高頻磁場(chǎng)環(huán)境下熱電偶測(cè)溫研究

1、第 3 1 卷 第 4期 2 0 1 2年 1 0月電 工 電 能 新 技 術(shù) Ad v a n c e dT e c h n o l o g yo fEl e c t r i c a lEn g i n e e r i n ga n dEn e r g yVo 1 ． 31，No． 4Oc t ．2 0 1 2高頻磁場(chǎng)環(huán)境下熱 電偶測(cè)溫研究 林 蘇斌 ，陳為 ， 汪 晶慧( 福 州 大學(xué) 電氣工程 與 自動(dòng) 化 學(xué)院 ，福 建 福 州

2、 3 5 0 1 0 8 )摘 要 ： 在 高頻磁 場(chǎng)環(huán) 境下 采 用熱 電偶 測(cè)溫 時(shí) ， 會(huì)存 在很 大 的誤 差 。本 文分析 了誤 差 產(chǎn) 生的機(jī) 理 ， 指 出測(cè) 溫誤 差 是 由于 高頻磁 場(chǎng) 環(huán)境 下熱 電偶金屬 端部 的 渦流效 應(yīng)產(chǎn) 生較 大的損耗 密度所 引起 。在 電磁 場(chǎng)理 論分 析的基 礎(chǔ) 上 ， 搭 建 了熱 電偶 高頻磁 場(chǎng)環(huán) 境 測(cè)溫 平 臺(tái) ， 結(jié)合 測(cè) 量結(jié) 果 ， 采 用 多元 非 線(xiàn)性 回 歸算

3、法建 立 了正弦波磁 場(chǎng)環(huán) 境 下的 K型 熱 電偶溫 升模 型 ， 以修 正 高頻磁 場(chǎng) 渦流 效 應(yīng) 的影 響 。利 用加 權(quán) 平均等 效 正弦頻 率的 方法 ， 將 正 弦波磁 場(chǎng)激勵(lì) 下 的熱 電偶 溫 升模 型 應(yīng) 用 于方 波 電壓 激 勵(lì) 下 的三 角波磁 場(chǎng)測(cè) 溫環(huán)境 。 實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證 了本 文建 立的模 型在 正 弦渡與三 角波 高頻磁 場(chǎng) 下具有很 高的測(cè) 溫 精 度 。關(guān)鍵 詞 ：熱 電偶 ；高頻磁 場(chǎng) ；溫升模 型

4、 ；渦流 中 圖 分 類(lèi) 號(hào) ： T M2 7 7 ． 1文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 ： A文 章 編 號(hào) ：1 0 0 3 — 3 0 7 6 ( 2 0 1 2 ) 0 4 - 0 0 6 2 - 041引言 高功 率密度 是 開(kāi) 關(guān) 電源 發(fā) 展 的方 向之 一 ， 隨 著 開(kāi)關(guān) 電源工作頻率不斷提高 ， 輸 出電流不斷增大， 高 頻 功率磁 性 元 件 以及 開(kāi)關(guān) 器 件 的損 耗 也 在 急 劇 增 大 ， 嚴(yán)重影 響產(chǎn)品的可靠性和安

5、全性¨， 因此有必 要對(duì) 開(kāi)關(guān) 電源 溫升 進(jìn)行 準(zhǔn)確測(cè) 量 。 由于磁 性元 件體 積 大 ， 不． 易 散 熱 ， 成 為 開(kāi) 關(guān) 電 源 的 最 熱 點(diǎn) 。 G B4 9 4 3 - 2 0 0 1 對(duì) 開(kāi)關(guān) 電源 產(chǎn) 品溫 升 測(cè)量 指 出 ： 如 果 未 規(guī)定具體的測(cè)量方法 ， 應(yīng)采用熱電偶法或 電阻法來(lái) 測(cè)量 繞組 的溫度 ， 對(duì)除繞 組 以外 的零部件 的溫 度 ， 應(yīng) 采 用熱 電 偶 法 來(lái) 測(cè) 定 嵋。 功

6、 率 器 件 溫 升 的測(cè) 量 比 較 容易 實(shí)現(xiàn) ， 對(duì)于 磁性元 件 的溫升 測(cè)量 ， 電阻法 只能 得到繞組平均溫升 ， 得不到溫升最高點(diǎn)。目前工程 上 只能 采用 熱 電偶 測(cè) 量 線(xiàn) 圈 表 面溫 升 ， 再 通 過(guò)經(jīng) 驗(yàn) 估算 內(nèi)部溫 升的方 法 ， 但 這 種 方 法 明顯 存 在 較大 誤 差 。 目前 國(guó) 內(nèi)外 相關(guān) 文獻(xiàn)對(duì) 熱 電偶 測(cè)溫誤 差 進(jìn)行分 析 ， 主要集中在熱電偶本身的劣化誤差 ， 熱電偶冷端 溫度不為

7、零引起的誤差 ， 被測(cè)溫度與熱 電偶輸 出熱 電勢(shì)非 線(xiàn)性 引起 的誤差 等 。為 了準(zhǔn)確 評(píng)估 磁 性 元 件 繞組 內(nèi)部 的 溫 升情 況 ，需要直接將熱 電偶埋 在繞組 內(nèi)部測(cè)量溫升 ， 如圖 1所示 。在 實(shí)際 溫升測(cè) 試 中 ， 發(fā)現(xiàn) 埋在 原 、 副邊繞 組之 間的熱 電偶 1的溫 升要 明顯大 大高 于埋 在線(xiàn) 圈表 面 熱 電偶 2的溫 升 ， 兩 者溫差 可高 達(dá) 1 0 0多度 ， 這一 現(xiàn) 象 ， 顯然 無(wú)法 用

8、繞 組 損耗 引起 的溫 升 來(lái)解 釋 。從 圖 1的磁 場(chǎng) 分 布 可 以看 出 ： 雖然 繞 組 外 部熱 電偶 2所 處位置的磁場(chǎng)為零 ， 但繞組 內(nèi)部熱 電偶 1 位置卻存 在一定的漏磁場(chǎng) ， 因此繞組 內(nèi)部的熱 電偶是處在高頻磁 場(chǎng) 環(huán)境 下 ， 雖 然 這 個(gè) 磁 場(chǎng) 很 小 ， 一 般 只 有 毫 特 級(jí) ， 但 在千赫 茲高 頻作用 下 ， 就可 能帶來(lái) 額外 損耗 和 溫 升 。熱 電偶 1 熱 電偶 2圖 1高頻變壓

9、器結(jié)構(gòu)及磁場(chǎng)分布 F i g ． 1Hi g h - f r e q u e n c yt r a n s f o r me ra n dma g n e t i cf i e l d本 文主要 針對(duì) 高頻 磁場(chǎng) 環(huán)境 下熱 電偶測(cè) 溫應(yīng) 用 收稿 日期 ：2 0 1 2 ． 0 2 - 0 6基金項(xiàng) 目 ： 國(guó)家 自然科學(xué)基金( 5 0 8 7 7 0 1 0 ) 和福建省教育廳 資助項(xiàng) 目( J A 1 1 0 2 8 )作者簡(jiǎn)介

10、：林蘇斌 ( 1 9 7 7 · ) ，男 ， 福建籍 ， 講師 ，博士生 ， 研究方向?yàn)殡娏﹄娮痈哳l磁技術(shù) ；陳 為 ( 1 9 5 8 一 ) ， 男 ， 福建籍 ， 教授／ 博導(dǎo) ， 研究方 向?yàn)?電力 電子高頻磁技術(shù)及 電磁兼容 。電 工 電 能 新 技 術(shù) 第 3 1 卷 1 6 0l 4 01 2 01 0 0殺 8 0贈(zèng) 6 O4 02 OO圣蛹 K型熱 電偶 能I l 辜生 器I l - 茹熱電偶測(cè)試儀 墊：

11、一 一 ：圖 3 熱電偶 高頻電磁環(huán)境測(cè)溫原理 圖F i g ． 3S c h e ma t i cd i a g r a mo ft e mp e r a t u r em e a s u r e me n ti nHF E F+ l 一2 0 k H z+ ， =3 0 k H z— f 一4 0 k H z一 * ，5 0 k H z+ ，6 0 k H z+ f7 0k H z+ r 一8 0k H z一 ，9 0 k H z一

12、 ， 一1 O 0k H z圖 4 磁感應(yīng)強(qiáng)度- 溫升曲線(xiàn) F i g ． 4F l u xd e n s i t y — t e mp e r a t u r er i s eC H I v e+=l mT+ 曰 =l5 mT—B= 2 m T— * 一 古= 2 ． 5 mT+ 曰 = 3 r ot+ 曰 = 3 ． 5 mT+ 曰 - 4 mT一 詹 - 45 mT一 日 = 5 mT圖 5 頻率- 溫升曲線(xiàn) F i g ． 5F

13、 r e q u e n c y - t e mp e r a t u r er i s ec u r v e模型的關(guān)鍵是確定式 ( 8 ) 中的待定系數(shù) ， 本文 以不 同磁感應(yīng)強(qiáng)度及不同頻率下的高頻磁場(chǎng)實(shí)測(cè)溫升數(shù) 據(jù)為輸 入 ， 按式 ( 8 ) 的形 式 構(gòu)造 回歸 方程 ， 并 給定 待 定系數(shù)初值 ， 基于 n l i n f i t 非線(xiàn)性 回歸算法 ， 確定待定 系數(shù) ， 其流 程如 圖 6所 示 。輸 入 施 加 的 高

14、 II輸 入 實(shí) 測(cè)I 構(gòu) 造 回 歸 方 程頻磁場(chǎng)的 ， ．廠溫 升 樣 本 卜 _ — — ～樣 本 數(shù) 據(jù)IJ數(shù) 據(jù)}得到待定系數(shù) 圖 6熱 電偶溫升數(shù)學(xué)模型流程圖 F i g ． 6F l o wc h a r to fmo d e lo ft e mp e r a t u r er i s e確定的 K型熱 電偶正弦波高頻磁場(chǎng)環(huán)境測(cè)溫 溫升數(shù) 學(xué)模 型為 ：AT =0 ． 9 5 7 6 f 0 ． 6 5 2 B·

15、;。 。( 1． ． 0 ． 3 7 f。 · 。B 。 ·。 ) ( 9 )5磁通 波形 為三 角波 的高 頻磁 場(chǎng)熱 電偶 測(cè) 溫模型 開(kāi)關(guān) 電源中的磁件大多數(shù)工作在方波或者矩形 波 電壓 激勵(lì)下 ， 此 時(shí) 電磁 場(chǎng) 隨時(shí) 間呈三 角波變 化 ， 因 此有必 要在 上述 正弦波 激勵(lì) 下熱 電偶測(cè) 溫模 型 的基 礎(chǔ)上 ， 進(jìn)一步 分析 三 角波 規(guī) 律 變 化 的 電磁 場(chǎng) 環(huán)境 下 熱電偶溫升模型。在磁芯損

16、耗計(jì)算 中可根據(jù)修正的斯坦 麥 茨 公 式 ( Mo d i f i e dS t e i n m e t z ． E q u a t i o n ，MS E)計(jì)算方波或矩形波激勵(lì)下的磁芯損耗。并可計(jì)算出等效正弦頻率。M S E在計(jì)算方波或矩形波激勵(lì)下 磁芯損 耗 時(shí)認(rèn) 為磁 芯損 耗 主要 與 經(jīng)過(guò)加 權(quán)處 理 的磁 化速率 d B ／ d t 相關(guān) 。熱 電偶 在高 頻 磁場(chǎng) 環(huán) 境下 測(cè)溫產(chǎn)生誤差的原因是其偶絲端部在磁場(chǎng)環(huán)境中產(chǎn)

17、 生渦 流損耗 引起 的額 外 溫 升 ， 與 磁 芯損 耗 產(chǎn) 生 的機(jī) 理類(lèi)似 ， 因此本 文根據(jù) MS E的原理 確定 方 波 或矩 形 波 電壓激勵(lì) 下 的熱 電偶 端部 渦流 損耗 。求 出 的等效 正 弦頻率 可表示 為 ：= ()d z( 1 0 )= ( 1 1 )式中，． 。 。 為等效正弦波頻率 ； T為方 波周期 ； A B是磁 密峰 峰值 。方波激勵(lì)的等效頻率見(jiàn)表 1 。因此對(duì)于 電壓是 方 波或矩 形波

18、激 勵(lì)下 的高 頻 電磁場(chǎng) 下熱 電偶測(cè) 溫模 型也可 用式 ( 9 ) 的 正 弦波 溫 升 模 型 表 示 ， 在 應(yīng) 用 時(shí) 將 式 ( 9 ) 中的頻 率用 等效 正弦 波頻率 替換 。表 1方波激勵(lì) 的等效正 弦波頻 率 T a b ． 1S i n ew a v ee q u i v a l e n tf r e q u e n c y6K型熱 電偶 高頻 電磁 場(chǎng)環(huán) 境測(cè) 溫 溫升 數(shù) 學(xué)模型精度驗(yàn)證 為 了驗(yàn)證溫 升 模