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納米晶材料應用于逆變電源的優點與問題

2018/11/01

   高頻逆變電源的工作頻率在20kHz~50 kHz,作為電源心臟的主變壓器,傳統的鐵芯材料鐵氧體雖高頻損耗較低,但其低頻段(100kHz以下)的磁特性不太好,又因其飽和磁感應值(Bs)較低,鐵芯的體積和重量仍較大,此外,鐵氧體的居里溫度較低,熱穩定性差,溫度稍高即導致Bs值降低,易飽和,工作狀態不穩定,不適合于高頻大功率下使用。納米晶材料,具有優良的綜合磁性能,特別是應用在高頻大功率逆變電源上,作為逆變變壓器的鐵芯已是獨占鰲頭。

一、納米晶的優點
  納米晶材料同時具備了硅鋼、坡莫合金、鐵氧體的優點。即:
  高磁感:飽和磁感Bs=1.2T,是坡莫合金的一倍,鐵氧體的2.5倍。鐵芯功率密度大,可以達到15 kW~20kW
  高磁導率:靜態初始導磁率μ0可高達12萬~14萬,與坡莫合金相當。用于功率接觸器鐵芯的磁導率是鐵氧體的10多倍,大大降低了激磁功率,提高了變壓器的效率。
  低損耗:在20kHz~50kHz頻率范圍是鐵氧體1/2~1/5,降低鐵芯溫升。
  居里溫度高:納米晶材料的居里溫度達570℃,鐵氧體的居里溫度僅180℃~200℃。
  由于以上的優點,納米晶制造的變壓器應用在逆變電源上,對電源可靠性提高起了很大作用:
  損耗小,變壓器溫升低,大量用戶的長期實際使用證明,納米晶變壓器的溫升遠遠低于IGBT管子的溫升。
  鐵芯磁導率高,降低了激磁功率,減小了銅損,提高了變壓器的效率。變壓器的初級電感大,減小了電流在開關時對IGBT管子的沖擊。
  工作磁感高,功率密度大,可達到15Kw。減小了鐵芯的體積。特別是大功率逆變電源,體積減小使得在機箱內空間增大,有利于IGBT管子的散熱。
  變壓器的過載能力強,由于工作磁感選擇在飽和磁感的40%左右,當過載發生時,僅由于磁感增高產生發熱,而不會因鐵芯飽和而損壞IGBT管子。
  納米晶材料的居里溫度高,假設溫度達到100℃以上時,鐵氧體變壓器已經不能工作,納米晶變壓器完全可以正常工作。
  納米晶的這些優點,被越來越多的電源生產廠家認識并采用,國內一批生產廠,已經采用納米晶鐵芯,并應用多年。越來越多的廠家開始使用或試用。目前已經廣泛應用在逆變焊機、通信電源、電鍍電解電源、感應加熱電源、充電電源等領域,今后幾年還會有更大幅度的增加。

二、大家關心的幾個問題
  納米晶材料在應用于逆變電源的過程中,曾出現了一些如噪聲問題、脆性問題、一致性問題等,在一定程度上對推廣應用帶來影響,引起了關注。現在這些問題都已經逐步得到解決。

(一)噪聲問題
  噪聲的形成有多方面的原因:
1.材料本身磁致伸縮系數的原因,鐵氧體材料的磁致伸縮系數比較大,盡管鐵氧體磁芯是實心的,在使用有時也會出現噪聲。
  納米晶的成分不同,磁致伸縮系數不同,前幾年使用的成分,是一種通用的合金的成分,因此制造出變壓器的噪聲問題比較突出,隨著應用、開發越來越深入,針對不同用途采用不同的合金成分,以滿足不同器件對磁性的特殊要求。例如,作為功率輸出變壓器、電流互感器、共模電感等,都開發出專用的成分。根據功率變壓器的要求調整的合金成分,降低了磁致伸縮系數,經用戶使用證明,噪聲問題已經大大改善。
2.鐵芯卷繞松緊上的原因,這與使用的帶材質量有很大關系,帶材尺寸偏差、厚薄不均勻都會造成鐵芯卷繞不緊,容易產生噪聲。調整成分后,鋼水流動性好,有利于帶材的成型質量,在一定程度上為降低鐵芯噪聲,提供了有利保證。
3.逆變電路方面的問題,電路中直流成分大,造成鐵芯的工作磁感提高,引起噪聲。我們的實驗證明,噪聲隨工作磁感的提高而增大。有的廠家在電路上采取了隔直流措施,使用納米晶鐵芯多年來沒有出現噪聲問題。

  通過以上的改進,噪聲問題基本得到了解決。
(二)脆性問題
  納米晶鐵芯的脆性主要反應在鐵芯掉渣,是用戶反映最大問題,不僅對安裝操作是頭痛的事,而且容易給電路造成短路的隱患。經過多年的實踐、研究,脆性問題通過對成分、工藝的調整,得到大大改善。成分調整后,帶材的柔韌性顯著改善。帶材厚度的減薄也減低了脆性。此外在制造鐵芯的工藝上,對鐵芯浸注無應力膠,使得鐵芯不易破碎,徹底解決了鐵芯的掉渣的脆性問題。同時,由于無應力膠把鐵芯帶材的層間隙固定,使其不易產生共振,減少了噪聲的產生。

(三)一致性問題
  一致性跟生產規模有關,與生產設備的容量有關。從帶材的質量看,一臺500公斤產量的設備和50公斤產量設備比較,同樣生產500公斤帶材,顯然,前者產品在成分、磁性能的一致性要好于后者。同樣在生產過程中的熱處理也是同樣。所以生產規模大、生產設備容量大對一致性有利。
  納米晶的一致性在用戶使用中,主要表現在飽和電壓和電感量離散性大,有時會相差一倍多。主要原因是磁場熱處理的效果差、生產檢驗沒有分類篩選。隨著用于功率變壓器的成分的調整,不僅改善了脆性,而且降低了材料的剩余磁感應強度,因此,增大了磁場熱處理的效果,提高了鐵芯的飽和電壓,對產品一致性起了重要作用。
  對逆變電源所要求的磁性能,有一個逐步認識過程,前幾年,由于用量較小,只強調損耗達到要求就可以了。所以,性能檢驗只測量損耗這一個參數。對特定的用戶,增加檢驗感應電壓值。隨著應用的量越來越大,各種各樣的要求隨之提出,特別是性能一致性的要求特別突出。由于對這種要求有一個認識過程,所以無論在成分改進、生產組織、測試標準等方面,都有些滯后。因此對推廣應用有一定影響。現在這個問題得到了足夠的認識,并采取了多種有效措施,一致性已大大提高。

(四)價格問題
  價格問題是用戶最關心的,特別是準備使用或剛剛開始使用的用戶。價格與生產量有直接關系,這幾年,隨著納米晶鐵芯應用的領域越來越廣泛,不僅用于逆變焊機,而且大量用于電解電鍍設備、感應加熱設備、充電設備、通信電源、UPS電源、X光機電源、激光電源、變頻調速電源等領域,產量越來越大,價格也有較大幅度的降低,目前的價格比最初的價格已經下降了約40%,隨著應用量的不斷增大,價格會越來越低,納米晶的價格會越來越接近鐵氧體的價格。
  目前對于15千瓦以上的大功率的電源來說,實際上納米晶鐵芯的價格已經低于鐵氧體鐵芯了。因為鐵氧體鐵芯的尺寸有限,大功率變壓器所需要的磁芯很難解決,不得不使用幾個鐵芯才能滿足功率要求。而納米晶鐵芯一個就可以了。從單價上看,鐵氧體便宜很多,但幾個鐵芯的總價就比納米晶鐵芯的價格高了。

三、納米晶變壓器的產品
  所使用的納米晶變壓器幾乎都是整機生產廠自己繞制的,由于各廠逆變電路的設計不同、對納米晶材料的了解不同、對變壓器制造工藝掌握程度不同,制造出的變壓器水平也不同。制造高頻變壓器成為生產中的重要環節。因此,一些廠家提出,能否專業化生產高頻變壓器,整機生產廠直接購買變壓器的要求。
  原來20kHz~50kHz頻率范圍的變壓器,一般采用鐵氧體做變壓器鐵芯,鐵芯形式多為U型或EI型,少數使用O型鐵芯,U型或EI型鐵芯從結構上很難降低變壓器的漏感。
  由于納米晶材料的優點,為高頻變壓器的小型化、高效化提供了理想的材料。新材料促進了的一種新結構的高頻變壓器誕生。
  這種獲得專利的取名“甲殼蟲”的變壓器,后經別人改進后稱為“H” 型變壓器,也獲得專利,這兩種變壓器充分利用納米晶材料的高磁導率、高磁感應強度、損耗低等磁特性和環形鐵芯漏磁小的特點,在變壓器的初、次級結構方面推陳出新。利用鐵芯的金屬保護盒作為變壓器的次級線圈,適合大電流輸出,初級線圈均勻的繞在次級上,漏感很小。變壓器固定支撐與匯流輸出結合為一體,有利于散熱。

這種變壓器的優點是:
1.功率大:10 kW~20kW,功率密度可達到15 kW~20kW
2.漏感小,一般水平小于5μH,最好的小于2μH
3.效率高,達到99%以上
4.體積小、重量輕,15 kW變壓器的重量為3公斤,體積為 160×150×95 mm
5.外形美觀。
  由于這種變壓器的結構和加工等方面的原因,價比較高,目前僅在電鍍、電解電源上得到了一定數量的應用。對于價格競爭激烈的行業推廣還有困難。為此,又推出了一種“Ω”型變壓器。
  “Ω”型變壓器其結構和普通環形變壓器相同,但繞線方法有改進,從而降低了漏感和分布電容。漏感一般可以小于10μH。這種變壓器的價格比“甲殼蟲”或“H”型變壓器低40%左右。優異的性能價格比吸引了不少廠家。
  納米晶變壓器的產品化,合理的使用了納米晶軟磁材料的性能;有利于高頻電源變壓器的產品化、標準化;有利于變壓器效率、水平的提高;有利于逆變焊機、電鍍、電解等設備
  生產效率的提高。目前已有幾個廠家能夠生產這種變壓器。
  現在已有一些整機生產開始采用“Ω”型變壓器,實現集成化生產,這是一個“多、快、好、省”的舉措。

四、結束語
  非晶、納米晶軟磁材料由于它的優異特性,在不同的應用中,彌補了硅鋼和鐵氧體材料的不足,使各類電子產品提高到一個新水平、提高了效率、取得了明顯的節能效果。新材料顯示了朝氣蓬勃的生命力。

2019精品国产品在线不卡  現在,越來越多的人認識了非晶、納米晶材料,除了變壓器以外,非晶、納米晶材料還可以作為互感器、電抗器、傳感器、濾波器等器件的鐵芯材料,應用范圍還涉及到我們的日常生活中的家用電器、智能電表、直流變頻空調、漏電保護開關等,電力系統的輸變電測量、配電、遙測傳感等,鐵路系統的機車空調、電力機車的逆變電源、鐵路信號傳感等,還應用在航天、航空、航海等多項軍工和國家高科技項目中,被定型采用。 

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