CN103018575A - 大功率电感测试装置及其主电路及其测试的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有体积小、重量轻及成本低等优点的大功率电感测试装置，该装置包括主电路和控制电路，其中主电路包括预充电电路和电感测试电路，控制电路主要由信号采集电路及主控制芯片最小系统等电路构成，在被测电感两端设置用于检测电感电压的电压传感器，设置用于检测被测电感电流的电流传感器，通过采集被测电感两端电压及流过电感电流并馈送至主控制器进行运算，求取在不同功率条件下的电感值。本发明还公开了该大功率电感测试装置的主电路以及采用该大功率电感测试装置进行测试的方法。本发明适用于大功率电感的测试，可模拟电感实际运行工况，一次性求出在全功率范围内的电感值，并直接在显示屏中描绘出不同电流下的电感曲线。

Description

大功率电感测试装置及其主电路及其测试的方法

技术领域

本发明涉及电感测试技术，具体是一种大功率电感测试装置及其主电路及测试方法。

背景技术

大功率电感元件大量应用于各种工业应用场合，如电力系统中的发电机、电抗器及电力变压器，大功率交流传动中的电动机，可再生能源发电系统中的发电机及其电力电子变换装置中的隔离变压器和滤波电感。在这些大功率应用场合中，电感设备可能需要承载成百上千甚至上万安培的电流。然而，由于铁心磁导率与磁场强度即励磁电流之间的非线性关系，导致在不同励磁电流下所表征的电感值不尽相同。换句话说，同一电感功率元件在不同功率条件下的电感值呈非线性变化。对于这些大功率电感设备在不同运行工况下电感量的测量，无论是对于设备生产厂商对所制造设备的检测还是对在使用中设备的检修，都具有重大意义。目前对于功率电感测量的方法是：设计一个与电感功率等级相匹配的直流电流源，通过向电感注入不同直流电流来模拟电感实际的工作状况，然后在此基础上叠加一幅值很小频率已知的交流信号，通过测量电感两端电压及流过电流的有效值求取相应的阻抗值，从而计算出不同功率下的电感值。该功率电感测量方法主要存在以下不足：1）体积大、重量重且成本高；2）难以实现现场测试。大功率功率电感通常在安装现场所占用空间较大且笨重，现场难以给测试装置提供很大的空间；3）须多次测量。对应于不同功率等级，须经过多次测量才能确定相应的电感值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种体积小、重量轻且成本低的大功率电感测试装置及采用该装置进行测试的测试方法。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种大功率电感测试装置，包括主电路和控制电路，所述主电路包括充电器、电容、二极管、功率开关、电压传感器、电流传感器，电容并联在充电器的两端，且电容的正极与充电器之间串接一开关，电容的正极通过所述功率开关连接到所述被测电感的第一端，电容的负极直接接被测电感的第二端，二极管并联在被测电感的两端，且二极管的负极接被测电感的第一端，二极管的正极接被测电感的第二端，所述电压传感器并联于被测电感的两端，电流传感器与被测电感串联，所述控制电路包括ADC采样模块、主控制器，ADC采样模块输入端连接到所述主电路中的电压传感器和电流传感器， ADC采样模块输出端连接到主控制器，将采集到的电压及电流进行模数转换后发送至主控制器进行运算，求取在不同功率条件下的电感值，功率开关的控制端连接到控制电路的主控制器。

其中功率开关是以下器件的任一种：IGBT全控功率器件、MOSFET全控功率器件、SCR。

所述控制电路还可以包括一显示器，当主控制器根据采样数据进行电感计算后，送入显示器进行显示。

上述主控制器可以采用DSP，或者FPGA、或者单片机。

本发明还提供一种大功率电感测试装置的主电路，包括充电器、电容、二极管、功率开关、电压传感器、电流传感器，电容并联在充电器的两端，且电容的正极与充电器之间串接一开关，电容的正极通过所述功率开关连接到所述被测电感的第一端，电容的负极直接接被测电感的第二端，二极管并联在被测电感的两端，且二极管的负极接被测电感的第一端，二极管的正极接被测电感的第二端，所述电压传感器并联于被测电感的两端，电流传感器与被测电感串联。

其中功率开关是以下器件的任一种：IGBT全控功率器件、MOSFET全控功率器件、SCR。

本发明还提供一种使用上述大功率电感测试装置进行电感测试的方法，包括：首先将被测电感接入电源V⁺和V^-两端，闭合开关，由充电器给电容预充电至设定值后断开开关；之后主控制器向功率开关发出触发脉冲信号，电容向被测电感充电，当电流上升至电感电流额定值时，电容能量完全释放；随后被测电感通过二极管续流消耗其所吸收的能量，在这一过程中，ADC采样模块将电感电压和电流信号采样并经模数转换后发送至主控制器，主控制器基于电流和电压采样值，根据电感计算公式求出不同电流条件下的电感值。

所述电感计算公式为：

$L=\frac{u_{k+1}{i}_{k+2}-u_{k+2}{i}_{k+1}}{i_{k+2}\frac{i_{k+1}-i_k}{T_s}-i_{k+1}\frac{i_{k+2}-i_{k+1}}{T_s}}(k=\mathrm{1,2,3}....)$

式中T_s为采样频率，u_k(k=1,2,3….)为第k次采样电感电压，i_k(k=1,2,3…)为第k次采样电感电流。

本发明的优点在于：

本发明大功率电感测试装置的主电路结构简单，仅由一组电容器、一个二极管和一个功率开关组成，而给电容预充电采用小功率充电器，这使得系统装置无论是体积、重量还是成本方面都具有十分巨大的优势，便于携带，易于对功率电感设备进行现场测量。

本发明对电感的测量，仅通过在电感两端并联一电压传感器及串联一电流传感器，在开关闭合后通过检测电感两端电压和电流便可计算出不同电流条件下的电感值，无需额外电路，实现方式简单。

综上，发明功率电感测试装置便于携带，适用于现场测试，并且通过一次测量就可确定电感元件在全功率范围内电感值。

附图说明

图 1 为电感磁化曲线及电感电流与电感值大小关系示意图。

图 2为本发明大功率电感测试装置原理图。

图 3为本发明大功率电感测试装置进行电感测试的电压电流波形示意图。

具体实施方式

对于电感设备，通常会在电感线圈内插入一铁心以增加磁导率，磁导率与磁场强度和磁感应强度关系式为

。当磁感应强度H较小时，磁感应强度B与磁场强度近似为线性关系，磁导率μ几乎不变。然而，随着外加磁场强度的进一步增加，磁感应强度并非继续线性增加，而是与磁场强度呈非线性关系，并最终是趋于饱和稳定在某一特定值，此时铁心磁导率迅速下降。由电感计算公式

可知，电感与磁导率、匝数平方N²及截面积A成正比，与磁路长度l成反比。电感一旦设计完成，匝数、截面积和磁路长度就固定了，因而影响电感的一个主要因素便是磁导率μ。而磁导率随着外加磁场强度的变化而变化，所以电感值会随磁场强度的不同而不同。流过电感的电流和磁场强度成正比例关系，因此电感值与磁场强度关系可转化为电感值与电感电流关系，它们之间的关系曲线示意图如图 1所示。为测量不同功率条件下电感值，可向电感通入与功率相对应大小电流来测量电感值。

请参阅图2所示，本发明大功率电感测试装置包括主电路和控制电路。

所述主电路包括充电器、电容C1、二极管D1、功率开关S1、电压传感器VT1、电流传感器CT1。电容C1并联在充电器的两端，且电容C1的正极与充电器之间串接一开关T1，电容C1的正极通过所述功率开关S1连接到所述被测电感L1的第一端，电容C1的负极直接接被测电感L1的第二端，二极管D1并联在被测电感L1的两端，且二极管D1的负极接被测电感L1的第一端，二极管D1的正极接被测电感L1的第二端，所述电压传感器VT1并联于被测电感L1的两端，用来测量电感端电压，电流传感器CT1与被测电感L1串联，用于测量电感电流。其中功率开关S1可以是IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）全控功率器件或MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 金氧半场效晶体管）全控功率器件或SCR（Silicon Controlled Rectifier，单向可控硅)。功率开关S1的控制端连接到控制电路的主控制器。

所述控制电路包括ADC采样模块、主控制器。ADC采样模块输入端连接到所述主电路中的电压传感器VT1和电流传感器CT1，采集被测电感L1两端电压及流过电流。ADC采样模块输出端连接到主控制器，将采集到的电压及电流进行模数转换后发送至主控制器进行运算，求取在不同功率条件下的电感值。作为优化的方案，所述控制电路还可以包括一显示器，当主控制器根据采样数据进行电感计算后，送入显示器进行显示。更进一步的，所述控制电路的主控制器还可以具有通讯接口，计算出的电感可以通过该通讯接口进行数据传输。

上述主控制器可以采用DSP，也可选用FPGA、单片机等。

该大功率电感测试装置的基本工作原理是：利用电容的瞬间放电大电流来模拟电感实际工作电流，通过采集这一过程的电压电流值来计算不同阶段电感大小。

采用该大功率电感测试装置进行电感测试的方法为：将被测电感L1接入电源V⁺和V^-两端，首先闭合开关T1，由充电器给电容C1预充电至设定值后断开，之后主控制器向功率开关S1发出触发脉冲信号，电容C1向被测电感L1充电，电流开始上升，当电流上升至电感电流额定值时，电容C1能量完全释放，随后被测电感L1通过二极管D1续流消耗其所吸收的能量。忽略二极管D1压降，被测电感L1工作过程中的电压电流波形及电压传感器VT1和电流传感器CT1波形示意图如图 3所示。在这一过程中，ADC采样模块将电感电压和电流信号采样并经模数转换后发送至主控制器，主控制器基于图 3中电感电流I_L1和电压V_L1采样值，根据电感计算公式求出不同电流条件下的电感值，并送至显示屏显示电流与电感的关系曲线。电感计算公式为：

$L=\frac{u_{k+1}{i}_{k+2}-u_{k+2}{i}_{k+1}}{i_{k+2}\frac{i_{k+1}-i_k}{T_s}-i_{k+1}\frac{i_{k+2}-i_{k+1}}{T_s}}(k=\mathrm{1,2,3}....)$

式中T_s为采样频率，u_k(k=1,2,3…)为第k次采样电感电压，i_k(k=1,2,3…)为第k次采样电感电流。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大功率电感测试装置，包括主电路和控制电路，其特征在于：所述主电路包括充电器、电容、二极管、功率开关、电压传感器、电流传感器，电容并联在充电器的两端，且电容的正极与充电器之间串接一开关，电容的正极通过所述功率开关连接到所述被测电感的第一端，电容的负极直接接被测电感的第二端，二极管并联在被测电感的两端，且二极管的负极接被测电感的第一端，二极管的正极接被测电感的第二端，所述电压传感器并联于被测电感的两端，电流传感器与被测电感串联，所述控制电路包括ADC采样模块、主控制器，ADC采样模块输入端连接到所述主电路中的电压传感器和电流传感器， ADC采样模块输出端连接到主控制器，将采集到的电压及电流进行模数转换后发送至主控制器进行运算，求取在不同功率条件下的电感值，功率开关的控制端连接到控制电路的主控制器。

2.如权利要求1所述的大功率电感测试装置，其特征在于：其中功率开关是以下器件的任一种：IGBT全控功率器件、MOSFET全控功率器件、SCR。

3.如权利要求1所述的大功率电感测试装置，其特征在于：所述控制电路还包括一显示器，显示主控制器根据采样数据计算得到的电感值。

4.如权利要求1所述的大功率电感测试装置，其特征在于：上述主控制器采用DSP，或者FPGA、或者单片机。

5.一种大功率电感测试装置的主电路，其特征在于：包括充电器、电容、二极管、功率开关、电压传感器、电流传感器，电容并联在充电器的两端，且电容的正极与充电器之间串接一开关，电容的正极通过所述功率开关连接到所述被测电感的第一端，电容的负极直接接被测电感的第二端，二极管并联在被测电感的两端，且二极管的负极接被测电感的第一端，二极管的正极接被测电感的第二端，所述电压传感器并联于被测电感的两端，电流传感器与被测电感串联。

6.如权利要求5所述的大功率电感测试装置的主电路，其特征在于：其中功率开关是以下器件的任一种：IGBT全控功率器件、MOSFET全控功率器件、SCR。

7.一种使用如权利要求1或4任一项大功率电感测试装置进行电感测试的方法，其特征在于：首先将被测电感接入电源V⁺和V^-两端，闭合开关，由充电器给电容预充电至设定值后断开开关；之后主控制器向功率开关发出触发脉冲信号，电容向被测电感充电，当电流上升至电感电流额定值时，电容能量完全释放；随后被测电感通过二极管续流消耗其所吸收的能量，在这一过程中，ADC采样模块将电感电压和电流信号采样并经模数转换后发送至主控制器，主控制器基于电流和电压采样值，根据电感计算公式求出不同电流条件下的电感值。

8.如权利要求7所述的进行电感测试的方法，其特征在于：所述电感计算公式为：

$L=\frac{u_{k+1}{i}_{k+2}-u_{k+2}{i}_{k+1}}{i_{k+2}\frac{i_{k+1}-i_k}{T_s}-i_{k+1}\frac{i_{k+2}-i_{k+1}}{T_s}}(k=\mathrm{1,2,3}....)$

式中T_s为采样频率，u_k(k=1,2,3…)为第k次采样电感电压，i_k(k=1,2,3…)为第k次采样电感电流。

Images