大功率工业磁芯电感测量方法探讨

1. 前言

    电感具有滤波、振荡、延迟、陷波、电压超前电流、作为感性负载产生无功功率等基本作用。因此，在电子电路和工业模拟负载当中应用非常广泛。

    我公司是专业生产感性负载柜的厂家，很多设备用于军工、航空、航天等单位，这些单位对设备的各项指标要求较高。在设备验收的过程中多次遇到客户使用专用电感测量仪表测量的电感值和出厂标称值偏差较大的问题。这到底是为什么呢？后来发现专用电感测量仪表对小功率、高频的普通电感测量还是比较准确的，但是在测量大功率磁芯电感，尤其低频大功率磁芯电感的时候，往往会出现测量值偏低的现象。而且，随着工业的发展，行业内的这种现象也越来越普遍，迫切需要解决。近年来，通过多方实验，总结出一些电感测量的经验，跟大家共享。希望能帮助大家从盲目相信专用电感测量仪表能测试大功率磁芯电感的误区中走出来。

2.电感的特性

    电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。当线圈通入非稳态电流时，周围就会产生变化的磁场。通入线圈的功率越大，激励出来的磁场强度越高，反之则小（磁感应强度达到饱和之前）。

    电感一般分为空芯电感和磁芯电感两种。空芯电感的电感量是一个定值常数，应用简单，这里就不再赘述了。

    大型磁芯电感在工业中应用的更多，电感量值的准确与否是关键性问题，无论从理论上还是实际应用中都有重大的意义。

    通过公式L=μ×Ae*N2/ l•进行分析。L表示电感量、μ表示磁心的磁导率、Ae表示磁心的截面积、N表示线圈的匝数、lm表示磁心的磁路长度。由此可知，当某个电感生产成型后，Ae、N、lm 都为定值，那么影响电感出厂后量值的就只有磁导率μ了。

    μ是不是一个常数呢？下面通过μ＝B/H磁化曲线图来研究一下电感的磁性规律：

图1                                 图2

    从图1中可以看出，当不存在磁场时，Ｈ和Ｂ均为零，即图1中Ｂ～Ｈ曲线的坐标原点０。随着磁场强度Ｈ的增加，Ｂ也随之增加，但两者之间不是线性关系。当Ｈ增加到一定值时，Ｂ不再增加（或增加十分缓慢），这说明磁感应强度B已达到饱和状态。

[page]    由此可近似确定其磁导率μ＝Ｂ/Ｈ，数学上称为斜率，也就是tanθ＝B/H。因Ｂ与Ｈ非线性关系，故磁导率μ不是常数，而是随Ｈ而变化，如图2所示。所以，针对同一个电感实体，施加不同的功率而激励出不同磁场强度的时候，磁芯的磁导率是不同的，于是电感量值也就不同。这时的电感值仅仅是对应这个磁场强度（或者说对应这个外加功率）时的一个电感值。由此可知磁芯电感的电感量不是一个常数。

3.专用电感测量仪表的工作原理

    专用电感测量仪表一般采用电桥法（交流电桥）、谐振法、数字化测量法，最常用的是交流电桥法。不管是哪种测试方法，在测量电感的时候，绝大多数仪表给电感的测试信号电压仅仅50 mV～2V，而且要经过100Ω～400Ω电阻的限流分压（可以参考市场上现有专用电感测量仪表的使用手册）。不难看出，这个激励电感线圈磁场强度的功率最大0.04W左右，远远小于一般功率磁芯电感正常工作时的功率300W以上（甚至在100KW）。所以激励的磁场强度很小（多数情况下仅在初始磁导率阶段），对应的磁导率值偏低，得出的电感值就会比标称值偏低（至于偏低多少，是由磁芯本身的固有参数决定的）。

    因此，一般专用电感测量仪表测量磁芯电感的时候会出现测量值比标称值偏低的现象。而我们在电感的设计、检验及测量时，是按电感的实际工况（如频率、功率、电流）来考虑的，所以测量值和出厂标称值出现偏差也就不难理解和容易解释了。

4.建议使用以下方法测量功率电感

4.1 额定功率法

    对被测电感施加规定工作频率下额定功率的电压和电流，使之处于和实际工作相似的电磁环境中。用具备真有效值测量功能的电压和电流仪表，分别测量出电感两端的电压、电流有效值。然后根据Z=U/I，算出电感阻抗Z。然后根据以下公式计算电感值即可。（见注1、注2）

[page]4.2 参考补差法

    用上述额定功率或10%以上功率测量电感值后，再用专用电感测量仪测定，然后算出误差值，作为参考数据，以后日常检测时仅用专用电感测量仪测量即可。

    用这种方法我们在某导弹研究院基地，经与相关质检部门多次沟通，最终解决了设备即能满足实际应用，又便于检验的难题，获得了客户的一致好评。

备注：
注1. 其中R是线圈直流电阻。因为一般功率电感的线径比较粗，内阻非常小，经实际测试证明对于计算结果影响小于0.5%，要求不高的情况下，完全可以忽略。忽略之后可以满足一般感性负载的精度要求。此时，

注2. 对于功率特别大、不方便提供测试条件的电感，可以参考在其额定功率10%的情况下测试，经实际验证误差也不会大于2%。■