一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术测试方法包括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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统及方法
本专利技术涉及直流电感测试
，具体为一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统及方法。
技术介绍
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。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。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。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1a是铁芯电感的磁滞回线，图1b是基本磁化曲线及磁导率μ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2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。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，这是很困难的。微分法是利用电感计算公式在《微型机与应用》2013，32(15):25～27中的“基于PIC16F688单片机的电感测量电路设计”设计一个硬件电路控制MOSFET的通断给待测电感充电并测试充电起止时刻的电流而得到直感，该法误差较大，因之充电曲线并不是线性的。示波器法是《电力电子技术》2008，42(7):40～42中提出的“一种基于半桥电路测量电感的方法”，该方法可提供与电感实际工作条件相近的励磁电流条件，并能全面反映电感动态磁化特性，得到更具参考价值的电感量值，但是该法是利用示波器将待测电感充放电的电流电压波形测试下来再进行数据处理得到直感曲线的，离不开昂贵的高带宽的数字示波器，且自动化程度不高，这种方法也是大直流电感或功率电感制造商与使用客户常用的估算直感的方法，比较原始。现有技术中，还没有任何切实可行的直流电感虚拟仪器系统和测试方法，由于其均无法再现直流电感的工作环境，因此也无法准确的测得其对应的参数，并且都存在着其各自不能克服的缺点和弊端。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种能够仿真直流电感的使用环境，成本低廉，操作简单，测试智能的基于虚拟仪器的直流电感测试系统及方法。本专利技术是通过以下技术方案来实现：本专利技术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；所述的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；低速采集卡的一路模拟输入端用于采集电容组的充电电压，两个数字I/O用于通过控制板卡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；高速采集卡用于采集待测直流电感的端电压及通过电流。优选的，充电电路包括串联的继电器和交流接触器，以及连接在交流接触器上三相交流电输入端的三相交流调压器和交流接触器输出端连接的三相整流桥；继电器的控制端连接控制板卡的输出端接收控制脉冲，三相交流调压器的输入端连接三相交流电，三相整流桥的输出端连接在电容组的两端。优选的，放电电路包括与待测直流电感串联的IGBT和功率电阻，以及与待测直流电感并联的快速恢复二极管；IGBT的控制端连接控制板卡的输出端接收控制脉冲。优选的，低速采集卡通过连接在电容组两端的电容端高压差分探头采集电容组的充电电压。优选的，高速采集卡通过连接在待测直流电感两端的电感端高压差分探头采集待测直流电感的端电压，通过设置在待测直流电感通路上的电流柔性探头采集待测直流电感的通过电流。优选的，电容组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。本专利技术一种基于虚拟仪器的直流电感测试方法，采用本专利技术所述的测试系统，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示，并输出基于Word的实时报表；其中：V0为放电时刻电容C两端的初始电压。优选的，步骤2)中进行参数设定时，包括输入待测直流电感的额定电压采集值、额定电流采集值及直感理论值。优选的，步骤3)中进行数据采集时，具体步骤如下：3.1)初始化高速采集卡及低速采集卡，低速采集卡实时采集并显示电容组的端电压，高速采集卡采用自触发方式处于等待；3.2)低速采集卡将对继电器的充电指令输出到控制板卡，控制板卡输出驱动闭合继电器回路，将电源引入继电器吸合，与继电器常开点串联的交流接触器吸合引入三相交流电，通过三相交流调压器的调节，电容组充电电压增到额定电压采集值时低速采集卡输出充电停止指令，控制控制板卡驱动继电器断开；3.3)继电器完全断后，低速采集卡输出放电指令，控制板卡驱动IGBT闭合，电容组通过IGBT、待测直流电感、功率电阻构成的回路放电，同时电感端高压差分探头、电流柔性探头将相应信号送入设置为自采样触发方式的高速采集卡完成数据采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(6)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。

【技术特征摘要】
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(6)串并联的状态；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；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的三相交流调压器(2)和交流接触器(3)输出端连接的三相整流桥(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(4)的输出端连接在电容组(6)的两端。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。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，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。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，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。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，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。6.一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放电电路时间电流函数的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如下；其中，a＝LC；b＝RC；L，C，R分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛洪江，
申请(专利权)人：北方民族大学，
类型：发明
国别省市：宁夏;64