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变压器磁芯和线圈材料的磁场特性测量
上传时间:19-02-24

使用高精度功率分析仪LMG600LMG500系列产品,可以测量变压器磁芯和线圈材料的磁场特性以及精确测量功率损耗。

包括磁通量的峰值、磁场强度、低频或高频工作下的磁芯的导磁系数,对于应用磁芯的磁性元件的质控非常有帮助。

传统的测量方法需要正弦的磁场强度或磁通量,需要昂贵、复杂的信号源才能实现。特别是测试的重点是饱和区间,在此范围下对于信号源的要求非常高。如果有一台智能的测试仪器,可以测量任意曲线的电压和电流,可以进行数学运算,即便是配合谐波很大的低成本电源一起使用,也会使得测试变得更简单经济有效。 

测量功率损耗

铁氧化磁芯的损耗和磁滞回路的面积成正比,另外也和温度、频率、磁通密度、铁素体材质、磁芯的几何体形状有关;通过施加一个任意波形信号于包芯的一次侧,然后测量二次测的开路电压,LMG 系列产品可以轻松确定损耗。

一次侧线圈电流峰值(Ipk)与磁场强度(Hpk)成正比,二次侧线圈开路电压整流平均值(Urect)和磁通密度成正比。磁滞回路的积分等效于实测的真实功率。线绕式铁芯的总损耗包含了磁滞损耗、涡流损耗、线圈损耗及其它损耗。当测量铁氧体磁芯损耗时,不应测量铜损,可以用下面的测量电路来实现:

图1:磁芯损耗测量回路

在这种情况下,功率损耗Ploss = Utrms × Itrms× cosφ。使用这个测量电路,一次侧的铜电阻造成的电压降没有影响,因为一次侧电路只测量了电流值。为了测量真正的磁化电压,二次侧回路没有电流通过。一次侧和二次侧的铜损同时排除在被测的功率损耗之外。由于对Utrms、Itrms和cosφ的精确测量,不需要对磁滞回路进行积分和动态运行,损耗可以通过LMG系列产品直接测量、实时的显示和读取。

为了更好地解决这个测量难题,如下细节需要注意:

功率损耗的计算误差公式:

总的损耗误差包含了测量的电压、电流的幅值误差以及它们之间延迟时间不同造成的误差。这些延迟时间不同是由于每个测量通道的延迟时间不同造成的。

通常损耗非常小,而且相位角接近90 度,所以cosφ几乎为0,Δcosφ比上cosφ的值就会变得很大,给测量误差带来很大影响

数值例子:

假设测量一个铁氧体磁芯损耗,cosφ为0.06,一次侧电流为50kHz正弦信号,利用公式:φ= t×360°×f,延迟时间t大概只有3.8ns,但是结果cos(φ+Δφ)/cosφ≈2%,短于1米的测试线已经存在这样小的延迟。另外还没算上ΔU / U 和ΔI / I引起的误差。但是,如果用LMG 这样高精度的功率分析仪,这些问题可以忽略掉。

对于这样的测量难题,选择一台好的仪器非常关键,需要的不仅是电压、电流的高精度,更重要的是功率测量的高精度,另外,测试回路的精心设计对于取得高精度的测量结果也非常重要,测量回路一定要尽量短而且等长。

LMG系列功率分析仪为此类测量做过校准,包含特殊的延迟调整,因此电压、电流通道之间的延迟小于4ns。用户可以调整延迟时间。

由于 LMG强大的功能,用户可以获得其他磁场相关的参数。

磁场强度的测定

Hpk是磁芯磁场强度的峰值,n1是一次侧绕组,Ipk是一次侧电流的峰值,lmagn是磁路长度。Hpk是完全确定的,取决于一次侧电流波形形状。只有一个要求,电流必须是对称的。例如Ipk=Ipp/2 。

该方程在LMG610中的公式编辑器以符号表示为:

磁通密度的测定

N2是二次侧绕组,A是磁芯材料有效磁剖面,f=1/T是感应电压的频率,Bpk是完全确定的,取决于信号形状。

该方程在LMG610中的公式编辑器以符号表示为:

相对幅值导磁系数的测定

该方程在LMG610中的公式编辑器以符号表示为:

磁芯损耗的测定

该方程在LMG610中的公式编辑器以符号表示为:

LMG610测量实现过程:

高精度功率分析仪与电源及被测设备的接线图见图1。在公式编辑器中编辑公式之后(图2),可以实时读取(图3)和/或存储计算值。特别是磁场强度、磁通密度、相对幅值导磁系数等这些无法直接测量的数值可以在屏幕中实时显示。

图2:编辑公式


图3:客户自定义测量值


结论

通过直接测量获得的参数:感应电压整流平均值、频率、一次侧电流峰值以及用户提供的铁氧体磁芯尺寸数据,可以测定铁氧体的磁通密度、磁场强度、相对幅值导磁系数,这些量可以实时计算并与直接测量的功率损耗同时显示。

图4:LMG610


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