一种直接测量磁元件绕组损耗的方法

摘要

本发明公开了一种直接测量磁元件绕组损耗的方法，磁元件包括磁芯和绕组，在磁元件的磁芯上增加绕制一个辅助绕组，并将辅助绕组开路，给磁元件施加励磁源，通过测量仪器测量磁元件的被测绕组和辅助绕组端口之间的电压关系，以及流经被测绕组的电流，将端口之间的电压进行计算处理得到被测绕组损耗的电压，计算得到被测绕组的功率，就是被测绕组的损耗。本发明可以适用于测量任意励磁波形工况下任何磁元件的绕组损耗，也可用于在线测量功率变换器中磁元件的绕组损耗。不仅能体现磁元件中磁场、温度以及实际工况对绕组损耗的影响，还可测量多绕组磁元件中每个绕组的损耗。实现了从总损耗中分离出绕组损耗，测量方便、快捷、成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及电力、电力电子设备领域，尤其涉及一种直接测量磁元件绕组损耗的方法。

背景技术

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，其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，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，由于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即可测量给定励磁工况下磁元件绕组的直接测量评估方法，又可直接测量功率变换器中磁元件绕组损耗的在线测量方法。

现有磁元件绕组损耗的测量方法中，一般通过测量磁元件绕组的交流电阻而间接得到磁元件的绕组损耗。对于变压器，一般采用绕组短路测量法，由于绕组短路，磁芯磁通基本为零，因此测量得到的总交流电阻就是绕组交流电阻。对于有气隙的磁元件，如有气隙电感器，可以采用气隙等效绕组磁动势替代气隙磁压降的方法对电感器绕组的交流电阻进行测量，在通过损耗与交流电阻的关系计算获得绕组损耗。这种间接通过测量磁元件绕组交流电阻的方法得到绕组损耗的方法，无法体现电磁场、温度以及实际工况对绕组损耗的影响；同时，这种测量方法也无法对所有类型变压器和电感中的绕组损耗进行测量评估；另外，对于多绕组情况的磁元件，测量得到的是初次级绕组的总损耗，无法得到其中的某个绕组损耗。

现有磁元件绕组损耗的直接测量方法中，也只针对某种类型的磁元件，其测量精度受测量电路或者引入的元器件影响，而且无法实现对功率变换器中磁元件绕组损耗的在线测量。

本领域内有一种测量平面变压器绕组损耗的测量方法，在平面变压器中增加一个辅助绕组并开路，给平面变压器的一次侧施加PWM波励磁，二次侧连接一个低感值的负载电阻，通过测量辅助绕组两端和负载电阻两端的电压，以及负载电阻的阻值、二次侧绕组与辅助侧绕组的匝比n，再根据推导出的公式得到该工况下二次侧绕组损耗的等效电组，并采用了三维有限元仿真软件对测量方法进行了验证。该测量方法考虑到了变压器中磁场对绕组损耗的影响情况，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，为此本方法的发明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，该测量方法只是可以测量通过给定的励磁波形工况下的绕组损耗，还是无法实现真正意义工况下功率变换器中磁元件绕组损耗的在线测量。

发明内容

本发明的目的实现绕组损耗的精确测量，实现对给定的任意励磁波形工况下磁元件的绕组损耗的测量；实现绕组损耗的在线测量；同时还可以实现任何磁元件每个绕组损耗的测量。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种直接测量磁元件绕组损耗的方法，磁元件包括磁芯和绕组，在磁元件的磁芯上增加绕制一个辅助绕组，并将辅助绕组开路，给磁元件施加励磁源，通过测量仪器测量磁元件的被测绕组和辅助绕组端口之间的电压关系，以及流经被测绕组的电流，将端口之间的电压进行计算处理得到被测绕组损耗的电压，计算得到被测绕组的功率，就是被测绕组的损耗。

作为本发明的一种选择，测量磁元件在高频工况下的绕组损耗时，辅助绕组与被测绕组双绕组并绕的方式进行绕制。

作为本发明的另一种选择，测量磁元件在高频工况下的绕组损耗时，辅助绕组和被测绕组绕制在不同磁芯位置上。

作为本发明的一种优选，所述测量仪器为示波器或功率测量仪器，测量结果分别为电压、电流或功率。

作为本发明的另一种优选，所述励磁源为外部给定励磁源，包括信号发生器和功率放大器。

作为本发明的另一种优选，所述励磁源为磁元件两端的实际励磁波形。

本发明的有益效果是：

本发明直接测量绕组损耗的方法可以适用于测量任意励磁波形工况下任何磁元件的绕组损耗，也可用于在线测量功率变换器中磁元件的绕组损耗。测量方法的结果不仅能体现磁元件中磁场、温度以及实际工况对绕组损耗的影响，还可测量多绕组磁元件中每个绕组的损耗。实现了从总损耗中分离出绕组损耗，也为磁元件的优化设计提供了一种有效的直接测量评估方法，测量方便、快捷、成本低。

附图说明

图1为被测电感绕组和辅助绕组匝比为1时绕组损耗测量等效电路图；

图2为被测电感绕组和辅助绕组匝比为非1时绕组损耗测量等效电路图；

图3为被测变压器一次侧绕组和辅助绕组匝比为1时被测变压器一次侧绕组损耗测量等效电路图；

图4为被测变压器一次侧绕组和辅助绕组匝比为1时被测变压器二次侧绕组损耗测量等效电路图；

图5被测变压器一次侧绕组和辅助绕组匝比为非1时被测变压器一次侧绕组损耗测量等效电路图；

图6为被测变压器一次侧绕组和辅助绕组匝比为非1时被测变压器二次侧绕组损耗测量等效电路图；

图7为被测电感的励磁绕组与辅助绕组位置错开绕制示意图；

图8为被测变压器的励磁绕组与辅助绕组位置错开绕制示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本发明的第一实施例，针对被测电感绕组和辅助绕组匝比n为1时被测电感绕组损耗的测量。针对被测电感绕组和辅助绕组匝比n为1时被测电感绕组损耗的测量。励磁源可以由信号发生器和功率放大器组成，也可以是实际功率变换器中磁元件两端的实际励磁波形；L为被测电感，其中R_w为被测电感绕组的等效电阻，体现了电感的绕组损耗，R_c为体现被测电感磁芯损耗的等效电阻，L_m为被测电感的励磁电感，L_aux为辅助绕组，端子1和端子2为被测电感L的两个引脚，端子3和端子4为辅助绕组的两个引脚，测量时辅助绕组开路；测量仪器可以采用示波器测量电压、电流或功率，也可以采用功率测量仪器。通过测量端子1和端子3两端的电压u₃(t)，以及流过被测电感的电流i₁(t)，根据公式(1)即可获得被测电感L的绕组损耗。

$P=\frac{1}{T_s}{\int }_0^{T_s}{u}_2\left(t\right)·i_1\left(t\right)dt---\left(1\right)$

如图2所示，本发明的第二实施例，针对被测电感绕组和辅助绕组匝比n为非1时被测电感绕组损耗的测量。励磁源可以由信号发生器和功率放大器组成，也可以是实际功率变换器中磁元件两端的实际励磁波形；L为被测电感，其中R_w为被测电感绕组的等效电阻，体现了电感的绕组损耗，R_c为体现被测电感磁芯损耗的等效电阻，L_m为被测电感的励磁电感，L_aux为辅助绕组，端子1和端子2为被测电感L的两个引脚，端子3和端子4为辅助绕组的两个引脚，测量时辅助绕组开路；测量仪器可以采用示波器测量电压、电流或功率，也可以采用功率测量仪器。通过测量端子1和端子4两端的电压u₄(t)，测量端子3和端子4两端的电压u₂(t)，以及流过被测电感电流i₁(t)，根据公式(2)即可获得被测电感L的绕组损耗。

$P=\frac{1}{T_s}{\int }_0^{T_s}\left(u_4\right(t)-n·u_2(t\left)\right)·i_1\left(t\right)dt---\left(2\right)$

如图3所示，本发明的第三实施例，针对被测变压器一次侧绕组和辅助绕组匝比n2为1时被测变压器一次侧绕组损耗的测量。励磁源可以由信号发生器和功率放大器组成，也可以是实际功率变换器中磁元件两端的实际励磁波形；T为被测变压器，其中R_w1为被测变压器一次侧绕组的等效电阻，体现了一次侧绕组的损耗，R_c为体现被测变压器磁芯损耗的等效电阻，L_m为被测变压器的励磁电感，L_aux为辅助绕组，端子1和端子2为被测变压器T一次侧绕组的两个引脚，R_w2为被测变压器二次侧绕组的等效电阻，体现了二次侧绕组的损耗，Z_load为变压器的负载，端子3和端子4为被测变压器T二次侧绕组的两个引脚，端子5和端子6为辅助绕组的两个引脚，测量时辅助绕组开路；n1为变压器T一次侧绕组和二次侧绕组的匝比，n2为变压器T一次侧绕组和和辅助侧绕组的匝比；测量仪器可以采用示波器测量电压、电流或功率，也可以采用功率测量仪器。通过测量端子1和端子5两端的电压u₅(t)，以及流过被测电感的电流i₁(t)，根据公式(3)即可获得被测变压器T一次侧绕组的损耗。

$P=\frac{1}{T_s}{\int }_0^{T_s}{u}_5\left(t\right)·i_1\left(t\right)dt---\left(3\right)$

如图4所示，本发明的第四实施例，针对被测变压器一次侧绕组和辅助绕组匝比n3为1时被测变压器二次侧绕组损耗的测量。励磁源可以由信号发生器和功率放大器组成，也可以是实际功率变换器中磁元件两端的实际励磁波形；T为被测变压器，其中R_w1为被测变压器一次侧绕组的等效电阻，体现了一次侧绕组的损耗，R_c为体现被测变压器磁芯损耗的等效电阻，L_m为被测变压器的励磁电感，L_aux为辅助绕组，端子1和端子2为被测变压器T一次侧绕组的两个引脚，R_w2为被测变压器二次侧绕组的等效电阻，体现了二次侧绕组的损耗，Z_load为变压器的负载，端子3和端子4为被测变压器T二次侧绕组的两个引脚，端子5和端子6为辅助绕组的两个引脚，测量时辅助绕组开路；n1为变压器T一次侧绕组和二次侧绕组的匝比，n2为变压器T一次侧绕组和和辅助侧绕组的匝比，n3为变压器T二次侧绕组和辅助侧绕组的匝比；测量仪器可以采用示波器测量电压、电流或功率，也可以采用功率测量仪器。通过测量端子3和端子5两端的电压u₆(t)，以及流过被测电感的电流i₂(t)，根据公式(4)即可获得被测变压器T二次侧的绕组损耗。

$P=\frac{1}{T_s}{\int }_0^{T_s}{u}_6\left(t\right)·i_2\left(t\right)dt---\left(4\right)$

如图5所示，本发明的第五实施例，针对被测变压器一次侧绕组和辅助绕组匝比n2为非1时被测变压器一次侧绕组损耗的测量。励磁源可以由信号发生器和功率放大器组成，也可以是实际功率变换器中磁元件两端的实际励磁波形；T为被测变压器，其中R_w1为被测变压器一次侧绕组的等效电阻，体现了一次侧绕组的损耗，R_c为体现被测变压器磁芯损耗的等效电阻，L_m为被测变压器的励磁电感，L_aux为辅助绕组，端子1和端子2为被测变压器T一次侧绕组的两个引脚，R_w2为被测变压器二次侧绕组的等效电阻，体现了二次侧绕组的损耗，Z_load为变压器的负载，端子3和端子4为被测变压器T二次侧绕组的两个引脚，端子5和端子6为辅助绕组的两个引脚，测量时辅助绕组开路；n1为变压器T一次侧绕组和二次侧绕组的匝比，n2为变压器T一次侧绕组和和辅助侧绕组的匝比；测量仪器可以采用示波器测量电压、电流或功率，也可以采用功率测量仪器。通过测量端子1和端子6两端的电压u₇(t)，测量端子5和端子6两端的电压u₂(t)，以及流过被测电感的电流i₁(t)，根据公式(5)即可获得被测变压器T一次侧绕组的损耗。

$P=\frac{1}{T_s}{\int }_0^{T_s}\left(u_7\right(t)-n2·u_2(t\left)\right)·i_1\left(t\right)dt---\left(5\right)$

如图6所示，本发明的第六实施例，针对被测变压器一次侧绕组和辅助绕组匝比n3为非1时被测变压器二次侧绕组损耗的测量。励磁源可以由信号发生器和功率放大器组成，也可以是实际功率变换器中磁元件两端的实际励磁波励磁；T为被测变压器，其中R_w1为被测变压器一次侧绕组的等效电阻，R_c为被测变压器磁芯损耗的等效电阻，L_m为被测变压器的励磁电感，L_aux为辅助绕组，端子1和端子2为被测变压器T一次侧绕组的两个引脚，R_w2为被测变压器二次侧绕组的等效电阻，Z_load为变压器的负载，端子3和端子4为被测变压器T二次侧绕组的两个引脚，端子5和端子6为辅助绕组的两个引脚，辅助绕组开路；n1为变压器T一次侧绕组和二次侧绕组的匝比，n2为变压器T一次侧绕组和和辅助侧绕组的匝比，n3为变压器T二次侧绕组和辅助侧绕组的匝比；测量仪器可以采用示波器测量电压、电流或功率，也可以采用功率测量仪器。通过测量端子3和端子4两端的电压u₈(t)，测量端子5和端子6两端的电压u₂(t)，以及被测电感电流i₂(t)，根据公式(6)即可获得被测变压器T二次侧的绕组损耗。

$P=\frac{1}{T_s}{\int }_0^{T_s}\left(u_8\right(t)-n3·u_2(t\left)\right)·i_2\left(t\right)dt---\left(6\right)$

由于磁元件在高频励磁下励磁绕组和辅助绕组之间的邻近效应会影响到测量结果，本发明采用两种方案对辅助绕组进行绕制。其一，辅助绕组采用利兹线与励磁绕组并绕，即辅助绕组采用利兹线，被测磁元件绕组与辅助绕组并联同时绕制，该方案可以确保被测磁元件的励磁绕组与辅助绕组的匝数相同，且全耦合，在一定频率范围内利兹线的涡流很小，因此采用该方案可以克服辅助绕组的邻近效应对被测磁元件绕组损耗测量的影响。其二，采用如图7和图8的励磁绕组与辅助绕组位置错开的方案，该方案不存在辅助绕组的邻近效应对测量结果的影响问题，因此该方案中的辅助绕组无需采用利兹线，而采用普通线进行绕制。

图7为被测电感L的励磁绕组与辅助绕组L_aux位置错开的方案，辅助绕组L_aux绕制在被测电感L的磁芯上，且位置与励磁绕组错开。

图8为被测变压器T的励磁绕组与辅助绕组L_aux位置错开的方案，辅助绕组L_aux绕制在被测变压器T的磁芯上，且位置均与一次侧绕组和二次侧绕组错开。

对于多绕组磁元件中绕组损耗的测量，所述原理和方案同样适用。

本发明与背景技术部分披露的现有技术相比，背景技术部分的绕组损耗测量技术是在平面变压器中增加一个辅助绕组并开路，给平面变压器的一次侧施加PWM波励磁，二次侧连接一个低感值的负载电阻，通过测量辅助绕组两端和负载电阻两端的电压，以及负载电阻的阻值、二次侧绕组与辅助侧绕组的匝比n，再根据推导出的公式得到该工况下二次侧绕组损耗的等效电组，该测量技术获得的变压器绕组损耗的测量结果考虑了磁场对绕组损耗的影响，但只能适用于变压器绕组损耗的测量，也只能实现给定励磁源的绕组损耗的测量，无法测量功率变换器中磁元件绕组损耗的在线测量，另外，该测量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，还需要通过定标方法以减小误差。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。