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【发明授权】一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法_福州大学_201811188203.2 

申请/专利权人:福州大学

申请日:2018-10-12

公开(公告)日:2021-04-27

公开(公告)号:CN109188103B

主分类号:G01R27/26(20060101)

分类号:G01R27/26(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2021.04.27#授权;2019.02.12#实质审查的生效;2019.01.11#公开

摘要:本发明涉及一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法,基于阻抗分析仪自动平衡电桥的高精度阻抗测量原理,结合交流功率计法中双绕组测量磁芯损耗的概念,提出了一种利用磁芯频率阻抗特性来表征磁芯损耗,并能够在大信号励磁和宽频带范围内测量磁芯损耗的方法。该方法由阻抗分析仪、功率放大器,宽频带高精度的分压器和分流器,以及待测磁件构成,且待测磁件采用双绕组,依据阻抗分析仪高精度阻抗测量的特点,可直接测量高功率密度下的磁芯频率阻抗特性,并以此表征磁芯单位电流损耗,具有较高的精度。

主权项:1.一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法,其特征在于:包括阻抗分析仪、功率放大器AMF、以及待测磁件DUT;所述待测磁件采用双绕组结构绕制;将阻抗分析仪内部的小信号交流源AC的输出外接到功率放大器AMF,由功率放大器AMF给待测磁件DUT的原边绕组施加激励;采用阻抗分析仪内部的第一高精度电压检测器与第二高精度电压检测器来分别检测待测磁件DUT副边绕组电压和原边绕组电流,并由二者推算出待测磁件DUT两端的电压以及待测磁件DUT上的电流,采用下式计算待测磁件DUT的阻抗Z: 式中,VDUT表示待测磁件DUT两端的电压,IDUT表示待测磁件DUT上的电流;其中,阻抗Z的实部即为单位电流下,待测磁件的磁芯损耗大小;其中,采用分压器将待测磁件DUT的副边绕组电压成比例缩小后再接入阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口,采用分流器将待测磁件DUT的原边绕组电流成比例缩小后再接入阻抗分析仪的第二高精度电压检测器采样端口,其中第二高精度电压检测器采样端口是阻抗分析仪内部高精度运放的反相输入端。

全文数据:一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法技术领域本发明涉及磁芯损耗测试领域,特别是一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法。背景技术功率变换器作为高效的电能转换装置应用十分广泛,磁性元件作为主要元件,对功率变换器的效率、体积、重量、性能等都有很大影响。随着宽禁带开关器件的运用,功率变换器的工作频率不断提高,这为磁性元件绕组损耗和磁芯损耗的分析带来了挑战,而磁芯损耗的精确测量将有助于其进行建模分析。现有测量磁件损耗的方法主要有交流功率法、量热法和直流功率法,而这些方法均有各自的局限性。接下来进行相应介绍:1、基于交流功率法原理。交流功率法测量磁芯损耗的原理如图1所示,通过在被测磁芯上绕制双绕组,在原边绕组施加激励,副边绕组保持开路,然后测量原边的电流i1t和副边的电压u2t,二者的乘积在一个周期的平均值即是磁芯功率损耗,如式1:2、基于阻抗分析仪自动平衡电桥原理。阻抗分析仪是基于自动平衡电桥的原理测量阻抗,进一步通过阻抗的实部结合实际工况下的激励获得在给定激励下的损耗,其测量原理如图2所示,待测磁件DUT接在阻抗分析仪的输出端口Port1和Port2,并依据其内部的小信号源给DUT施加激励,再依据自动平衡电桥原理,通过电压检测器测量V1和V2,再依据式2计算待测磁件的阻抗特性,并以其实部表示待测磁件在单位电流下的损耗。3、基于量热法原理量热法测量被测磁件损耗是通过磁件在相应激励下的损耗引起热介质产生温升,再利用温度传感器对热介质的温升变化进行测量,最后依据式3计算得到磁件在该激励下的损耗。Pcore=C·m·ΔT3其中C是工质的比热容,m是工质的质量,ΔT是测量时间范围内工质产生的温升大小。而定标量热计法则是先利用一个纯电阻放在工质内,对于不同直流电压激励下所产生的损耗,记录下对应的工质产生的温升大小,从而绘制出损耗W与温升ΔT的关系曲线,最终根据定标得到这条W-ΔT曲线作为已知条件来判断不同待测磁件在相应温升情况下所产生的损耗大小,如图3和图4所示。最后将所获得的磁件总损耗扣除绕组损耗,即可得到磁芯损耗。4、基于直流功率法原理如图5所示,直流功率法的原理是将直流电源通过逆变装置转换为交流施加在被测磁件上,根据功率守恒原理,通过测量直流电源的输出功率Pin,扣除掉相应工况下逆变装置的损耗Pex,即可得到被测磁件的损耗,如式4。最后将所得到的磁件总损耗扣除其绕组损耗即得到磁芯损耗。PL=Pin-Pex4方法1和方法2是与本发明最为接近的一种磁芯损耗测测量方法,其中利用方法一测得的损耗,即为磁件的磁芯损耗,无需进一步扣除绕组损耗,而方法2能够高精度测量待测磁件的阻抗特性,从而以此表征待测磁件在单位电流下的磁芯损耗。但是上述方法均存在不足之处,具体为:方法1通过示波器或功率分析仪直接测量磁件的电压和电流时域波形,再通过积分运算计算交流功率来得到磁件的磁芯损耗,但由于这类测量设备无法完全克服电压和电流两个采样通道的延时误差,在磁件阻抗角较大或频率较高时,将会造成很大的测量误差。方法2利用阻抗分析仪测量磁件的阻抗特性,并以此表征单位电流下的磁件损耗。但该方法测得的损耗结果是磁件的总损耗,还需扣除磁件绕组损耗,才可得到磁芯损耗。且阻抗分析仪是小信号的高频高精度测量仪器,只能测量小信号下的阻抗特性,而磁芯的损耗与激励大小是非线性的,因此阻抗分析仪的小信号下的阻抗测量结果不能代表大信号激励下的磁芯损耗。方法3利用测量温升获得损耗,定标和测试操作过程复杂,耗时长,且要求在定标过程中整个系统的测量工况以及环境条件与实际测量待测磁件损耗的过程要基本一致,这就要求定标的过程需要多次反复的操作,给定标过程增加的很大的难度。且其测量的是总损耗,需额外的措施扣除绕组损耗,才能得到磁芯损耗。方法4利用测量直流功率获得被测件损耗,直流功率测量精度高,但需要精准扣除逆变装置的损耗。且该方法只能适用于脉宽调制波形励磁下的磁件损耗,其同样不能直接测量得到磁芯损耗,还需额外的措施扣除绕组损耗。而且很高频率下的逆变器输出波形容易失真。目前交流功率法在磁件阻抗角较高和励磁频率较高的情况下,测量磁芯损耗的误差较大,而阻抗分析仪法不能够真实反映磁芯在大信号激励下的损耗情况。发明内容有鉴于此,本发明的目的是提出一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法,基于阻抗分析仪自动平衡电桥的原理,同时采用被测磁件双绕组的测量方式,利用阻抗分析仪的高精度高频测量方法改善磁件阻抗角对交流功率法测量磁芯损耗所造成的误差影响,同时可以直接得到磁件的磁芯损耗。本发明采用以下方案实现:一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法,包括阻抗分析仪、功率放大器AMF、以及待测磁件DUT;所述待测磁件采用双绕组结构绕制;将阻抗分析仪内部的小信号交流源AC的输出外接到功率放大器AMF,由功率放大器AMF给待测磁件DUT的原边绕组施加激励;采用阻抗分析仪内部的第一高精度电压检测器与第二高精度电压检测器来分别检测待测磁件DUT副边绕组电压和原边绕组电流,并由二者推算出待测磁件DUT两端的电压以及待测磁件DUT上的电流,采用下式计算待测磁件DUT的阻抗Z:式中,VDUT表示待测磁件DUT两端的电压,IDUT表示待测磁件DUT上的电流;其中,阻抗Z的实部即为单位电流下,待测磁件的磁芯损耗大小。进一步地,鉴于阻抗分析仪的输入只允许小信号,采用分压器将待测磁件DUT的副边绕组电压成比例缩小后再接入阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口,采用分流器将待测磁件DUT的原边绕组电流成比例缩小后再接入阻抗分析仪的第二高精度电压检测器采样端口,其中第二高精度电压检测器采样端口是阻抗分析仪内部高精度运放的反相输入端;其中分压器包括串接的第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2,阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口连接至第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2的连接处;分流器包括一端相连的第一分流电阻R1与第二分流电阻R2,阻抗分析仪的第二高精度电压检测器采样端口连接至第一分流电阻R1的另一端;待测磁件DUT原副边绕组匝数比值为1:1,其可直接按分压器Z1和Z2的比例推算出原边绕组施加在DUT磁芯上的电压,该电压不包含DUT原边绕组的压降。待测磁件DUT两端的电压VDUT采用下式计算:式中,kv为分压器的分压系数,I1为流过第一分流电阻R1的电流,V1是二分压电阻Z2上的电压;待测磁件DUT上的电流IDUT采用下式计算:其中,V2表示阻抗分析仪第二高精度电压检测器检测的电压值,表现为R两端的电压,而R表示阻抗分析仪内部高精度运放的反馈电阻,ki为分流器的分流系数,因此,可将待测磁件DUT两端的电压VDUT改写成:此时,上式阻抗Z的实部即为单位电流下,待测磁件的磁芯损耗大小。进一步地,采用分压器将待测磁件DUT的副边绕组电压成比例缩小后再接入阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口,采用电流互感器来采样待测磁件DUT的电流,并将其输入阻抗分析仪的第二高精度电压检测器采样端口,其中第二高精度电压检测器采样端口是阻抗分析仪内部高精度运放的反相输入端;其中分压器包括串接的第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2,阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口连接至第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2的连接处;其中电流互感器的原副边比为1:N;待测磁件DUT两端的电压采用下式计算:式中,V1是第二分压阻抗Z2上的电压,kv为分压器的分压系数,待测磁件DUT上的电流IDUT采用下式计算:式中,V2表示阻抗分析仪第二高精度电压检测器检测的电压值,表现为R两端的电压,而R表示阻抗分析仪内部高精度运放的反馈电阻;此时,同理,上式中阻抗Z的实部即为单位电流下,待测磁件的磁芯损耗大小。进一步地,第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2是阻容式结构,在宽频带范围内,二者的比值保持不变。进一步地,当测试频率范围不大的情况下,第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2是纯阻性电阻,在测试频率范围内,二者的比值保持不变。进一步地,第一分流电阻R1与第二分流电阻R2是纯阻性电阻,且在宽频带范围内,二者的比值保持不变。与现有技术相比,本发明有以下有益效果:1、本发明基于阻抗分析仪的自动平衡电桥原理,能够对被测磁件的电压和电流进行高精度采样,改善传统交流功率法电压和电流采样和积分计算功率误差大的问题;2、本发明可以直接获得大信号激励下的被测件磁芯所对应的阻抗特性,从而进一步获得磁芯的功率损耗和无功功率;3、本发明通过调节功率放大器的增益可以得到不同大信号电压激励下的阻抗特性,从而进一步得到磁芯损耗特性和磁化曲线;4、本发明通过阻抗分析仪本身的扫频功能,可以得到不同频率下的被测件阻抗特性。附图说明图1为本发明背景技术中方法一原理示意图。图2为本发明背景技术中方法二原理示意图。图3为本发明背景技术中方法三原理示意图1。图4为本发明背景技术中方法三原理示意图2。图5为本发明背景技术中方法四原理示意图。图6为本发明实施例的原理示意图1。图7为本发明实施例的原理示意图2。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和或它们的组合。如图1所示,本实施例提供了一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法,包括阻抗分析仪、功率放大器AMF、以及待测磁件DUT;所述待测磁件采用双绕组结构绕制;将阻抗分析仪内部的小信号交流源AC的输出外接到功率放大器AMF,由功率放大器AMF给待测磁件DUT的原边绕组施加激励;采用阻抗分析仪内部的第一高精度电压检测器与第二高精度电压检测器来分别检测待测磁件DUT副边绕组电压和原边绕组电流,并由二者推算出待测磁件DUT两端的电压以及待测磁件DUT上的电流,采用下式计算待测磁件DUT的阻抗Z:式中,VDUT表示待测磁件DUT两端的电压,IDUT表示待测磁件DUT上的电流;其中,阻抗Z的实部即为单位电流下,待测磁件的磁芯损耗大小。如图6所示,在本实施中,鉴于阻抗分析仪的输入只允许小信号,采用分压器将待测磁件DUT的副边绕组电压成比例缩小后再接入阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口,采用分流器将待测磁件DUT的原边绕组电流成比例缩小后再接入阻抗分析仪的第二高精度电压检测器采样端口,其中第二高精度电压检测器采样端口是阻抗分析仪内部高精度运放的反相输入端;其中分压器包括串接的第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2,阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口连接至第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2的连接处;分流器包括一端相连的第一分流电阻R1与第二分流电阻R2,阻抗分析仪的第二高精度电压检测器采样端口连接至第一分流电阻R1的另一端;待测磁件DUT原副边绕组匝数比值为1:1,其可直接按分压器Z1和Z2的比例推算出原边绕组施加在DUT磁芯上的电压,该电压不包含DUT原边绕组的压降。待测磁件DUT两端的电压VDUT采用下式计算:式中,kv为分压器的分压系数,I1为流过第一分流电阻R1的电流,V1是第二分压阻抗Z2上的电压;待测磁件DUT上的电流IDUT采用下式计算:其中,V2表示阻抗分析仪第二高精度电压检测器检测的电压值,表现为R两端的电压,而R表示阻抗分析仪内部高精度运放的反馈电阻,ki为分流器的分流系数,因此,可将待测磁件DUT两端的电压VDUT改写成:此时,上式阻抗Z的实部即为单位电流下,待测磁件的磁芯损耗大小。如图7所示,在本实施中,采用分压器将待测磁件DUT的副边绕组电压成比例缩小后再接入阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口,采用电流互感器来采样待测磁件DUT的电流,并将其输入阻抗分析仪的第二高精度电压检测器采样端口,其中第二高精度电压检测器采样端口是阻抗分析仪内部高精度运放的反相输入端;其中分压器包括串接的第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2,阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口连接至第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2的连接处;其中电流互感器的原副边比为1:N;待测磁件DUT两端的电压采用下式计算:式中,V1是第二分压阻抗Z2上的电压,kv为分压器的分压系数,待测磁件DUT上的电流IDUT采用下式计算:式中,V2表示阻抗分析仪第二高精度电压检测器检测的电压值,表现为R两端的电压,而R表示阻抗分析仪内部高精度运放的反馈电阻;此时,同理,上式中阻抗Z的实部即为单位电流下,待测磁件的磁芯损耗大小。在本实施中,第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2是阻容式结构,在宽频带范围内,二者的比值保持不变。在本实施中,当测试频率范围不大的情况下,第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2是纯阻性电阻,在测试频率范围内,二者的比值保持不变。在本实施中,第一分流电阻R1与第二分流电阻R2是纯阻性电阻,且在宽频带范围内,二者的比值保持不变。特别的,以下三点为本实施例的具体测试方法和过程。1给待测磁件施加激励。将阻抗分析仪的信号源输出接到功率放大器AMF,由功率放大器AMF给待测磁件施加激励。2待测磁件电压检测。利用分压器Z1和Z2对待测磁件电压进行分压,并将Z2两端电压输送给阻抗分析仪内部电压检测器V1。为保证V1幅值不会损坏阻抗分析仪,Z2和Z1和比值要满足在磁件最大工作电压下,V1的幅值低于限定值。而为保证磁件副边绕组开路的特性,Z1和Z2的模要尽可能的大。且Z1和Z2的选择要能够满足较宽频率范围内,其比值不变,以保证任意测量频率下,磁芯频率阻抗特性表达式的稳定性。即Z1和Z2是具有较宽频带的阻抗结构,可以是阻容式结构。当然,在测试频率范围不大的情况下,Z1和Z2亦可以纯阻性电阻。3被测磁件电流检测。利用分流器R1和R2对待测磁件的电流进行分流,并将流过R1的电流输送给阻抗分析仪,进而通过阻抗分析仪第二高精度电压检测器测量运算放大器OA的反馈电阻R上的电压来推算被测磁件的电流IDUT,如式为保证流入阻抗分析仪的电流幅值I1不会损坏其内部器件,R1和R2的取值需能够保证在被测磁件电流达到最大值时,I1的幅值低于限定值。同时,R1和R2需为纯阻性电阻,以保证式所示磁芯阻抗表达式的相位仅取决于阻抗分析仪电压检测器V1和V2,以提高其测量精度。特别的,如图7所示,该实施例中,采用电流互感器的原理,来采样被测磁件的电流。由于该电流互感器的输出接的是运算放大器OA,运算放大器的两输入端处于虚短虚拟短路状态,因此电流互感器绕组基本工作于输出零电压状态,可实现零磁通电流互感器的效果,测量误差很小。同时由于运算放大器OA的两输入端可视为虚断虚拟断路,则电流互感器的输出电流流经反馈电阻R。被测磁件两端的电压如式所示,电流可表示为式联立上述两式,则可得磁芯的阻抗表达式,如式所示。综上,本实施例基于阻抗分析仪自动平衡电桥的高精度阻抗测量原理,并结合交流功率法中双绕组测量磁芯损耗的概念,提出了一种利用磁芯频率阻抗特性来表征磁芯损耗,并能够在大信号励磁和宽频带范围内测量磁芯损耗的方法。以上两种实施例均是根据本发明提出的利用被测磁件双绕组结构,结合阻抗分析仪自动平衡电桥原理测量磁芯损耗。在具体的实施设计过程中,并不局限于上述两种具体实施例,对于电压和电流的采样,只要满足精度要求以及输送给阻抗分析仪电压检测器的信号不超过所限定的幅值即可。以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。

权利要求:1.一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法,其特征在于:包括阻抗分析仪、功率放大器AMF、以及待测磁件DUT;所述待测磁件采用双绕组结构绕制;将阻抗分析仪内部的小信号交流源AC的输出外接到功率放大器AMF,由功率放大器AMF给待测磁件DUT的原边绕组施加激励;采用阻抗分析仪内部的第一高精度电压检测器与第二高精度电压检测器来分别检测待测磁件DUT副边绕组电压和原边绕组电流,并由二者推算出待测磁件DUT两端的电压以及待测磁件DUT上的电流,采用下式计算待测磁件DUT的阻抗Z:式中,VDUT表示待测磁件DUT两端的电压,IDUT表示待测磁件DUT上的电流;其中,阻抗Z的实部即为单位电流下,待测磁件的磁芯损耗大小。2.根据权利要求1所述的一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法,其特征在于:采用分压器将待测磁件DUT的副边绕组电压成比例缩小后再接入阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口,采用分流器将待测磁件DUT的原边绕组电流成比例缩小后再接入阻抗分析仪的第二高精度电压检测器采样端口,其中第二高精度电压检测器采样端口是阻抗分析仪内部高精度运放的反相输入端;其中分压器包括串接的第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2,阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口连接至第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2的连接处;分流器包括一端相连的第一分流电阻R1与第二分流电阻R2,阻抗分析仪的第二高精度电压检测器采样端口连接至第一分流电阻R1的另一端;待测磁件DUT原副边绕组匝数比值为1:1;待测磁件DUT两端的电压VDUT采用下式计算:式中,kv为分压器的分压系数,I1为流过第一分流电阻R1的电流,V1是第二分压阻抗Z2上的电压;待测磁件DUT上的电流IDUT采用下式计算:其中,V2表示阻抗分析仪第二高精度电压检测器检测的电压值,表现为R两端的电压,而R表示阻抗分析仪内部高精度运放的反馈电阻,ki为分流器的分流系数,因此,可将待测磁件DUT两端的电压VDUT改写成:此时,3.根据权利要求1所述的一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法,其特征在于:采用分压器将待测磁件DUT的副边绕组电压成比例缩小后再接入阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口,采用电流互感器来采样待测磁件DUT的电流,并将其输入阻抗分析仪的第二高精度电压检测器采样端口,其中第二高精度电压检测器采样端口是阻抗分析仪内部高精度运放的反相输入端;其中分压器包括串接的第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2,阻抗分析仪的第一高精度电压检测器采样端口连接至第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2的连接处;其中电流互感器的原副边比为1:N;待测磁件DUT两端的电压采用下式计算:式中,V1是第二分压阻抗Z2上的电压,kv为分压器的分压系数,待测磁件DUT上的电流IDUT采用下式计算:式中,V2表示阻抗分析仪第二高精度电压检测器检测的电压值,表现为R两端的电压,而R表示阻抗分析仪内部高精度运放的反馈电阻;此时,4.根据权利要求2或3所述的一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法,其特征在于:第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2是阻容式结构,在宽频带范围内,二者的比值保持不变。5.根据权利要求2或3所述的一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法,其特征在于:当测试频率范围不大的情况下,第一分压阻抗Z1与第二分压阻抗Z2是纯阻性电阻,在测试频率范围内,二者的比值保持不变。6.根据权利要求2所述的一种基于阻抗分析仪测量磁芯损耗的方法,其特征在于:第一分流电阻R1与第二分流电阻R2是纯阻性电阻,且在宽频带范围内,二者的比值保持不变。

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