納米晶材料用於逆變電源的優點和主要問題的解決?

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,不適合於高頻大功率下使用。納米晶材料,具有優良的綜合磁效能,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佔鰲頭。

一、納米晶的優點。

納米晶材料同時具備了矽鋼、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/kg。

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。用於功率變壓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頻率範圍是鐵氧體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℃。

由於以上的優點,納米晶製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,大量使用者的長期實際使用證明,納米晶變壓器的溫升遠遠低於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管子的衝擊。

工作磁感高,功率密度大,可達到15Kw/kg。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,有利於IGBT管子的散熱。

變壓器的過載能力強,由於工作磁感選擇在飽和磁感的40%左右,當過載發生時,僅由於磁感增高產生髮熱,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並採用,國內一批生產廠,已經採用納米晶鐵芯,並應用多年。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、通訊電源、電鍍電解電源、感應加熱電源、充電電源等領域,今後幾年還會有更大幅度的增加。

納米晶材料用於逆變電源的優點和主要問題的解決

主要問題的解決

納米晶材料在應用於逆變電源的過程中,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.材料本身磁致伸縮係數的原因,鐵氧體材料的磁致伸縮係數比較大,儘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,磁致伸縮係數不同,前幾年使用的成分,是一種通用的合金的成分,因此製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,針對不同用途採用不同的合金成分,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,降低了磁致伸縮係數,經使用者使用證明,噪聲問題已經大大改善。

2.鐵芯卷繞鬆緊上的原因,這與使用的帶材質量有很大關係,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。調整成分後,鋼水流動性好,有利於帶材的成型質量,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。有的廠家在電路上採取了隔直流措施,使用納米晶鐵芯多年來沒有出現噪聲問題。

納米晶材料用於逆變電源的優點和主要問題的解決

(二)脆性問題

納米晶鐵芯的脆性主要反應在鐵芯掉渣,是使用者反映最大問題,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。成分調整後,帶材的柔韌性顯著改善。帶材厚度的減薄也減低了脆性。此外在製造鐵芯的工藝上,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,由於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,與生產裝置的容量有關。從帶材的質量看,一臺500公斤產量的裝置和50公斤產量裝置比較,同樣生產500公斤帶材,顯然,前者產品在成分、磁效能的一致性要好於後者。同樣在生產過程中的熱處理也是同樣。所以生產規模大、生產裝置容量大對一致性有利。

納米晶的一致性在使用者使用中,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。隨著用於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餘磁感應強度,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效能,有一個逐步認識過程,前幾年,由於用量較小,只強調損耗達到要求就可以了。所以,效能檢驗只測量損耗這一個引數。對特定的使用者,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,特別是效能一致性的要求特別突出。由於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,都有些滯後。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,並採取了多種有效措施,一致性已大大提高。

(四)價格問題

價格問題是使用者最關心的,特別是準備使用或剛剛開始使用的使用者。價格與生產量有直接關係,這幾年,隨著納米晶鐵芯應用的領域越來越廣泛,不僅用於逆變焊機,而且大量用於電解電鍍裝置、感應加熱裝置、充電裝置、通訊電源、UPS電源、X光機電源、鐳射電源、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。

目前對於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於鐵氧體鐵芯了。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。

注意事項

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、感測器、濾波器等器件的鐵芯材料,應用範圍還涉及到我們的日常生活中的家用電器、智慧電錶、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、遙測感測等,鐵路系統的機車空調、電力機車的逆變電源、鐵路訊號感測等,還應用在航天、航空、航海等多項軍工和國家高科技專案中,被定型採用。

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