而改变符号，这使得B随时间的变化逐渐地变为以零为中心(即，以平均值零振荡)。如果具有纯正弦形式的交流电压被施加到不具有任何电阻的线圈，则通量密度将从不改变符号。上面提到的暂态效应在B的变化不以0为中心的时间段期间发生。在该时间期间，B的变化可能进入B-H曲线的非线性区域，或者比在后来的时间或稳态状态(regime)下的情况(例如，当B以零为中心时)更大程度地进入非线性状态。当B进入B-H曲线的非线性区域时，发生不期望的效应，诸如峰值电流失真。

本发明允许B相对于时间的曲线更快速地采用更好地利用B-H曲线上的线性区域的形式，可选地B以零为中心，可选地B在小于或等于施加的交流电压的单个周期的时间段内变为以零为中心。因而，能够以最小的延迟实现适合于组件的准确操作或测试的稳态状态。

现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，在附图中，对应的附图标记指示对应的部分，其中：

图1描绘出磁芯材料的典型B-H曲线；

图2描绘出作为时间的函数的施加到组件的电压的示例变化；

图3描绘出在电压被施加到缠绕在磁芯上的理想线圈的情况下由在图2中施加的电压产生的磁通量密度B的变化；

图4描绘出具有有限电阻的线圈两端的电压和通过该线圈的电流的变化；

图5描绘出施加到组件的正弦电压；

图6描绘出当将图5的电压施加到理想线圈时将在理想线圈中产生的通量密度B；

图7描绘出根据实施例的具有第一波形和第二波形的施加电压；

图8描绘出当将图7的电压施加到理想线圈时将在理想线圈中产生的通量密度B；

图9描绘出根据其他实施例的具有第一波形和第二波形的施加电压；

图10描绘出当将图9的电压施加到理想线圈时将在理想线圈中产生的通量密度B；以及

图11描绘出根据实施例的被配置为测量组件对组件的激励的响应的测试设备。

本发明的实施例涉及在组件包括缠绕在磁芯上的线圈的情况下用交流电压激励该组件。在图11中示出用于这种组件8的示例配置。在该特定示例中，线圈12缠绕在形成为闭环的磁芯10的一部分周围，但是磁芯10可以采用任何形式。在实施例中，组件8是变压器，线圈12是变压器的初级线圈。

磁芯包括具有高磁导率的一块磁性材料。这种芯用于限定和引导磁场，并且在各种电气、机电和磁性应用中是公知的。通常，磁芯包括诸如铁的铁磁金属或诸如铁氧体的亚铁磁化合物。高磁导率使磁场线集中在芯材中。相对于空气或真空芯，该集中可以将芯中的磁场增加1000倍或更多。

驱动电流通过线圈12产生具有与电流成比例的大小的磁场H。对于相对低的H，磁通量密度B随H线性增加。B和H之间的线性关系随H的增加而持续，直到形成芯的磁性材料开始饱和(当磁芯中的所有磁畴彼此对齐时)。在饱和之后，B随H增加的速率大大降低。

对于使用基于缠绕在磁芯上的线圈的组件的实际设备，诸如变压器，可期望完全地或主要地在线性状态下(即，在总是在饱和以下或主要在饱和以下的磁通量密度B下)工作。然而，为了能够为给定尺寸的芯提供最大功率，可期望能够接近于饱和极限而工作。

在图1中示意性地描绘出B随H的上述变化。该曲线有时被称为B-H曲线或磁化曲线，并且在本领域中是公知的。水平线B1和B2限定了磁通量密度B中限定低于饱和的线性状态的正极限和负极限。

当用交流电压激励线圈12时，可期望平均通量密度为零(即，B随时间的变化以大约零为中心)。这允许使用B-H曲线的线性状态的最大量。在实际设备中，线圈12的有限电阻将确保在稳态下磁通量密度B将确实倾向于以这种方式变化。然而，线圈12的电感会在紧接着组件首次被激励之后的时间段内造成困难。这可以通过考虑不具有电阻的理想线圈(即，纯电感线圈)的行为来理解。图2描绘出施加于理想线圈的振荡电压信号，图3描绘出产生的通量密度B。在理想线圈的情况下，线圈中的电压与线圈链接的磁通的变化率成比例。因此，可以通过对作为时间的函数的施加电压的变化进行积分获得磁通量密度B。对图2中示出的波形进行积分产生图3中示出的波形。可以看出，图3中的波形完全在零通量密度以上，并且在没有任何电阻的情况下将保持在零以上。通量密度随时间的这种变化不是最佳的，因为其未充分利用B-H曲线中的线性状态。实际上，在被设计成在稳态下占据B-H曲线的大部分线性状态的设备中，在设备的初始启动之后的短时间内甚至在非理想的设备中将大约发生的图3所示的行为将倾向于使磁通量密度进入非线性状态。通量密度进入非线性状态的结果在于：对于量值大于限定B-H曲线的线性状态和非线性状态之间的边界的极限B1和B2中的任一个的通量密度B的值，相应的磁场H将显著地增加。线圈中的磁化电流I与磁场H成比例，因此这种效应表现为波形峰值区域中的电流波形的大失真。实际上，线圈的少量串联电阻将导致与高电流相关的能量耗散以及磁场H的变化，因而随着时间的推移，根据系统的时间常数τ＝L/R，电流将逐渐地稳定，其中，L是线圈的电感，R是线圈的电阻。通常，系统需要若干个时间常数来完全稳定。在L＝10H并且电阻为1Ω的示例配置中，会需要20秒到30秒来完成稳定过程。这意味着在启动之后的相当长的时间段内，组件将不以稳态或最佳方式运行。在组件被激励以用于测试组件(例如，用于测试变压器的性能)的情况下，系统到达稳态的这种延迟会显著地延迟测试过程。在需要测试大量变压器的情况下，该延迟会大大地增加需要的总时间量。

图4示出在实际示例中通过被测组件的电流作为时间的函数可以如何变化。可以看出，在波形的前几个周期中，电流主要不是以大约零为中心，并且与稍后时间示出的稳态变化(其涉及电流，因而B以零为中心)相比达到非常高的值。

发明人已经认识到上述问题，并且提出了提供改进的方法、装置和设备。下面参考图5-11描述示例性实施例。

在实施例中，提供用交流电压激励组件8的方法。组件8包括缠绕在磁芯10上的线圈12。该方法包括施加在第一时间段期间具有第一波形(即，电压随时间的第一特性变化)和在第二时间段期间具有第二波形(即，电压随时间的第二特性变化)的电压。第二时间段在第一时间段之后。第二波形包括具有一系列相同波形的振荡函数。该系列的波形相同，因而第二波形包括至少两个相同的波形。

第一波形使得：如果线圈12具有零电阻(即，理想线圈)，则磁芯10中的通量密度B随时间的变化在第一波形期间将改变符号至少一次。当然，在实际使用中，线圈12通常将不具有零电阻(除非正在使用超导线圈)，并且本发明的实施例不限于此。这里对理想线圈的参考作为用于限定第一波形的性质的方便和精确的方式。

图5示出作为用于比较目的的纯正弦波的施加电压。图5的波形不包括根据本发明的实施例的第一波形和第二波形。第一时间段标记为14，第二时间段标记为16(用于与图7和图9比较)。图6示出理想线圈中的B产生的变化。可以看出，施加图5的电压波形导致图6中的通量密度B在每个周期升到远高于极限B2，从而导致上面讨论的峰值电流失真。此外，注意到，图6中的B随时间的变化未充分利用在极限B1和B2之间可用的空间，因为通量密度B未以零为中心。实际上，B总保持在零之上，且在任何时间均不改变符号。

图7和图9示出根据实施例的示例电压波形，其中，第一波形使得：如果线圈具有零电阻，则磁芯中的通量密度随时间的变化在第一波形期间将改变符号至少一次。在图8和图10中分别示出具有零电阻的线圈将具有的响应。

在实施例中，其示例在图7和图9中示出，第一波形的持续时间等于或小于振荡函数的周期。图7中的第一波形是图7的第一时间段14内的波形部分。图9中的第一波形是图9的第一时间段14内的波形部分。

在实施例中，施加电压在小于从第一波形开始的振荡函数的周期的一半的时间段内改变符号。在图7中示出了这种类型的实施例的示例，其中，极性在时间点20处改变符号。如图8所示，极性的这种提早变化(例如，相对于图5)导致B随时间变化的相应提早下降(downturn)。提早下降有助于维持B在极限B1和B2内(相比于图6所示的情况，在图6中没有出现这种提早下降)。

如上所述，在本发明的实施例中，例如，如图7和图9所示，施加电压包括第一波形和第二波形。在图7和图9中，第一波形是电压随从第一时间段14开始到第一时间段14结束的时间的变化。第二波形是电压随从第二时间段16开始到第二时间段16结束的时间的变化。第二波形的特征在于：由包括一系列相同波形的振荡函数组成。在示出的示例中，振荡函数是正弦函数，并且相同波形中的每一个是正弦函数的一个周期。

在实施例中，其示例在图7和图9中示出，振荡函数的单个周期由第一半周和第二半周组成，每个半周持续一半的周期，并且第二半周在第一半周之后。因此，例如，参考图7，第一半周的示例将是振荡函数的在第二时间段16的开始与时间点23之间的部分(即，正驼峰(hump))。第二半周的示例将是振荡函数的在时间点23与时间点25之间的部分(即，负驼峰)。

第一波形由修改部分和未修改部分组成。修改部分不同于单个周期的第一半周，并且未修改部分等于第二半周。因此，在图7的示例中，可以看出，第一波形的在第一时间段14的始点与时间点20之间的部分对应于修改部分(因为其表示第一半周减去一半正驼峰的截断版本)，第一波形的在时间点20与第一时间段的终点之间的部分对应于未修改部分(其与振荡函数的第二半周相同，如例如在时间点23和时间点25之间所示)。在图9的示例中，第一波形的在第一时间段14的始点与时间点18之间的部分对应于修改部分(因为其表示第一半周的版本，其中，对于半周的在点20与点18之间的第二半部，第二电压的幅值被设为零)，第一波形的在时间点18与第一时间段14的终点之间的部分对应于未修改部分(而且，与振荡函数的第二半周相同，如例如在时间点23和时间点25之间所示)。

在这种类型的实施例中，修改部分以如下方式使得第一波形不同于振荡函数的完整的单个周期：与第一波形由振荡函数的完整的单个周期组成的情况相比，在等于从第一波形开始的振荡函数的周期的一半的时间段期间的任何时间处达到的最大通量密度减小。通过比较图8和图10中示出的B的变化与图6中示出的B的变化，可以看出对于图7和图9的示例所实现的情况。在图6中的时间点18之前的任何时间处达到的B的最大值显然远高于在图8和图10中的时间点18之前的任何时间处达到的B的最大值。

从图8和图10可以看出，用于施加电压的专用波形使得通量密度B采用更好地利用极限B1和B2之间的空间的时间变化。在公开的特定布置中，即使在线圈是理想(没有电阻)的情况下，B的平均值也快速地变得以零为中心。B随时间的变化完全保持在极限B1和B2内，并且大大减少或完全避免了与峰值电流失真相关的问题(其将是布置中的问题，诸如图5和图6中所示的)。

上面提到的第一半周和第二半周通常能够采用任何形式。在实施例中，第一半周完全为正并且第二半周完全为负，或者第一半周完全为负并且第二半周完全为正。

在实施例中，修改部分的初始部分与振荡函数(例如，正弦曲线)的第一半周的初始部分相同。在图7和图9的示例中，可以看出，波形与图5中的直到时间点20的波形相同。在这样的实施例中，可以从修改起始时间起施加关于第一波形的第一半周的修改。该修改可以包括相比于第一波形与第二波形的振荡函数的单个周期相同的情况导致达到的最大B场减小的任何修改。

在这种类型的实施例中，修改部分与第一半周的不同之处在于修改部分缺少第一半周的一部分。图7示出这种类型的实施例，其中，正驼峰的原本将在时间点20之后存在的第二半部是不存在的(例如，相比于图5)，并且施加电压立即继续进行与第二半周相同的施加电压的变化。因此，在该特定实施例中，在图5中的电压波形的自时间点18开始的部分在时间上有效地向后移动了1/4周期(如图7中的箭头22所示)。这种修改的结果在于：代替电压波形在时间点20和时间点18之间的时段中继续保持在零之上，电压波形立刻变为零，然后前进通过振荡函数的负半周。在图8中示出了这种变化的结果。对于零和时间点20之间的时段，通量密度随时间的变化在这两个时间点之间遵循与图6中所见的轨迹相同的轨迹。然而，代替随后继续在阈值极限B2之上，由于通过对在图7中的时间点20与第一时间段14的终点之间遇到的负半周进行积分引起的对通量密度的负贡献，图8中的通量密度B开始下降。当在第一时间段14和第二时间段16之间的边界处达到这种负半周的终点时，通量密度B随时间的变化在图8中在时间点24处达到其最低值。然而，该最低值仍在下阈值极限B1之上，并且通量密度B随时间的随后变化完全保持在极限B1和B2之间，如所期望的。

在实施例中，修改部分与第一半周的不同之处在于，修改起始时间与修改部分的终点之间的第一波形的平均振幅减小。在这种实施例的特定示例中，第一波形的幅值在修改起始时间与修改部分的终点之间的至少一部分时段期间被设为零。图9示出这种类型的示例，其中，修改起始时间是时间点20，修改部分的终点发生在时间点18处。在图9的示例中，幅值在修改起始时间20与修改的半周的终点之间的整个时段期间被设为零，但这不是必需的。在其他实施例中，修改可以包括在修改起始时间20与修改的半周的终点之间的仅一部分时段期间将第一波形的幅值设为零。在图10中示出所得到的通量密度B随时间的变化。该变化类似于图8中示出的且上面讨论的变化。唯一不同在于：代替在时间点20处立即向下转变，通量密度B在修改起始时间20与修改的半周的终点(在时间点18)之间的时段期间保持在恒定水平。从时间点18起，通量密度B以与图8中从时间点20起相同的方式变化，从而通量密度B总是保持在极限B1和B2内。

在实施例中，其示例在图7-10中示出，修改起始时间20是在第一波形开始之后的振荡函数的周期的1/4。然而，这不是必需的。修改起始时间可以早于在第一波形开始之后的振荡函数的周期的1/4或晚于在第一波形开始之后的振荡函数的周期的1/4。

本发明的实施例在期望获得表示B-H曲线的显著比例的线性状态的磁通量密度变化的情况下是最有用的。实际上，这是常见的情况，因为如果操作仅发生在B-H曲线的非常小的比例的线性状态内，则正在使用的芯有可能大于讨论的应用所需要的芯，这通常是不期望的，因为与提供较大的芯有关的附加费用和重量。鉴于上述，通常可期望操作本发明的实施例，以使组件被配置为使得如果第一波形与振荡函数的单个周期相同，则磁芯10中的磁通量密度将被驱动超出针对磁场H的磁通量密度B的曲线中的线性区域，并且第一波形按照磁芯10未被驱动超出曲线的线性区域的方式不同于振荡函数的单个周期。

根据本发明的实施例的用交流电压激励组件的方法可以在测试包括缠绕在磁芯上的线圈的组件的场景下特别有用。在这样的场景下，测试可以包括例如测量组件对激励的响应(例如，电流)。例如，可以将电压施加到线圈，并在一段时间内测量产生的电流可以。使用实施例的有助于避免B-H曲线的非线性状态的施加电压波形便于执行测试，而无需等待太久(或完全无需等待)以达到稳态状态。因此，可以比现有技术的布置更快速地获得准确的测量。这种测试方法可以特别有利地应用于例如变压器测试。

图11是示出用于执行根据实施例的方法的装置的示意图。装置2可以被称为用于以交流电压激励组件8的装置。组件8包括缠绕在磁芯10上的线圈12。该装置包括被配置为施加在第一时间段期间具有第一波形且在第二时间段期间具有第二波形的电压的电源4。第二时间段在第一时间段之后。第二波形包括具有一系列相同波形的振荡函数。第一波形使得：如果线圈12具有零电阻，则通量密度随时间的变化在第一波形期间将改变符号至少一次，如在上面的实施例中讨论的。因此，装置2可以被配置为执行本发明的实施例的任何方法。可以如上面例如参照图7-10所描述的那样来配置第一波形和第二波形。

图11的装置2可以被配置为作为测试设备操作，该测试设备被配置为测量组件8对组件8的激励的响应。在这种情况下，测试设备可以包括装置2和被配置为测量组件8对激励的响应的测量系统6。测量系统6可以包括例如用于测量流过线圈12的电流的装置。组件8可以是变压器。

在权利要求中限定的特征可以以任何组合的方式组合在一起。

Claims (20)

1.一种用交流电压激励组件的方法，所述组件包括缠绕在磁芯上的线圈，其中，所述方法包括：

在所述线圈两端施加在第一时间段期间具有第一波形且在第二时间段期间具有第二波形的电压，所述第二时间段在所述第一时间段之后，其中，

所述第二波形包括具有一系列相同波形的振荡函数；并且

所述第一波形使得：如果所述线圈具有零电阻，则所述磁芯中的通量密度在所述第一波形期间将改变符号至少一次，

其中，所述振荡函数的单个周期由持续所述周期的一半的第一半周和持续所述周期的一半的第二半周组成，所述第二半周在所述第一半周之后，

所述第一波形由修改部分和未修改部分组成，所述未修改部分在所述修改部分之后，其中，所述修改部分不同于所述单个周期的所述第一半周，并且所述未修改部分与所述单个周期的所述第二半周相同，

其中，所述修改部分的初始部分与所述第一半周的初始部分相同，从修改起始时间起施加对所述波形的所述第一半周的修改，

其中，所述修改部分与所述第一半周的不同之处在于，所述第一波形的在所述修改起始时间与所述修改部分的终点之间的平均幅值减小。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一波形的持续时间等于或小于所述振荡函数的周期。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所施加的电压在小于从所述第一波形开始的所述振荡函数的周期的一半的时间段内改变符号。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，

所述修改部分使得：与所述第一波形由所述振荡函数的单个周期组成的情况相比，在等于从所述第一波形开始的所述振荡函数的周期的一半的时间段期间的任何时间处达到的最大通量密度减小。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一半周完全为正且所述第二半周完全为负，或者所述第一半周完全为负且所述第二半周完全为正。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一波形的幅值在所述修改起始时间与所述修改部分的终点之间的时段的至少一部分期间被设为零。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述修改起始时间是在所述第一波形开始后的所述振荡函数的周期的1/4。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述修改部分与所述第一半周的不同之处在于，所述修改部分缺少所述第一半周的一部分。

9.根据前述权利要求1至2和5至8中的任一项所述的方法，其中，所述组件被配置为，如果所述第一波形与所述振荡函数的单个周期相同，则所述磁芯中的磁通量密度将被驱动超出针对磁场的磁通量密度的曲线中的线性区域，并且所述第一波形以所述磁芯未被驱动超出所述曲线的线性区域的方式不同于所述振荡函数的单个周期。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述组件是变压器。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述线圈具有有限电阻。

12.一种对包括缠绕在磁芯上的线圈的组件进行测试的方法，所述方法包括：

使用根据权利要求1所述的方法激励所述组件，以及

测量所述组件对所述激励的响应。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述响应的测量包括测量流过所述线圈的电流。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述组件是变压器。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述线圈具有有限电阻。

16.一种用交流电压激励组件的装置，所述组件包括缠绕在磁芯上的线圈，其中，所述装置包括：

电源，被配置为施加在第一时间段期间具有第一波形且在第二时间段期间具有第二波形的电压，所述第二时间段在所述第一时间段之后，其中，

所述第二波形包括具有一系列相同波形的振荡函数；以及

所述第一波形使得：如果所述线圈具有零电阻，则通量密度在所述第一波形期间将改变符号至少一次，

其中，所述振荡函数的单个周期由持续所述周期的一半的第一半周和持续所述周期的一半的第二半周组成，所述第二半周在所述第一半周之后，

所述第一波形由修改部分和未修改部分组成，所述未修改部分在所述修改部分之后，其中，所述修改部分不同于所述单个周期的所述第一半周，并且所述未修改部分与所述单个周期的所述第二半周相同，

其中，所述修改部分的初始部分与所述第一半周的初始部分相同，从修改起始时间起施加对所述波形的所述第一半周的修改，

其中，所述修改部分与所述第一半周的不同之处在于，所述第一波形的在所述修改起始时间与所述修改部分的终点之间的平均幅值减小。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述组件包括变压器。

18.一种测试设备，所述测试设备被配置为测量组件对所述组件的激励的响应，所述组件包括缠绕在磁芯上的线圈，所述测试设备包括：

根据权利要求16所述的用交流电压激励组件的装置；以及

测量系统，被配置为测量所述组件对所述激励的响应。

19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述测量系统被配置为测量流过所述线圈的电流。

20.根据权利要求18或19所述的设备，其中，所述组件包括变压器。

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