一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统及方法
【专利摘要】本发明一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，包括控制板卡，与待测直流电感两端连接的电容组，用于根据控制板卡的充电指令信号给电容组充电的充电电路，用于根据控制板卡的放电指令信号使电容组放电给待测直流电感的放电电路，以及数据采集电路；数据采集电路包括低速采集卡和高速采集卡，以及分别与两者连接通信的PC。本发明测试方法包括1)初始化测试系统；2)测试系统参数的输入设定；3)采集待测直流电感的数据；4)将设定参数和采集数据通过基于LCR放电时间电流函数的Levenberg-Marquadt算法进行处理，得到LCR放电电路时间电流函数的非线性参数估计值f，g，h；5)由公式得到待测直流电感的直感和直阻。
【专利说明】一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及直流电感测试【技术领域】，具体为一种基于虚拟仪器的直流电感测试系 统及方法。
【背景技术】
[0002] 所谓电感器，是指空心或铁芯线圈通过电流后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场 又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流的一类常见电子器件，主要用于电压变换、信 号耦合、谐振、电磁感应等电路中。按照线圈中的电流流动方向是否改变分为交流电感与直 流电感。
[0003] 传统的电感测量方法主要是针对交流电感的，可分为伏安法、LCR表法和谐振法。 伏安法可提供的交直流激励幅值范围较宽，但可选的频率范围很窄，一般仅限于工频电感 的测量；LCR表基于电桥法，可提供较宽的激励频率范围，但激励电压幅值却非常低；谐振 法以电感电容谐振频率来测量电感大小，但不能保证电感所需测试电流的大小。由此可见， 现有技术中的电感测量不能同时满足激励频率高，激励电流大的条件，因此不适合功率或 直流电感测量。
[0004] 直流电感在电力电子、航空航天、绿色能源、轨道交通等领域应用广泛。直流电感 类设备在设计、制造、安装、检修和运行等环节都要对各绕组直流电感量（以下简称直感） 及直流电阻（以下简称直阻）等参数进行测量，这在用户单位和电器制造公司是一项比较 重要且经常性的工作。
[0005] 通常，工作中使用的电感器较多为交流电感器，其电感铁芯中只存在交变磁场，属 于双向磁化状态。而工作在直流状态下的直流电感器，由于直流磁化的作用，电感铁芯中除 存在交变磁场外，还存在着稳态磁场，属于单向磁化状态。如图Ia是铁芯电感的磁滞回线， 图Ib是基本磁化曲线及磁导率y与磁场强度H(激励电流）关系曲线。随着直流电流的 增大，其稳态磁场的强度随着基本磁化曲线也增大，铁芯的磁导率与磁场强度（激励电流） 曲线在中段出现一个极值后再减少（对应于最大激励电流的饱和区）；电感量曲线相应地 也出现类似情况，如图4的实测电感曲线近似反映了这一情况。对同一个电感器在相同情 况下，电感在直流工作条件下的值，由于电流较大有时接近饱和区，比在交流条件下小，故 不能直接用LCR电桥仪测试直流电感。
[0006] 现有技术中，关于直流电感测量仪的研究文章较少，对直流电感的测试方法大概 也分为三类，分别是：同一法，微分法及示波器法。同一法，即调整供电电源的大小及串联电 阻保证LR回路的时间常数一致，后来又提出了采用同一化方法在测量回路中串联一个附 加电感，同时对被测电感和附加电感进行动态测量，提高了测量精度，同样采用LR充放电 回路，更进一步通过测量两个时间点的已知电感端电压、待测电感端电压及回路电流三路 信号共六个信号及已知电感及直阻的方法测量直流电感直感及直阻，该方法虽解决了无需 求解电流导数值，消除了由于采用离散采样的数值微分法近似求解电流导数值带来的误差 问题，但调整比较麻烦，且必须准确给出已知电感在各个时间点的直感及直阻，这是很困难
【权利要求】
1. 一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，其特征在于，包括控制板卡（9)，与待测直 流电感（11)两端连接的电容组（6)，用于根据控制板卡（9)的充电指令信号给电容组（6) 充电的充电电路，用于根据控制板卡（9)的放电指令信号使电容组（6)放电给待测直流电 感（11)的放电电路，以及数据采集电路； 所述的数据采集电路包括低速采集卡（10)和高速采集卡（15)，以及分别与两者连接 通信的PC(16);低速采集卡（10)的一路模拟输入端用于采集电容组（6)的充电电压，两个 数字I/O用于通过控制板卡（9)对充电电路和放电电路进行输出控制，第三数字I/O用于 采集电容组￠)的串并联的状态采集输入；高速采集卡（15)用于采集待测直流电感（11) 的端电压及通过电流。
2. 根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，其特征在于，所述 的充电电路包括串联的继电器（1)和交流接触器（3)，以及连接在交流接触器（3)上三相交 流电输入端和输出端的三相交流调压器（2)和三相整流桥（4);继电器（1)的控制端连接 控制板卡（9)的输出端接收控制脉冲，三相交流调压器（2)的输入端连接三相交流电，三相 整流桥⑷的输出端连接在电容组（6)的两端。
3. 根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，其特征在于，所述 的放电电路包括与待测直流电感（11)串联的IGBT (8)和功率电阻（13)，以及与待测直流电 感（11)并联的快速恢复二极管（5) ;IGBT (8)的控制端连接控制板卡（9)的输出端接收控 制脉冲。
4. 根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，其特征在于，低速 采集卡（10)通过连接在电容组（6)两端的电容端高压差分探头（7)采集电容组（6)的充 电电压。
5. 根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，其特征在于，高速 采集卡（15)通过连接在待测直流电感（11)两端的电感端高压差分探头（14)采集待测直 流电感（11)的端电压，通过设置在待测直流电感（11)通路上的电流柔性探头（12)采集待 测直流电感（11)的通过电流。
6. 根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，其特征在于，所述 的电容组（6)包括若干个能够改变串并联方式的电容，当进行450V以下低压测量时全部并 联，当进行450V?800V高压测量时一半电容并联后再与另一半并联的电容串联。
7. -种基于虚拟仪器的直流电感测试方法，采用如权利要求1所述的测试系统，其特 征在于，包括如下步骤： 1) 初始化测试系统； 2) 测试系统参数的输入设定； 3) 测试系统工作，通过对充电电路和放电电路的控制采集待测直流电感11的数据； 4) 采集数据完成后，将设定的参数和采集的数据通过基于LCR放电时间电流函数的 Levenberg-Marquadt算法进行处理，得到LCR放电电路时间电流函数的非线性参数估计值 f，g，h ; 5) 由如下公式分别得到待测直流电感的直感L和直阻R，连同其对应的序列一并进行 输出显不，并输出基于Word的实时报表；
其中：Vtl为放电时刻电容C两端的初始电压。
8. 根据权利要求7所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试方法，其特征在于，步骤 2) 中进行参数设定时，包括输入待测直流电感（11)的额定电压采集值、额定电流采集值及 直感理论值。
9. 根据权利要求7所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试方法，其特征在于，步骤 3) 中进行数据采集时，具体步骤如下： 3. 1)初始化高速采集卡（15)及低速采集卡（10)，低速采集卡（10)实时采集并显示电 容组￠)的端电压，高速采集卡（15)采用自触发方式处于等待； 3. 2)低速采集卡（10)将对继电器（1)的充电指令输出到控制板卡（9)，控制板卡（9) 输出驱动闭合继电器（1)回路，将电源引入继电器（1)吸合，与继电器（1)常开点串联的交 流接触器（3)吸合引入三相交流电，通过三相交流调压器（2)的调节，电容组（6)充电电压 增到额定电压采集值时低速采集卡（10)输出充电停止指令，控制控制板卡（9)驱动继电器 (1)断开； 3. 3)继电器（1)完全断后，低速采集卡（10)输出放电指令，控制板卡（9)驱动IGBT (8) 闭合，电容组（6)通过IGBT(S)、待测直流电感（11)、功率电阻（13)构成的回路放电，同时 电容端高压差分探头（7)、电流柔性探头（12)将相应信号送入设置为自采样触发方式的高 速采集卡（15)完成数据采集工作； 3. 4)放电结束后，低速采集卡（10)输出放电停止指令，控制板卡（9)经二输入与门执 行IGBT(S)的断开，完成一次数据的采集；其中二输入与门一端输入放电停止指令，另一端 接入IGBT (8)的故障信号； 3. 5)重复步骤3. 1-3. 4至少采集三个连续的采样点的数据。
10. 根据权利要求7所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试方法，其特征在于，步骤 4) 中进行数据处理时，具体步骤如下： 4. 1)根据输入的采样时间和采样个数确定电感端电压及电流序列对应的时间序列，并 分别将其作为时间电流函数的自变量；将输入的电感端电压序列和电流序列作为时间电流 函数的函数值；根据待测直流电感的直感理论值L0、电容组电容量C0、功率电阻RO给出估 计LCR放电电路时间电流函数的非线性参数的初始值 g(l，Iitl ; 4. 2)将电压序列及电流序列进行B样条拟合，得到输入序列的平滑滤波，电压序列平 滑后的序列的第一个数据作为放电时刻电容组两端的初始电压Vtl，得到电路微分方程系 数； 4. 3)将初始值及时间电流函数代入基于LCR放电电路时间电流函数的 Levenberg-Marquadt算法的接口函数中估算得到非线性参量的估计值f，g，h。
【文档编号】G06F9/455GK104391180SQ201410653208
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】盛洪江 申请人:北方民族大学