一种变压器间共噪声等效电容测量方法及设备与流程

本发明涉及电容测量领域，特别是涉及一种变压器间共噪声等效电容测量方法及设备。

背景技术：

变压器是电路中磁能的传输元件，在电路设计中，一般只考虑其感量、耦合系数等磁参数特性以及损耗参数。但是，为了能够更好研究动态情况下变压器的工作状态，需要测量其动态特性。变压器原副边间，仅由绕组相对面积和绕组间的绝缘间距等物理结构参数决定的耦合电容，称之为结构电容。而考虑了实际变压器工作时绕组电位分布影响，能反应实际电路工作时对共模传导噪声抑制作用的电容称为共模噪声有效电容。由于变压器绕结构复杂，可能含有磁芯、骨架、绕组、屏蔽层、绝缘胶带、挡墙等。在评估其电磁兼容特性时，传统方法一般测量其结构电容的大小，该电容与变压器在实际电路工作时所表现出的电磁兼容特性存在很大差异。

变压器结构电容可以在设计时估算，但是实际值与估算值往往有差距。工作时变压器共模有效电容难以测定。现有估计变压器原副边之间耦合电容的方法如下：1、理论计算法：通过理论计算，预估计变压器耦合电容的大小。2、仪表直接测量法：在变压器非工作状态下直接通过LCR表或阻抗分析仪在原副边的同名端测试。测试方法如图1所示，11、14为待测的变压器耦合电容，121、151为变压器原边，122、152为变压器副边，图中13分析仪器为阻抗分析仪或LCR表或网络分析仪。该方法只能测得变压器原副边的静态结构电容。3、专利共模电容测量设备及方法（公告号CN 101943717 B）提出了一种测量隔离元件共模电容的方法及设备，主要原理图如图2所示。该发明提出一种具有双端口网络测量有效参数的测量设备，可以测量有静态工作点的变压器原副边间共模电容。该方法是针对现有使用网络分析仪等二端口分析仪器测量电压强间共模有效电容的具体实施方案，但是该方法不能够测量原副边没有电压静点的变压器的共模有效电容，也忽略了接地电容的影响，实际情况下接地电容大小对变压器间共模有效电容影响比较大。

上述现有技术中，方法1、 2只能够测量估算变压器静态工作时的结构电容，不能反映变压器实际工作时绕组上电位的分布情况，上述方法均不能测量在变压器工作时的有效共模电容。变压器在不同的电路中，其工作模式是不一样的。在不同的工作模式下，变压器原、副边绕组上产生的电位分布是不一样的，因此有效的共模噪声有效电容的大小也不一样，利用这种方法测得的是变压器原、副边间的静态结构电容，而不是电路实际工作时对共模噪声起作用的动态电容。方法3虽然可以测量如反激电路等有静态工作点的电路拓扑变压器的共模噪声电容，但是不可以测量变压器两端无静位点的电力电子拓扑如全桥电路、正激电路的共模噪声电容。

现有技术方案均不能测量工作状态下变压器原副边没有静位点的共模有效电容，也不能测量变压器副端未接地情况下接地电容对变压器共模有效电容的影响。实际情况下在原边为全桥电路或者副边为全桥整流时该边都没有电位静点，难以测得变压器间共模有效电容。

本发明针对电力电子功率变换器中变压器的电磁兼容特性，尤其是针对不同电力电子拓扑中变压器工作时综合考虑变压器电路拓扑影响、绕组电位分布、屏蔽层、磁芯、骨架等综合影响的有效电容即共模噪声有效电容的测量提出了一种新的准确测量方法，能够有测量目前难以测得的原副边无电位静点变压器的共模噪声有效电容。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种变压器间共噪声等效电容测量方法及设备，能够准确测量各种电力电子电路中变压器实际工作状态时的共模噪声有效电容。

本发明采用以下方案实现：一种变压器间共噪声等效电容测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：制作等效接地电容C_G：

（1）当电源中所输出侧与大地不相连时，提供一LCR表，将所述LCR表的一端与待测变压器相连，另一端接大地或地线，测量电源输出侧的电位静点与大地间的寄生电容，制作和所述待寄生电容大小一致的等效接地电容C_G；

（2）当所述电源中所输出侧与大地相连时，等效接地电容C_G用短路线代替；

步骤S2：构造一测量设备，将含有所述电源中的待测变压器单独与所述测量设备连接；

（1）当所述电源中待测变压器原边与副边均无电位静点端时，所述测量设备包括一信号发射器、辅助变压器一、辅助变压器二和信号接收器；将所述辅助变压器一、所述辅助变压器二的原边与副边的非同名端相连形成含有中间连接点的辅助变压器串联结构一和含有中间连接点的辅助变压器串联结构二；将所述信号发射器的正极与所述辅助变压器串联结构一的一端相连，将所述信号发射器的负极与所述辅助变压器串联结构一的中间连接点相连；将所述辅助变压器串联结构一的两端与所述待测变压器的原边的两端相连；将所述辅助变压器串联结构二的两端与所述待测变压器的副边的两端相连；将所述等效接地电容的一端与所述辅助变压器串联结构二的中间连接点相连，将所述等效接地电容的另一端与所述信号接收器的正极相连；将所述信号接收器的负级与所述信号发射器的负极相连。

（2）当所述电源中待测变压器原边无电位静点端、副边有电位静点端时，所述测量设备包括一信号发射器、辅助变压器一和信号接收器；将所述辅助变压器一的原边与副边的非同名端相连形成含有中间连接点的辅助变压器串联结构一；将所述信号发射器的正极与所述辅助变压器串联结构一的一端相连，将所述信号发射器的负极与所述辅助变压器串联结构一的中间连接点相连；将所述辅助变压器串联结构一的两端与所述待测变压器的原边的两端相连；将所述待测变压器副边的电位静点端与所述等效接地电容的一端相连，将所述等效接地电容的另一端与所述信号接收器的正极相连；将所述信号接收器的负级与所述信号发射器的负极相连。

（3）当所述电源中所述待测变压器原边有电位静点端，副边无电位静点端时，所述测量设备包括一信号发射器、辅助变压器二和信号接收器；将所述辅助变压器二的原边与副边的非同名端相连形成含有中间连接点的辅助变压器串联结构二；将所述信号发射器的正极与所述待测变压器的副边的电位动点端相连，将所述信号发射器的负极与所述待测变压器的副边的电位静点端相连；将所述辅助变压器串联结构二的两端与所述待测变压器的副边的两端相连；将所述等效接地电容的一端与所述辅助变压器串联结构二的中间连接点相连，将所述等效接地电容的另一端与所述信号接收器的正极相连；将所述信号接收器的负级与所述信号发射器的负极相连。

步骤S3：通过所述信号接收器与所述信号发生器的信号大小计算得出所述待测变压器间共模有效电容C_Q。

进一步地，所述信号发射器包括信号源内阻，高频信号发生器；所述辅助变压器一原边和副边绕组的匝比为N1：N2=1:1；所述辅助变压器二原边和副边绕组的匝比为N3：N4=1:1。

进一步地，所述信号发射器与信号接收器包括一频谱分析器、一EMI接收机以及一网络分析仪。

进一步地，当所述电源中所输出侧与大地不相连时，所述步骤S3中，根据以下公式计算得到所述待测变压器间共模有效电容C_Q：

其中f 为高频激励源频率，IL 为信号发射器的插入损耗；

当所述电源中所输出侧与大地相连时，所述步骤S3中，根据以下公式计算得到所述待测变压器间共模有效电容C_Q：

其中f 为高频激励源频率，IL 为信号发射器的插入损耗。

在本发明还采用以下方案实现：一种变压器间共噪声等效电容测量设备，所述测量设备包括一信号发射器、辅助变压器一、辅助变压器二和信号接收器；所述辅助变压器一原边和副边绕组的匝比为N1：N2=1:1；所述辅助变压器二原边和副边绕组的匝比为N3：N4=1:1；所述辅助变压器一、所述辅助变压器二的原边与副边的非同名端相连形成含有中间连接点的辅助变压器串联结构一和含有中间连接点的辅助变压器串联结构二；所述信号发射器的正极与所述辅助变压器串联结构一的一端相连，所述信号发射器的负极与所述辅助变压器串联结构一的中间连接点相连；所述辅助变压器串联结构一的两端用以与待测变压器的原边的两端相连；所述辅助变压器串联结构二的两端用以与待测变压器的副边的两端相连；所述等效接地电容的一端与所述辅助变压器串联结构二的中间连接点相连，所述等效接地电容的另一端与所述信号接收器的正极相连；所述信号接收器的负级与所述信号发射器的负极相连。

在本发明还采用以下方案实现：一种变压器间共噪声等效电容测量设备，所述测量设备包括一信号发射器、辅助变压器一和信号接收器；所述辅助变压器一原边和副边绕组的匝比为N1：N2=1:1；所述辅助变压器一的原边与副边的非同名端相连形成含有中间连接点的辅助变压器串联结构一；所述信号发射器的正极与所述辅助变压器串联结构一的一端相连，所述信号发射器的负极与所述辅助变压器串联结构一的中间连接点相连；所述辅助变压器串联结构一的两端用以与待测变压器的原边的两端相连；所述等效接地电容的一端用以与待测变压器副边的电位静点端与相连，所述等效接地电容的另一端与所述信号接收器的正极相连；所述信号接收器的负级与所述信号发射器的负极相连。

在本发明还采用以下方案实现：一种变压器间共噪声等效电容测量设备，所述测量设备包括一信号发射器、辅助变压器二和信号接收器；所述辅助变压器二原边和副边绕组的匝比为N3：N4=1:1；所述辅助变压器二的原边与副边的非同名端相连形成含有中间连接点的辅助变压器串联结构二；所述信号发射器的正极用以与待测变压器的副边的电位动点端相连，所述信号发射器的负极用以与待测变压器的副边的电位静点端相连；所述辅助变压器串联结构二的两端用以与待测变压器的副边的两端相连；所述等效接地电容的一端与所述辅助变压器串联结构二的中间连接点相连，所述等效接地电容的另一端与所述信号接收器的正极相连；所述信号接收器的负级与所述信号发射器的负极相连。

进一步地，所述信号发射器与信号接收器包括一频谱分析器、一EMI接收机以及一网络分析仪。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、利用了测量变压器之间的耦合电压互相抵消，使得二端口仪器不直接接在变压器电位跳变点，能够测量任意电力电子拓扑中的变压器，应用广泛。2、考虑到接地电容影响，测量出的变压器间共模等效电容更加准确，有实际参考意义。3、该技术方案应用了阻抗分析仪的特点，可以真实有效地测量出变压器工作时动态情况下变压器的共模噪声有效电容，解决的变压器动态情况下EMI特性测试难的问题。4、无需改造变压器，方法简单易于实施。

附图说明

图1为现有技术的测试电路示意图。

图2为现有技术的共模电容的测量设备示意图。

图3为本发明中当原副边均无电位静点时的测量设备接线示意图。

图4为本发明中当原边无电位静点副边有电位静点时的测量设备接线示意图。

图5为本发明中当当原边有电位静点副边无电位静点时的测量设备接线示意图。

图6为本发明实施例中原端全桥逆变副端全桥整流电路拓扑图。

图7为本发明实施例中待测变压器共模噪声有效电容测量电路模型图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种变压器间共噪声等效电容测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：制作等效接地电容C_G：

（1）当电源中所输出侧与大地不相连时，提供一LCR表，将所述LCR表的一端与待测变压器相连，另一端接大地或地线，测量电源输出侧的电位静点与大地间的寄生电容，制作和所述待寄生电容大小一致的等效接地电容C_G；

（2）当所述电源中所输出侧与大地相连时，等效接地电容C_G用短路线代替；

步骤S2：构造一测量设备，将含有所述电源中的待测变压器单独与所述测量设备连接；

（1）当所述电源中待测变压器原边与副边均无电位静点端时，所述测量设备包括一信号发射器、辅助变压器一、辅助变压器二和信号接收器；将所述辅助变压器一、所述辅助变压器二的原边与副边的非同名端相连形成含有中间连接点的辅助变压器串联结构一和含有中间连接点的辅助变压器串联结构二；将所述信号发射器的正极与所述辅助变压器串联结构一的一端相连，将所述信号发射器的负极与所述辅助变压器串联结构一的中间连接点相连；将所述辅助变压器串联结构一的两端与所述待测变压器的原边的两端相连；将所述辅助变压器串联结构二的两端与所述待测变压器的副边的两端相连；将所述等效接地电容的一端与所述辅助变压器串联结构二的中间连接点相连，将所述等效接地电容的另一端与所述信号接收器的正极相连；将所述信号接收器的负级与所述信号发射器的负极相连。

（2）当所述电源中待测变压器原边无电位静点端、副边有电位静点端时，所述测量设备包括一信号发射器、辅助变压器一和信号接收器；将所述辅助变压器一的原边与副边的非同名端相连形成含有中间连接点的辅助变压器串联结构一；将所述信号发射器的正极与所述辅助变压器串联结构一的一端相连，将所述信号发射器的负极与所述辅助变压器串联结构一的中间连接点相连；将所述辅助变压器串联结构一的两端与所述待测变压器的原边的两端相连；将所述待测变压器副边的电位静点端与所述等效接地电容的一端相连，将所述等效接地电容的另一端与所述信号接收器的正极相连；将所述信号接收器的负级与所述信号发射器的负极相连。

（3）当所述电源中待测变压器原边有电位静点端，副边无电位静点端时，所述测量设备包括一信号发射器、辅助变压器二和信号接收器；将所述辅助变压器二的原边与副边的非同名端相连形成含有中间连接点的辅助变压器串联结构二；将所述信号发射器的正极与所述待测变压器的副边的电位动点端相连，将所述信号发射器的负极与所述待测变压器的副边的电位静点端相连；将所述辅助变压器串联结构二的两端与所述待测变压器的副边的两端相连；将所述等效接地电容的一端与所述辅助变压器串联结构二的中间连接点相连，将所述等效接地电容的另一端与所述信号接收器的正极相连；将所述信号接收器的负级与所述信号发射器的负极相连。

步骤S3：通过所述信号接收器与所述信号发生器的信号大小计算得出所述待测变压器间共模有效电容C_Q。

在本实施例中，所述信号发射器包括信号源内阻，高频信号发生器；所述辅助变压器一原边和副边绕组的匝比为N1：N2=1:1；所述辅助变压器二原边和副边绕组的匝比为N3：N4=1:1。

在本实施例中，所述信号发射器与信号接收器包括一频谱分析器、一EMI接收机以及一网络分析仪。

在本实施例中，当所述电源中所输出侧与大地不相连时，所述步骤S3中，根据以下公式计算得到所述待测变压器间共模有效电容C_Q：

其中f 为高频激励源频率，IL 为信号发射器的插入损耗；

当所述电源中所输出侧与大地相连时，所述步骤S3中，根据以下公式计算得到所述待测变压器间共模有效电容C_Q：

其中f 为高频激励源频率，IL 为信号发射器的插入损耗。

在本实施例中，一种变压器间共噪声等效电容测量设备如图3所示，所述测量设备包括一信号发射器、辅助变压器一、辅助变压器二和信号接收器；所述辅助变压器一原边和副边绕组的匝比为N1：N2=1:1；所述辅助变压器二原边和副边绕组的匝比为N3：N4=1:1；所述辅助变压器一、所述辅助变压器二的原边与副边的非同名端相连形成含有中间连接点的辅助变压器串联结构一和含有中间连接点的辅助变压器串联结构二；所述信号发射器的正极与所述辅助变压器串联结构一的一端相连，所述信号发射器的负极与所述辅助变压器串联结构一的中间连接点相连；所述辅助变压器串联结构一的两端用以与待测变压器的原边的两端相连；所述辅助变压器串联结构二的两端用以与待测变压器的副边的两端相连；所述等效接地电容的一端与所述辅助变压器串联结构二的中间连接点相连，所述等效接地电容的另一端与所述信号接收器的正极相连；所述信号接收器的负级与所述信号发射器的负极相连。

在本实施例中，一种变压器间共噪声等效电容测量设备还可如图5所示，所述测量设备包括一信号发射器、辅助变压器一和信号接收器；所述辅助变压器一原边和副边绕组的匝比为N1：N2=1:1；所述辅助变压器一的原边与副边的非同名端相连形成含有中间连接点的辅助变压器串联结构一；所述信号发射器的正极与所述辅助变压器串联结构一的一端相连，所述信号发射器的负极与所述辅助变压器串联结构一的中间连接点相连；所述辅助变压器串联结构一的两端用以与待测变压器的原边的两端相连；所述等效接地电容的一端用以与待测变压器副边的电位静点端与相连，所述等效接地电容的另一端与所述信号接收器的正极相连；所述信号接收器的负级与所述信号发射器的负极相连。

在本发明还采用以下方案实现：一种变压器间共噪声等效电容测量设备还可如图5所示，所述测量设备包括一信号发射器、辅助变压器二和信号接收器；所述辅助变压器二原边和副边绕组的匝比为N3：N4=1:1；所述辅助变压器二的原边与副边的非同名端相连形成含有中间连接点的辅助变压器串联结构二；所述信号发射器的正极用以与待测变压器的副边的电位动点端相连，所述信号发射器的负极用以与待测变压器的副边的电位静点端相连；所述辅助变压器串联结构二的两端用以与待测变压器的副边的两端相连；所述等效接地电容的一端与所述辅助变压器串联结构二的中间连接点相连，所述等效接地电容的另一端与所述信号接收器的正极相连；所述信号接收器的负级与所述信号发射器的负极相连。

在本实施例中，所述信号发射器与信号接收器包括一频谱分析器、一EMI接收机以及一网络分析仪。

在本实施例中，图3的接线图可以测量原边全桥逆变副端全桥整流电路等原副边均无电位静点的电力电子拓扑，电路拓扑图如图6所示。当电路副端未接地时，实际工作中电路副端和地之间会有接地电容，如图6中C_G，其大小会影响变压器间共模有效电容的大小。

在本实施例中，图4的接线图可以测量原边全桥逆变副端半整流电路或双管正激电路、LLC电路等原边无电位静点端副边有电位静点端的电力电子拓扑。

在本实施例中，图5的接线图可以测量后端全波整流的推挽电路等原边有电位静点端副边无电位静点端的电力电子拓扑。

在本实施例中，以下为二端口仪器测量计算原理和公式推导过程：

图7为图3测量电路的简化电路模型，其中C_Q、C_G串联共同组成待测电容C，如其电容数值的关系公式1所示。

式1

图7中，21为50欧姆电阻，22为交流信号发生源，3为50欧姆电阻。21、22组成信号发生源，3为信号接收端，信号发生源产生信号通过变压器的耦合作用，其副边绕组也会感应出相应的电位分布，并能够感应出相应的电荷量。由于副边绕组存在感应电荷，就会在副边绕组上形成位移电流，而位移电流的大小表示出变压器对共模噪声的抑制能力。副边绕组上形成的位移电流越大，则说明变压器对共模噪声的抑制能力越弱。根据公式2可以计算出电容C的大小：

式2

其中f 为高频激励源频率，IL为测得的二端口插入损耗，根据公式1和2可计算得出变压器间共模有效电容C_Q。

在本实施例中，在当电路拓扑中原边无电位静点副边有电位静点时接线图如图5所示。对于该电路，除了最后计算公式3替换前述公式2，以及去除待测变压器副测量电压器22部分，其他与前述步骤相同：

式3

当电路拓扑中原边有电位静点副边无电位静点时电路图如图6所示。对于该种电路，除了最后计算公式4替换前述计算公式2，以及去除待测变压器副测量电压器21部分，其他与前述步骤相同：

式4

当待测电路副端接上了大地，即没有接地电容C_G的情况下，取消实施步骤中步骤1，即取消制作等效接地电容C_G，根据不同电路拓扑，仅根据公式2或公式3或公式4即可直接计算出共模有效电容。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。