直流脈動(dòng)大電感測(cè)量

文/傅璐璐 趙洪

直流脈動(dòng)大電感測(cè)量

文/傅璐璐 趙洪

分析了工作在脈動(dòng)直流電狀況下的大功率電感的特征，脈動(dòng)直流電感在實(shí)際工況下的電感量與電感量測(cè)量儀所測(cè)的電感量相差很大。本文提示了造成這種誤差的原因，并提出了新的測(cè)量方法。

大功率電感 濾波電感 磁導(dǎo)率 額定工況測(cè)量

電感器作為電路的三大基本元件之一，在濾波、振蕩、陷波、調(diào)相等電路中有廣泛的應(yīng)用。通常電感工作在振蕩、濾波、退耦等電路中時(shí)，一般都處于小功率狀態(tài)，電感中通過的主要是交流電流，故常見的電感測(cè)量儀器也依此設(shè)計(jì)，運(yùn)用小信號(hào)通過電感產(chǎn)生相位變化實(shí)現(xiàn)對(duì)電感的測(cè)量，獲取電感量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

近年來隨著新能源、電力變流等場(chǎng)合電子設(shè)備的功率越來越大，所需的濾波電感器的功率也隨之提高，這類電感器的特征是功率大、通過電感器的電流不再是純交流電而是脈動(dòng)直流電，其中直流分量占據(jù)了主要地位，電感器工作時(shí)鐵芯中的磁通除了有交變磁通外，還有一個(gè)直流分量產(chǎn)生的直流磁通，常用的小信號(hào)測(cè)量儀器由于測(cè)量時(shí)電感的工況與實(shí)際工況差距較大，所得測(cè)量結(jié)果誤差太大而變得不再有實(shí)用價(jià)值，那么工作在脈動(dòng)直流狀況的大功率電感需怎么測(cè)量呢？

1 脈動(dòng)直流電感器工作特性分析

當(dāng)電感工作在純交流工況時(shí)，通過電感的電流為交流電，鐵芯中的磁通以原點(diǎn)0為中心呈現(xiàn)正負(fù)交替變化，如圖1中加在電感上的電壓ui此時(shí)輸出u0，磁通的變化范圍較大，呈現(xiàn)的電感量也就較大。

圖1

脈動(dòng)工況電感則不同，我們以全波整流的濾波電感為例，交流電通過全波整流后輸出的是100Hz的半個(gè)正弦波，如圖2所示,其函數(shù)表達(dá)式為：

圖2

根據(jù)傅里葉分析可知，脈動(dòng)直流電可以分解為一個(gè)直流分量與若干個(gè)交流分量；

圖3

圖4

圖5

因此要測(cè)量大功率脈動(dòng)直流電感器的關(guān)鍵是要讓電感器鐵芯磁通處于工作點(diǎn)Q附近，所得測(cè)量結(jié)果才有意義。

2 常用電感測(cè)儀器的工作原理與誤差分析

常用的電感測(cè)量儀器一般采用交流電橋法、諧振法、相位法等測(cè)量，無論那種儀器在測(cè)量電感時(shí)，絕大多數(shù)儀器輸出至電感的測(cè)量信號(hào)僅僅為50mV～2V，再經(jīng)過數(shù)百歐姆的電阻限流分壓（參考市場(chǎng)上現(xiàn)有主流專用電感測(cè)量儀器的使用手冊(cè)）。這個(gè)激勵(lì)電感線圈的功率最大不超過0.5W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大功率脈動(dòng)直流濾波電感正常工作時(shí)的激勵(lì)功率要求（常見的脈動(dòng)直流濾波電感功率在數(shù)十瓦至數(shù)十千瓦），所以測(cè)得電感的工作點(diǎn)均在磁滯曲線的起始階段，即曲線0點(diǎn)附近，得出的電感值不是太低就是太高（實(shí)際誤差由磁芯本身的固有參數(shù)決定）。

3 大功率脈動(dòng)直流電工況電感器的測(cè)量

綜上所述，大功率電感器測(cè)量的關(guān)鍵在于測(cè)量時(shí)電感所處的電磁參數(shù)應(yīng)與工作時(shí)相同或相近，做到這點(diǎn)必須滿足兩個(gè)條件：

（1）電感鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)與實(shí)際工況相近；

（2）測(cè)量所疊加的交流信號(hào)幅值應(yīng)與實(shí)際工況接近。

根據(jù)我們多年實(shí)際試驗(yàn)，總結(jié)出了下列幾種方法測(cè)量，其結(jié)果較為真實(shí)可靠，誤差在可接受的范圍內(nèi)。

3.1 恒流源直流偏置測(cè)量法

針對(duì)小信號(hào)測(cè)量存在的激勵(lì)功率不夠的問題，測(cè)量時(shí)外加一個(gè)恒流源E如圖4所示，調(diào)節(jié)恒流源E至流過電感的直流電流為工作電流的平均值，以此將被測(cè)電感的工作點(diǎn)偏置到實(shí)際工作點(diǎn)附近，再用小信號(hào)測(cè)量儀器進(jìn)行測(cè)量。由于恒流源內(nèi)阻r理論上為無窮大，故對(duì)電感測(cè)量儀的輸出小信號(hào)相當(dāng)于開路，不會(huì)影響到電感測(cè)量的結(jié)果；同時(shí)電感器的導(dǎo)線電阻較小，電流在電感器線圈上產(chǎn)生的壓降很小，也不會(huì)影響到測(cè)量儀器的安全。

實(shí)際測(cè)量中大功率的恒流源較難得到，可以用圖5電路代替，用一個(gè)普通的直流電源串聯(lián)兩個(gè)空心電感代替，此時(shí)兩個(gè)空心電感的電感量必須遠(yuǎn)大于被測(cè)電感，一般要達(dá)到10倍以上，否則將影響到測(cè)量結(jié)果。這種方法測(cè)量簡單可行，十分適合企業(yè)生產(chǎn)過程中的檢驗(yàn)與出廠試驗(yàn)。

3.2 額定脈動(dòng)直流電流法

如圖6所示，用一個(gè)全波整流后的脈動(dòng)直流電源激勵(lì)被測(cè)電感，調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器至被測(cè)電感器通過額定電流，使之處于和實(shí)際工作相似的電磁環(huán)境中，利用通過電感的額定電流中的交流分量測(cè)出電感量。

圖6

圖中T1、T2、D1～D4組成一個(gè)可調(diào)的直流脈沖電源，T3為電流互感器、R0為電流互感器短接電阻，電流互感器隔開了直流分離出交流成份送到后續(xù)的毫伏表，測(cè)量時(shí)調(diào)節(jié)T1至電流表A顯示電感的額定工作電流，此時(shí)讀取毫伏表mA顯示的交流分量值，根據(jù)電感與交流電流大小的關(guān)系，測(cè)出電感量。

如果固定輸入交流電壓值，則毫伏表顯示的讀數(shù)將由電感器的電感決定，測(cè)量與讀數(shù)均十分簡單。本辦法特別適合企業(yè)生產(chǎn)時(shí)的大批量出廠檢驗(yàn)。

3.3 交直流疊加仿真測(cè)量

脈動(dòng)直流電關(guān)鍵是存在一個(gè)直流分量與交流分量的合成，我們可以相應(yīng)的把直流電與交流疊加合成后作為測(cè)量電源來測(cè)量脈動(dòng)工況電感的相關(guān)參數(shù)。

如圖7所示，調(diào)壓器T4與隔離降壓變壓器T3組成可調(diào)電源，在變壓器次級(jí)經(jīng)過D1～D4、C1～C2、L組成整流濾波后輸出一個(gè)直流電流，該直流電流經(jīng)過耦合變壓器T1次級(jí)N2與從耦合變壓器初級(jí)N1過來的交流信號(hào)疊加耦合成一個(gè)脈動(dòng)直流信號(hào)，該信號(hào)送到被測(cè)電感Lx上，再在從耦合變壓器N3輸出端與電流互感器T2的輸出端取出電壓與電流信號(hào)，將兩個(gè)信號(hào)送到示波器中讀出電壓、電流與相位差，最終經(jīng)計(jì)算得出實(shí)際電感值，R1～R5為檔位電阻，串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮杩梢栽龃笙鄠儾?，便于獲得高精度。

圖7

這種測(cè)量方法雖然電路結(jié)構(gòu)有點(diǎn)復(fù)雜，但它的好處是可以加任意交流信號(hào)，保證電感器的測(cè)量始終處于工作狀況下進(jìn)行，所得結(jié)果與實(shí)際情況最為符合，十分適合電感在設(shè)計(jì)試制過程中的型式試驗(yàn)測(cè)量。

4 結(jié)束語

本文從工程實(shí)際出發(fā)分析了脈動(dòng)直流工況大功率鐵芯電感在實(shí)際工作條件下的電感量與電感測(cè)量儀表測(cè)量條件所沒試的差別，提出了解決問題的具體方法，在生產(chǎn)實(shí)踐中有較強(qiáng)的實(shí)用性與推廣價(jià)值。

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作者單位麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 浙江省麗水市 323000

2016年浙江省麗水市公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃 編號(hào)：2016GYX03。

傅璐璐(1981-)，女，碩士學(xué)位。講師。研究方向?yàn)槟M電子技術(shù)、電力電子技術(shù)。