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磁元件绕组损耗测量法的研究

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  • 更新日期:2021-05-06 09:48
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详细介绍
磁元件中磁芯损耗和绕组损耗作为一个元器件中的两部分损耗两者本身难以分离开,目前还没有一种有效的既能测量给定励磁工况下磁元件绕组损耗,又能直接测量功率变换器中磁元件绕组损耗的测量评估方法。

磁元件担负着磁能的传递、存储、滤波等功能,在电力系统、功率变换器中起着极其重要的作用,随着功率变换器往高频和高功率密度趋势发展,磁元件损耗成制约其发展的关键因素之一。磁元件除了要满足基本电气参数要求外,其损耗也已经成为磁元件设计的关键问题,这是因为磁元件的损耗已占据了功率变换器总功率损耗的很大一部分。尤其是对于功率变换器的能效指标,不仅要求磁元件的总损耗要小,还需要考虑不同负载条件下磁芯损耗和绕组损耗的比例,以保证功率变换器整机能满足不同负载条件下的绿色节能规范,因此详细研究和分析磁元件的损耗特性具有重要意义。

磁元件损耗的研究首先是必须有准确的实验数据,测量技术是获得实验数据最直接和有效的手段,准确地测量磁元件损耗是研究磁元件损耗的重要基础保障。磁元件一般由磁芯和绕组构成,其损耗包含了磁芯损耗和绕组损耗,两者作为一个整体,现有技术难以将其分离开。

磁元件的磁芯特性比较复杂,近年来专家学者们对磁元件磁芯损耗的测量方法进行了大量的研究[1-5]。绕组损耗由于绕组的线性特性,通常通过模型计算和有限元仿真软件对绕组损耗进行分析和优化[6-11],对绕组损耗的测量方法的研究不多,一般是通过阻抗分析仪,测得绕组的电阻,再通过测量流经绕组的电流,进而算出磁元件的绕组损耗,这些间接获得绕组损耗的评估方法无法真实体现实际工况下的绕组损耗[12-14]

现有磁元件绕组损耗的直接测量方法中,文 献[15]采用了DC/AC逆变电路为磁元件提供矩形波励磁,被测磁元件励磁绕组与采样绕组并绕成变压器,并将副边绕组短路,同时引入一个辅助空心电感,通过测量逆变电路在两种负载情况下的损耗而获得矩形波激励下磁元件的绕组损耗。这种方法为矩形波励磁下绕组损耗的直接测量提供了一种可行的方法,但是由于引入了空芯电感和将被测磁元件绕制成变压器并短路副边,则施加在被测磁元件的励磁波形与实际的励磁波形不一定一致,并未考虑磁场对绕组损耗的影响,而且精度会受到DC/AC逆变电路本身的固有损耗的影响,且该方法无法实现对功率变换器中磁元件绕组损耗的在线测量。

文献[16]提出了一种测量平面变压器绕组损耗的方法,该测量方法考虑到了变压器中磁场对绕组损耗的影响,一定程度上克服了绕组损耗难以直接从变压器中分离出来的问题。但是,该方法受负载电阻的影响很大,即负载电阻阻值的稳定性、分布电感和频率特性等会严重影响到测量结果,为此该方法的提出者也建议采用低感值的电阻作为负载电阻,并且采用阻抗分析仪对负载电阻进行定标以获得准确的阻值和相位响应。另外,该测量方法只能测量通过给定的励磁波形工况下的绕组损耗,无法实现实际工况下功率变换器中磁元件绕组损耗的直接测量。

综上所述,目前的测量技术还无法有效地直接测量评估给定励磁工况下磁元件的绕组损耗,也无法直接测量功率变换器中磁元件的绕组损耗。本文提出一种基于交流功率测量绕组损耗的方法,介绍了测量方法的工作原理和特点;并对测量方法的误差来源进行了详细分析;最后通过实验验证测量方法的准确度。

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