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纳米晶材料应用于逆变电源的优点与问题

发布时间:2012-06-28   人气:60  来源:power86.com

 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。
  一、纳米晶的优点
  纳米晶材料同时具备了硅钢、坡莫合金、铁氧体的优点。即:
  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、充电电源等领域,今后几年还会有更大幅度的增加。
  二、大家关心的几个问题
  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。
  (一)噪声问题
  噪声的形成有多方面的原因:
  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。
  通过以上的改进,噪声问题基本得到了解决。
(二)脆性问题
  纳米晶铁芯的脆性主要反应在铁芯掉渣,是用户反映最大问题,不仅对安装操作是头痛的事,而且容易给电路造成短路的隐患。经过多年的实践、研究,脆性问题通过对成分、工艺的调整,得到大大改善。成分调整后,带材的柔韧性显著改善。带材厚度的减薄也减低了脆性。此外在制造铁芯的工艺上,对铁芯浸注无应力胶,使得铁芯不易破碎,彻底解决了铁芯的掉渣的脆性问题。同时,由于无应力胶把铁芯带材的层间隙固定,使其不易产生共振,减少了噪声的产生。
  (三)一致性问题
  一致性跟生产规模有关,与生产设备的容量有关。从带材的质量看,一台500公斤产量的设备和50公斤产量设备比较,同样生产500公斤带材,显然,前者产品在成分、磁性能的一致性要好于后者。同样在生产过程中的热处理也是同样。所以生产规模大、生产设备容量大对一致性有利。
  纳米晶的一致性在用户使用中,主要表现在饱和电压和电感量离散性大,有时会相差一倍多。主要原因是磁场热处理的效果差、生产检验没有分类筛选。随着用于功率变压器的成分的调整,不仅改善了脆性,而且降低了材料的剩余磁感应强度,因此,增大了磁场热处理的效果,提高了铁芯的饱和电压,对产品一致性起了重要作用。
  对逆变电源所要求的磁性能,有一个逐步认识过程,前几年,由于用量较小,只强调损耗达到要求就可以了。所以,性能检验只测量损耗这一个参数。对特定的用户,增加检验感应电压值。随着应用的量越来越大,各种各样的要求随之提出,特别是性能一致性的要求特别突出。由于对这种要求有一个认识过程,所以无论在成分改进、生产组织、测试标准等方面,都有些滞后。因此对推广应用有一定影响。现在这个问题得到了足够的认识,并采取了多种有效措施,一致性已大大提高。
  (四)价格问题
  价格问题是用户最关心的,特别是准备使用或刚刚开始使用的用户。价格与生产量有直接关系,这几年,随着纳米晶铁芯应用的领域越来越广泛,不仅用于逆变焊机,而且大量用于电解电镀设备、感应加热设备、充电设备、通信电源、UPS电源、X光机电源、激光电源、变频调速电源等领域,产量越来越大,价格也有较大幅度的降低,目前的价格比最初的价格已经下降了约40%,随着应用量的不断增大,价格会越来越低,纳米晶的价格会越来越接近铁氧体的价格。
  目前对于15千瓦以上的大功率的电源来说,实际上纳米晶铁芯的价格已经低于铁氧体铁芯了。因为铁氧体铁芯的尺寸有限,大功率变压器所需要的磁芯很难解决,不得不使用几个铁芯才能满足功率要求。而纳米晶铁芯一个就可以了。从单价上看,铁氧体便宜很多,但几个铁芯的总价就比纳米晶铁芯的价格高了。
  三、纳米晶变压器的产品
  所使用的纳米晶变压器几乎都是整机生产厂自己绕制的,由于各厂逆变电路的设计不同、对纳米晶材料的了解不同、对变压器制造工艺掌握程度不同,制造出的变压器水平也不同。制造高频变压器成为生产中的重要环节。因此,一些厂家提出,能否专业化生产高频变压器,整机生产厂直接购买变压器的要求。
  原来20kHz~50kHz频率范围的变压器,一般采用铁氧体做变压器铁芯,铁芯形式多为U型或EI型,少数使用O型铁芯,U型或EI型铁芯从结构上很难降低变压器的漏感。
  由于纳米晶材料的优点,为高频变压器的小型化、高效化提供了理想的材料。新材料促进了的一种新结构的高频变压器诞生。
  这种获得专利的取名“甲壳虫”的变压器,后经别人改进后称为“H” 型变压器,也获得专利,这两种变压器充分利用纳米晶材料的高磁导率、高磁感应强度、损耗低等磁特性和环形铁芯漏磁小的特点,在变压器的初、次级结构方面推陈出新。利用铁芯的金属保护盒作为变压器的次级线圈,适合大电流输出,初级线圈均匀的绕在次级上,漏感很小。变压器固定支撑与汇流输出结合为一体,有利于散热。
  这种变压器的优点是:
  1.功率大:10 kW~20kW,功率密度可达到15 kW~20kW/kg
  2.漏感小,一般水平小于5μH,最好的小于2μH
  3.效率高,达到99%以上
  4.体积小、重量轻,15 kW变压器的重量为3公斤,体积为 160×150×95 mm
  5.外形美观。
  由于这种变压器的结构和加工等方面的原因,价�
比较高,目前仅在电镀、电解电源上得到了一定数量的应用。对于价格竞争激烈的行业推广还有困难。为此,又推出了一种“Ω”型变压器。
  “Ω”型变压器其结构和普通环形变压器相同,但绕线方法有改进,从而降低了漏感和分布电容。漏感一般可以小于10μH。这种变压器的价格比“甲壳虫”或“H”型变压器低40%左右。优异的性能价格比吸引了不少厂家。
  纳米晶变压器的产品化,合理的使用了纳米晶软磁材料的性能;有利于高频电源变压器的产品化、标准化;有利于变压器效率、水平的提高;有利于逆变焊机、电镀、电解等设备
  生产效率的提高。目前已有几个厂家能够生产这种变压器。
  现在已有一些整机生产开始采用“Ω”型变压器,实现集成化生产,这是一个“多、快、好、省”的举措。
  四、结束语
  非晶、纳米晶软磁材料由于它的优异特性,在不同的应用中,弥补了硅钢和铁氧体材料的不足,使各类电子产品提高到一个新水平、提高了效率、取得了明显的节能效果。新材料显示了朝气蓬勃的生命力。
  现在,越来越多的人认识了非晶、纳米晶材料,除了变压器以外,非晶、纳米晶材料还可以作为互感器、电抗器、传感器、滤波器等器件的铁芯材料,应用范围还涉及到我们的日常生活中的家用电器、智能电表、直流变频空调、漏电保护开关等,电力系统的输变电测量、配电、遥测传感等,铁路系统的机车空调、电力机车的逆变电源、铁路信号传感等,还应用在航天、航空、航海等多项军工和国家高科技项目中,被定型采用。

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