專利名稱：一種磁性元件損耗測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高頻磁性元件損耗測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于差值測量法的高頻磁性元件損耗測量方法。
背景技術(shù)：
磁性元件是電力電子功率變換器中的重要器件，磁性元件損耗的測量對(duì)磁性元件的分析、設(shè)計(jì)與應(yīng)用有重要的作用。由于電力電子功率變換器及其磁性元件是工作在高頻下，因此磁性元件損耗的測量比較困難，成為業(yè)界普遍關(guān)注的問題?，F(xiàn)有的高頻磁性元件損耗測量方法從原理上可分為三類:交流功率計(jì)法、直流功率計(jì)法和量熱計(jì)法。交流功率計(jì)法是目前被廣泛采用的電氣測量方法，它是通過高頻功率放大器或高頻電源給被測磁性元件施加勵(lì)磁電壓，采用傳感器采集被測磁性元件上的高頻勵(lì)磁電壓以及繞組高頻勵(lì)磁電流，通過兩者的乘積計(jì)算出被測磁性元件的磁芯損耗，其原理如圖1所示，或通過第二個(gè)繞組采集被測磁性元件磁芯上高頻磁通所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓以及繞組高頻勵(lì)磁電流，通過兩者的乘積計(jì)算出被測磁性元件的磁芯損耗，其原理如圖2所示。此法簡單、快捷，但其測量誤差隨著被測磁芯阻抗角接近90°而急劇增大。因此當(dāng)測量小損耗角磁性元件磁芯損耗時(shí)，由于其阻抗角接近90°，會(huì)產(chǎn)生很大的測量誤差。專利“磁性元件損耗的測量裝置”(公告號(hào):CN101373210)提出了直流功率計(jì)法的基本思想，該方法可以從根本上克服交流功率計(jì)法的誤差對(duì)被測磁性元件阻抗角十分敏感的難題，它是通過一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器將直流電壓轉(zhuǎn)換正負(fù)電壓變化的矩形波，并施加到被測磁性元件上，通過電壓測量器和電流測量器分別測量電源轉(zhuǎn)換器的輸入電壓和輸入電流，以電源轉(zhuǎn)換器輸入電壓和輸入電流的乘積得到磁性元件的損耗，其原理如圖3所示。由于該方法輸入電壓是直流，測量的是直流功率，因此有效規(guī)避了交流功率計(jì)法中測量高頻交流功率時(shí)，磁性元件阻抗角對(duì) 測量誤差的影響，這是該方法的特別優(yōu)點(diǎn)，但該方法的測量精度會(huì)受到電源轉(zhuǎn)換器電路本身元器件的雜散損耗的影響，雖然可以通過各種方法，如選擇合適的器件，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和控制等方法有效降低這些雜散損耗，但并不能完全消除，還需要通過仔細(xì)繁瑣的定標(biāo)過程來補(bǔ)償這些雜散誤差。量熱計(jì)法是直接測量被測磁性元件產(chǎn)生的損耗熱量在工質(zhì)中引起的溫升來獲得損耗。從原理上講，此方法直接、精確，但實(shí)際操作繁瑣，費(fèi)時(shí)，需要復(fù)雜精密的量熱法裝置，其原理如圖4所示。為了提高測量精度，也需要采用仔細(xì)繁瑣的定標(biāo)過程來補(bǔ)償各種誤差因素。綜上所述，交流功率計(jì)法的測量精度受被測磁性元件阻抗角的影響，直流功率計(jì)法雖然從根本上克服了交流功率計(jì)法測量誤差對(duì)被測磁性元件阻抗角的敏感性問題，但其測量精度受電源轉(zhuǎn)換器電路元器件雜散損耗的影響。這兩種方法從測量原理上，都是基于從輸入的功率來獲得被測磁性元件的損耗，這就不可避免地存在兩個(gè)問題，一是都是基于測量絕對(duì)功率大小來得到被測磁性元件的損耗，難免帶來各種誤差，因此均需要通過繁瑣的定標(biāo)過程來補(bǔ)償誤差；二是無法測量實(shí)際工況下復(fù)雜的勵(lì)磁波形，如功率因數(shù)校正電路(PFC)的輸入電感兩端的電壓激勵(lì)下的磁性元件損耗。而量熱計(jì)法因其繁瑣而費(fèi)時(shí)，一般只適用于實(shí)驗(yàn)室研究。由于以上幾種測量技術(shù)的局限性，因此有必要研究新的測量方法和技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種磁性元件損耗測量方法，該方法不僅提高了磁性元件損耗的測量精度，適用于復(fù)雜勵(lì)磁工況，而且測量方便簡單，成本低。本發(fā)明的目的是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種磁性元件損耗測量方法，采用一功率變換器作為測試電路，在工況下測量所述測試電路的輸入功率，然后選擇所述測試電路中磁性元件的兩端點(diǎn)并將被測磁性元件并聯(lián)在所述兩端點(diǎn)，之后測量并聯(lián)被測磁性元件后所述測試電路的輸入功率，并聯(lián)被測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件在該工況下的損耗。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述被測磁性元件在所述工況頻率下的阻抗值大于所述測試電路中磁性元件的阻抗值的十倍以上。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述測試電路中磁性元件的磁芯與所述被測磁性元件的磁芯具有相同的規(guī)格尺寸和繞線匝數(shù)，且所述被測磁性元件在所述工況頻率下的阻抗值大于所述測試電路中磁性元件的阻抗值的十倍以上，并聯(lián)被測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件的磁芯在與所述測試電路中磁性元件的磁芯相同磁通密度工況波形情況下的損耗。在本發(fā)明一實(shí)施例中，當(dāng)測量所述被測磁性元件施加工頻交流偏磁電流的損耗時(shí)，將被測磁性元件串聯(lián)上一個(gè)外加電阻后再并聯(lián)在所述測試電路中磁性元件的兩端點(diǎn)，調(diào)節(jié)所述外加電阻或被測磁性元件的繞組線徑，使?jié)M足L1/(R1+R2)=L0/R0，其中LI表示所述被測磁性元件的電感值，Rl表示所述被測磁性元件繞組的工頻電阻值，R2表示所述外加電阻的電阻值，LO表示所述測試電路中磁性元件的電感值，RO表示所述測試電路中磁性元件的工頻電阻值，則并聯(lián)被 測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件在所述工況和工頻交流偏磁電流下的損耗。在本發(fā)明一實(shí)施例中，當(dāng)測量所述被測磁性元件施加直流偏磁電流的損耗時(shí)，將被測磁性元件串聯(lián)上一個(gè)偏磁電流抑制電阻Rp后再并聯(lián)在所述測試電路中磁性元件的兩端點(diǎn)，將直流偏置電源并聯(lián)在所述被測磁性元件上，則并聯(lián)被測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件在所述工況和直流偏磁電流下的損耗。嚴(yán)格上說，如上測量方法得到的被測磁性元件的損耗包括磁芯損耗和繞組損耗，但由于本發(fā)明所述被測磁性元件在所述工況頻率下的阻抗值大于所述測試電路中磁性元件阻抗值的十倍以上，流過被測磁性元件的勵(lì)磁電流很小，繞組損耗很小，可以忽略。因此，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，被測磁性元件的損耗也可以近似作為磁芯在工況下的損耗。本發(fā)明的有益效果是克服了通過測量絕對(duì)功率損耗來獲得磁性元件損耗存在的問題，提出了一種新的高頻磁性元件損耗測量方法——差值測量法，通過測量功率損耗的增量(即損耗的差值)來獲得磁性元件損耗，能夠有效克服交流功率計(jì)法中被測磁性元件阻抗角對(duì)測量精度的影響，也克服了直流功率計(jì)法中電路元件的雜散參數(shù)對(duì)測量精度的影響，同時(shí)具有可測量實(shí)際功率變換器勵(lì)磁工況下磁性元件損耗的特點(diǎn)。此外，本發(fā)明測量方便簡單，成本低。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中單繞組交流功率計(jì)法的原理圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)中雙繞組交流功率計(jì)法的原理圖。圖3是現(xiàn)有技術(shù)中直流功率計(jì)法的原理圖。圖4是現(xiàn)有技術(shù)中量熱計(jì)法的原理圖。圖5是本發(fā)明的磁性元件損耗測量方法的原理圖。圖6是本發(fā)明的被測磁性元件施加工頻交流偏磁電流的原理圖。圖7是本發(fā)明的被測磁性元件施加直流偏磁電流的原理圖。圖8是本發(fā)明以BUCK電路作為測試電路的原理圖。圖9是本發(fā)明以反激電路作為測試電路的原理圖。圖10是本發(fā)明以有源功率因數(shù)校正電路作為測試電路的原理圖。圖11是本發(fā)明以逆變電路作為測試電路給被測磁性元件施加工頻交流偏磁電流的原理圖。圖12是本發(fā)明以BUCK電路作為測試電路給被測磁性元件施加直流偏磁電流的原理圖。圖13是本發(fā)明以反激電路作為測試電路給被測磁性元件施加直流偏磁電流的原理圖。圖中，11-高頻交流激勵(lì)源，12-被測磁性元件，13-采樣電流，14-采樣電壓；21-高頻交流激勵(lì)源，22-被測磁性元件，23-采樣電流，24-采樣電壓；31-直流電壓，32-電壓測量器，33-電流測量器，34-電源轉(zhuǎn)換器，35-被測磁性元件；41_溫度計(jì)，42-隔熱容器，43-攪拌磁子，44-被測磁性元件，45-定標(biāo)電阻，46-工質(zhì)；51_測試電路，52-被測磁性元件,53-被測磁性兀件阻抗Zl, 54-測試電路阻抗Z0, 55-直流輸入電壓，56-被測磁性兀件繞組電阻Rl ；61-測試電路，62-被測磁性元件，63-被測磁性元件阻抗Zl，64-測試電路阻抗Z0，65-工頻輸入電壓，66-測試電路磁性元件，67-被測磁性元件繞組電阻Rl，68_外加電阻R2，69-測試電路磁性元件繞組電阻RO ；71-測試電路，72-被測磁性元件，73-被測磁性元件阻抗Zl，74-測試電路阻抗Z0，75-直流輸入電壓，76-被測磁性元件繞組電阻Rl，77-偏磁電流抑制電阻Rp，78-直流偏置源Ip ；81-測試電路，82-被測磁性元件，83-被測磁性元件阻抗，84-測試電路阻抗，85-直流輸入電壓；91_測試電路，92-被測磁性元件，93-被測磁性元件阻抗，94-測試電路阻抗，95-直流輸入電壓；101_測試電路，102-被測磁性元件，103-被測磁性元件阻抗，104-測試電路阻抗，105-工頻輸入電壓；111-測試電路，112-被測磁性元件，113-被測磁性元件阻抗Zl，114-測試電路阻抗Z0，115-直流輸入電壓，116-測試電路磁性元件，117-被測磁性元件繞組電阻R1，118-外加電阻R2，119-測試電路磁性元件繞組電阻RO ；121-測試電路，122-被測磁性元件，123-被測磁性元件阻抗，124-測試電路阻抗，125-偏磁電流抑制電阻Rp，126-直流偏置源lp ，127-直流輸入電壓；131-測試電路，132-被測磁性元件，133-被測磁性元件阻抗，134-測試電路阻抗，135-偏磁電流抑制電阻Rp，136-直流偏置源Ip，137-直流輸入電壓。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的磁性元件損耗測量方法，如圖5所示，采用一功率變換器作為測試電路，在工況下測量所述測試電路的輸入功率，然后選擇所述測試電路中磁性元件的兩端點(diǎn)，如電感L兩端點(diǎn)或變壓器TX原邊或副邊繞組兩端點(diǎn)，并將被測磁性元件并聯(lián)在所述兩端點(diǎn)，之后測量并聯(lián)被測磁性元件后所述測試電路的輸入功率，并聯(lián)被測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件在工況下的損耗。以BUCK電路、反激電路、有源功率因數(shù)校正電路作為測試電路的實(shí)施例分別如圖8、9、10所示。為了使被測磁性元件并聯(lián)后，不影響原有測試電路的工作狀態(tài)，上述被測磁性元件的阻抗值Izil (無論是直流、工頻或開關(guān)工作頻率下)大于并聯(lián)兩端點(diǎn)之間的電路的阻抗值Izol的十倍以上，且越大越好。上述測試電路中磁性元件的磁芯與所述被測磁性元件的磁芯具有相同的規(guī)格尺寸和繞線匝數(shù)，且所述被測磁性元件在所述工況頻率下的阻抗值大于所述測試電路中磁性元件的阻抗值的十倍以上，并聯(lián)被測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件的磁芯在與所述測試電路中磁性元件的磁芯相同磁通密度工況波形情況下的損耗。為了給應(yīng)用于功率因數(shù)校正電路(PFC)、正弦工頻逆變等變換器的被測磁性元件施加所需工頻偏磁電流，本發(fā)明提出了圖6所示的電路。當(dāng)測量所述被測磁性元件施加工頻交流偏磁電流的損耗時(shí)，將被測磁性元件串聯(lián)上一個(gè)外加電阻后再并聯(lián)在所述測試電路中磁性元件的兩端點(diǎn)。在所述測試電路中磁性元件的磁芯與所述被測磁性元件的磁芯具有相同的規(guī)格尺寸和繞線匝數(shù)的情況下，調(diào)節(jié)外加電阻R2的電阻值或被測磁性元件的繞組線徑(改變R1)，使L1/(R1+R2)=L0/R0，其中LI表示所述被測磁性元件的電感值，Rl表示所述被測磁性元件繞組的工頻電阻值，R2表示所述外加電阻的電阻值，LO表示所述測試電路中磁性元件的電感值，RO表示所述測試電路中磁性元件的工頻電阻值,則并聯(lián)被測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件在所述工況和工頻交流偏磁電流下的損耗。以正弦工頻逆變電路作為測試電路給被測磁性元件施加工頻交流偏磁電流的實(shí)施例如圖11所示。為了給應(yīng)用于buck、boost、反激等變換器的被測磁性元件施加所需的直流偏磁電流，本發(fā)明提出了圖7所示的電路。當(dāng)測量所述被測磁性元件施加直流偏磁電流的損耗時(shí)，將被測磁性元件串聯(lián)上一個(gè)偏磁電流抑制電阻Rp后再并聯(lián)在所述測試電路中磁性元件的兩端點(diǎn)，將直流偏置電源并聯(lián)在所述被測磁性元件上。偏磁電流抑制電阻Rp的直流電阻值大于被測磁性元件繞組直流電阻值Rl的十倍以上，且越大越好，以保證偏磁源僅對(duì)被測磁性元件施加偏磁電流，而不對(duì)測試電路帶來影響，即不改變?cè)娐返墓ぷ鳡顟B(tài)。同時(shí)為了使施加在被測磁性元件上的電壓等于測試電路兩端點(diǎn)的電壓，被測磁性元件在工況頻率下阻抗Zl大于偏磁電流抑制電阻Rp十倍以上，且越大越好。則并聯(lián)被測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件在所述工況和直流偏磁電流下的損耗。以BUCK電路、反激電路作為測試電路給被測磁性元件施加直流偏磁電流的實(shí)施例分別如圖12、13所示。 以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁性元件損耗測量方法，其特征在于:采用一功率變換器作為測試電路，在工況下測量所述測試電路的輸入功率，然后選擇所述測試電路中磁性元件的兩端點(diǎn)并將被測磁性元件并聯(lián)在所述兩端點(diǎn)，之后測量并聯(lián)被測磁性元件后所述測試電路的輸入功率，并聯(lián)被測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件在所述工況下的損耗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁性元件損耗測量方法，其特征在于:所述被測磁性元件在所述工況頻率下的阻抗值大于所述測試電路中磁性元件的阻抗值的十倍以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種磁性元件損耗測量方法，其特征在于:所述測試電路中磁性元件的磁芯與所述被測磁性元件的磁芯具有相同的規(guī)格尺寸和繞線匝數(shù)，且所述被測磁性元件在所述工況頻率下的阻抗值大于所述測試電路中磁性元件的阻抗值的十倍以上，并聯(lián)被測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件的磁芯在與所述測試電路中磁性元件的磁芯相同磁通密度工況波形情況下的損耗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁性元件損耗測量方法，其特征在于:當(dāng)測量所述被測磁性元件施加工頻交流偏磁電流的損耗時(shí)，將被測磁性元件串聯(lián)上一個(gè)外加電阻后再并聯(lián)在所述測試電路中磁性元件的兩端點(diǎn)，調(diào)節(jié)所述外加電阻或被測磁性元件的繞組線徑，使?jié)M足L1/(R1+R2)=L0/R0,其中LI表示所述被測磁性元件的電感值,Rl表示所述被測磁性元件繞組的工頻電阻值，R2表示所述外加電阻的電阻值，LO表示所述測試電路中磁性元件的電感值，RO表示所述測試電路中磁性元件的工頻電阻值，則并聯(lián)被測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件在所述工況和工頻交流偏磁電流下的損耗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁性元件損耗測量方法，其特征在于:當(dāng)測量所述被測磁性元件施加直流偏磁電流的損耗時(shí)，將被測磁性元件串聯(lián)上一個(gè)偏磁電流抑制電阻Rp后再并聯(lián)在所述測試電路中磁性元件的兩端點(diǎn)，將直流偏置電源并聯(lián)在所述被測磁性元件上，則并聯(lián)被測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件在所述工況和直流偏 磁電流下的損耗。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁性元件損耗測量方法，采用一功率變換器作為測試電路，在工況下測量所述測試電路的輸入功率，然后選擇所述測試電路中磁性元件的兩端點(diǎn)并將被測磁性元件并聯(lián)在所述兩端點(diǎn)，之后測量并聯(lián)被測磁性元件后所述測試電路的輸入功率，并聯(lián)被測磁性元件前后所述測試電路的輸入功率之差即為所述被測磁性元件在工況下的損耗。該方法不僅提高了磁性元件損耗的測量精度，而且測量方便簡單，成本低。
文檔編號(hào)G01R27/26GK103226187SQ20131014486
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月23日
發(fā)明者陳為, 楊向東, 葉建盈, 汪晶慧 申請(qǐng)人:福州大學(xué)