直流脈動大電感測量

文/傅璐璐 趙洪

直流脈動大電感測量

文/傅璐璐 趙洪

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

大功率電感 濾波電感 磁導率 額定工況測量

電感器作為電路的三大基本元件之一，在濾波、振蕩、陷波、調相等電路中有廣泛的應用。通常電感工作在振蕩、濾波、退耦等電路中時，一般都處于小功率狀態，電感中通過的主要是交流電流，故常見的電感測量儀器也依此設計，運用小信號通過電感產生相位變化實現對電感的測量，獲取電感量的實測數據。

近年來隨著新能源、電力變流等場合電子設備的功率越來越大，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直流電，其中直流分量占據了主要地位，電感器工作時鐵芯中的磁通除了有交變磁通外，還有一個直流分量產生的直流磁通，常用的小信號測量儀器由于測量時電感的工況與實際工況差距較大，所得測量結果誤差太大而變得不再有實用價值，那么工作在脈動直流狀況的大功率電感需怎么測量呢？

1 脈動直流電感器工作特性分析

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

圖1

脈動工況電感則不同，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的半個正弦波，如圖2所示,其函數表達式為：

圖2

根據傅里葉分析可知，脈動直流電可以分解為一個直流分量與若干個交流分量；

圖3

圖4

圖5

因此要測量大功率脈動直流電感器的關鍵是要讓電感器鐵芯磁通處于工作點Q附近，所得測量結果才有意義。

2 常用電感測儀器的工作原理與誤差分析

常用的電感測量儀器一般采用交流電橋法、諧振法、相位法等測量，無論那種儀器在測量電感時，絕大多數儀器輸出至電感的測量信號僅僅為50mV～2V，再經過數百歐姆的電阻限流分壓（參考市場上現有主流專用電感測量儀器的使用手冊）。這個激勵電感線圈的功率最大不超過0.5W，遠遠小于大功率脈動直流濾波電感正常工作時的激勵功率要求（常見的脈動直流濾波電感功率在數十瓦至數十千瓦），所以測得電感的工作點均在磁滯曲線的起始階段，即曲線0點附近，得出的電感值不是太低就是太高（實際誤差由磁芯本身的固有參數決定）。

3 大功率脈動直流電工況電感器的測量

綜上所述，大功率電感器測量的關鍵在于測量時電感所處的電磁參數應與工作時相同或相近，做到這點必須滿足兩個條件：

（1）電感鐵芯中的磁感應強度應與實際工況相近；

（2）測量所疊加的交流信號幅值應與實際工況接近。

根據我們多年實際試驗，總結出了下列幾種方法測量，其結果較為真實可靠，誤差在可接受的范圍內。

3.1 恒流源直流偏置測量法

針對小信號測量存在的激勵功率不夠的問題，測量時外加一個恒流源E如圖4所示，調節恒流源E至流過電感的直流電流為工作電流的平均值，以此將被測電感的工作點偏置到實際工作點附近，再用小信號測量儀器進行測量。由于恒流源內阻r理論上為無窮大，故對電感測量儀的輸出小信號相當于開路，不會影響到電感測量的結果；同時電感器的導線電阻較小，電流在電感器線圈上產生的壓降很小，也不會影響到測量儀器的安全。

實際測量中大功率的恒流源較難得到，可以用圖5電路代替，用一個普通的直流電源串聯兩個空心電感代替，此時兩個空心電感的電感量必須遠大于被測電感，一般要達到10倍以上，否則將影響到測量結果。這種方法測量簡單可行，十分適合企業生產過程中的檢驗與出廠試驗。

3.2 額定脈動直流電流法

如圖6所示，用一個全波整流后的脈動直流電源激勵被測電感，調節自耦調壓器至被測電感器通過額定電流，使之處于和實際工作相似的電磁環境中，利用通過電感的額定電流中的交流分量測出電感量。

圖6

圖中T1、T2、D1～D4組成一個可調的直流脈沖電源，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的毫伏表，測量時調節T1至電流表A顯示電感的額定工作電流，此時讀取毫伏表mA顯示的交流分量值，根據電感與交流電流大小的關系，測出電感量。

如果固定輸入交流電壓值，則毫伏表顯示的讀數將由電感器的電感決定，測量與讀數均十分簡單。本辦法特別適合企業生產時的大批量出廠檢驗。

3.3 交直流疊加仿真測量

脈動直流電關鍵是存在一個直流分量與交流分量的合成，我們可以相應的把直流電與交流疊加合成后作為測量電源來測量脈動工況電感的相關參數。

如圖7所示，調壓器T4與隔離降壓變壓器T3組成可調電源，在變壓器次級經過D1～D4、C1～C2、L組成整流濾波后輸出一個直流電流，該直流電流經過耦合變壓器T1次級N2與從耦合變壓器初級N1過來的交流信號疊加耦合成一個脈動直流信號，該信號送到被測電感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，將兩個信號送到示波器中讀出電壓、電流與相位差，最終經計算得出實際電感值，R1～R5為檔位電阻，串聯適當的電阻可以增大相們差，便于獲得高精度。

圖7

這種測量方法雖然電路結構有點復雜，但它的好處是可以加任意交流信號，保證電感器的測量始終處于工作狀況下進行，所得結果與實際情況最為符合，十分適合電感在設計試制過程中的型式試驗測量。

4 結束語

本文從工程實際出發分析了脈動直流工況大功率鐵芯電感在實際工作條件下的電感量與電感測量儀表測量條件所沒試的差別，提出了解決問題的具體方法，在生產實踐中有較強的實用性與推廣價值。

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作者單位麗水職業技術學院機電工程學院 浙江省麗水市 323000

2016年浙江省麗水市公益性技術應用研究計劃 編號：2016GYX03。

傅璐璐(1981-)，女，碩士學位。講師。研究方向為模擬電子技術、電力電子技術。