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探析纳米晶材料应用于逆变电源的优点与问题

时间:2018-08-11来源:秒速飞艇浏览次数:

  高频逆变电源的工作频率在20kHz~50 kHz,作为电源心脏的主变压器,传统的铁芯材料铁氧体虽高频损耗较低,但其低频段(100kHz以下)的磁特性不太好,又因其饱和磁感应值(Bs)较低,铁芯的体积和重量仍较大,此外,铁氧体的居里温度较低,热稳定性差,温度稍高即导致Bs值降低,易饱和,工作状态不稳定,不适合于高频大功率下使用。纳米晶材料,具有优良的综合磁性能,特别是应用在高频大功率逆变电源上,作为逆变变压器的铁芯已是独占鳌头。

  高磁感:饱和磁感Bs=1.2T,是坡莫合金的一倍,铁氧体的2.5倍。铁芯功率密度大,可以达到15 kW~20kW/kg。

  高磁导率:静态初始导磁率μ0可高达12万~14万,与坡莫合金相当。用于功率变压器铁芯的磁导率是铁氧体的10多倍,大大降低了激磁功率,提高了变压器的效率。

  低损耗:在20kHz~50kHz频率范围是铁氧体1/2~1/5,降低铁芯温升。

  居里温度高:纳米晶材料的居里温度达570℃,铁氧体的居里温度仅180℃~200℃。

  由于以上的优点,纳米晶制造的变压器应用在逆变电源上,对电源可靠性提高起了很大作用:

  损耗小,变压器温升低,大量用户的长期实际使用证明,纳米晶变压器的温升远远低于IGBT管子的温升。

  铁芯磁导率高,降低了激磁功率,减小了铜损,提高了变压器的效率。变压器的初级电感大,减小了电流在开关时对IGBT管子的冲击。

  工作磁感高,功率密度大,可达到15Kw/kg。减小了铁芯的体积。特别是大功率逆变电源,体积减小使得在机箱内空间增大,有利于IGBT管子的散热。

  变压器的过载能力强,由于工作磁感选择在饱和磁感的40%左右,当过载发生时,仅由于磁感增高产生发热,而不会因铁芯饱和而损坏IGBT管子。

  纳米晶材料的居里温度高,假设温度达到100℃以上时,铁氧体变压器已经不能工作,纳米晶变压器完全可以正常工作。

  纳米晶的这些优点,被越来越多的电源生产厂家认识并采用,国内一批生产厂,已经采用纳米晶铁芯,并应用多年。越来越多的厂家开始使用或试用。目前已经广泛应用在逆变焊机、通信电源、电镀电解电源、感应加热电源、探析纳米晶材料应用于逆变电源的优点与问题充电电源等领域,今后几年还会有更大幅度的增加。

  纳米晶材料在应用于逆变电源的过程中,曾出现了一些如噪声问题、脆性问题、一致性问题等,在一定程度上对推广应用带来影响,引起了关注。现在这些问题都已经逐步得到解决。

  1.材料本身磁致伸缩系数的原因,铁氧体材料的磁致伸缩系数比较大,尽管铁氧体磁芯是实心的,在使用有时也会出现噪声。纳米晶的成分不同,磁致伸缩系数不同,前几年使用的成分,是一种通用的合金的成分,因此制造出变压器的噪声问题比较突出,随着应用、开发越来越深入,针对不同用途采用不同的合金成分,以满足不同器件对磁性的特殊要求。例如,作为功率输出变压器、电流互感器、共模电感等,都开发出专用的成分。根据功率变压器的要求调整的合金成分,降低了磁致伸缩系数,经用户使用证明,噪声问题已经大大改善。

  2.铁芯卷绕松紧上的原因,这与使用的带材质量有很大关系,带材尺寸偏差、厚薄不均匀都会造成铁芯卷绕不紧,容易产生噪声。调整成分后,钢水流动性好,有利于带材的成型质量,在一定程度上为降低铁芯噪声,提供了有利保证。

  3.逆变电路方面的问题,电路中直流成分大,造成铁芯的工作磁感提高,引起噪声。我们的实验证明,噪声随工作磁感的提高而增大。有的厂家在电路上采取了隔直流措施,使用纳米晶铁芯多年来没有出现噪声问题。

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