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关于电感值的工程变通计算和测试法

2003-01-04 09:56:52 来源:《国际电子变压器》2003.1 点击:1806
关于电感值的工程变通计算和测试法
摘 要:本文介绍了电感值的一般计算方法和存在问题,提出一种工程变通计算和测试方法。
关键词:电感量 镇流器 计算 测试法
Abstract: This paper discussed general method of calculus inductance value in wich indicated to face the problem and proposed the short-cut engineering calculus and test method for inductance value.
Keyword: Inductor Ballast Calculus Test method
在开发电子镇流器和电子节能灯电感镇流器和电感式节能灯中,常常遇到镇流电感及滤波电感值的计算问题。
电感值的计算程式往往比较繁锁,在缺乏必要的磁材参数测量仪器的情况下,要严格按程式计算也是困难的,如果有设计仿真软件当然就容易了。
1 按传统的程式设计
例如:要设计40W电子镇流器,电路需要L=1.6mH电感量,若计算磁芯大小、绕线匝数、磁路气隙长度,首先计算磁芯截面积,确定磁芯尺寸:
Ap=(392LIpD2)/△Bm (1)
式中:Ap——磁芯面积乘积,Cm4
L——要求的电感值,H
Ip——镇流线圈通过的电流峰值,A
△Bm——脉冲磁感应增量,T
D——镇流线圈导线直径mm2
根据磁芯面积乘积Ap,在设计手册中选择规格磁芯或自行设计磁芯尺寸。
在此,△Bm一般取饱和磁感强度的1/2~2/3,即:
Bs在一般磁材手册中是给定的,可以查出。所以,一般由(1)式计算磁芯尺寸并不难,难在由于磁材本身在生产中差别,同一炉磁芯参数差别有时会很大,手册中给出的Bs—H曲线和参数是统计平均值,所以据(1)式算出的尺寸,还要在实际使用中反复检验修订。
磁芯尺寸确定以后,再计算空气隙(对EI型磁芯就是夹多厚的垫片,对于环形铁芯就是开多宽的间隙),一般按下式计算:
(2)
Ig——磁芯气隙长度,cm
L——所需的电感值
Ip——线圈中通过的电流峰值,A
△Bm——脉冲磁感应增量,T
Sp——磁芯截面积,cm
一般地说,根据(2)式计算气隙大小不会太困难,困难仍在于△Bm仅是厂家的统计平均值,对于同一规格的磁芯,不同厂家也是不同的。所以,按(2)式算出的Lg仅是大概值,还应在实际中反复修订,也就是再试凑。
磁芯尺寸确定了,气隙长度也确定了,就可以确定需绕多少匝,才能达到所需的电感值L。
根据公式: (3)
(4)
N——所需的绕组匝数
A——磁芯的几何形状参数
要根据(4)式算出匝数,关键是要知道磁导率μ。
从厂家给的磁材手册上查,μ值只是个范围。例如R2K磁芯,其初始磁导实际上在1800~2600之间,具体值靠测量。测量磁参数的仪器,一般工厂是不具备的,要根据式(4)计算比较困难,尤其是在有气隙的条件下,磁导率比无气隙时下降了多少,也是未知数,据(4)式计算就更困难。一般是先假设μ进行计算,算出匝数N,试绕绕好后再测量能否达到L值,再另设μ值,再计算,这样反复试凑下去,直到接近预定的L值结束。
以上就是根据已知电感是L,求磁芯尺寸,气隙及绕组匝数的通用方法。
如果设计一种镇流器只计算一个电感值L,采用这种试凑计算也就算了,现在要面对市场,客户需要种种规格的镇流电感,再这样试凑,不仅时间上拖延了新品的开发进度,试制材料上也浪费很多。当然,如果有电感值计算仿真软件,就另当别论。
2 变通算法
假定:电感器工作在磁材的μ-B曲线的近似线性段。那么,我们对(3)式进行如下数学处理:
(3.1)
(3.2)
令上两式相除并整理后得:
(5)
式中:L—给定的电感值
No—已知的匝数
Lo—已知匝数下的电感值
这样,对同一参数的磁芯,只要知道L、No、Lo 3个参数,即可求出匝数N。
L为电路要求所定的电感值,是已知的,那么Lo和No何以得知?
我们先在磁芯上(环形磁芯可以直接绕;EI型磁芯可以在骨架上绕)绕No=20匝,在电感仪上测出Lo,将此值代入(5)式,即可求出在该磁芯上应绕的匝数N。
间隙片的厚度是如何确定的?
(a)间隙片的作用
图1-①及图2-①为无间隙片时磁芯的磁化曲线及导磁率μ=dB/dH与B的曲线;图1-②及图2-②曲线为有气隙时的相应曲线。

图1 磁性材料的磁化曲线

图2 磁性材料的导磁率与交流磁感应强度关系
从两图的曲线可看出,同一磁芯开了气隙后,可使B-H曲线斜率降低,使磁芯饱和点推后,从而增加了磁芯抗直流磁化的能力。
但气隙的加入,又使磁导率下降。所以气隙有个最佳值,即在电感线圈通过最大峰值电流时,磁芯不进入饱和,同时又不致使磁导率降得太低,因此从 (3)式知,在所需电感量一定时,若磁导率降低,势必要增加线圈匝数,这是个矛盾。
(b)如何确定最佳气隙
我们按该镇流电感所通过的最大电流峰值Ip、利用直流磁化电源和电感测试仪配套连接,使通入的直流电流达到Ip时,电感量下降不超过零电流时的10%,即认为磁芯已经到达最高Bm值,此时的间隙厚度即为最佳气隙长度。
如果通入Ip时,电感下降值超过10%,说明间隙小了些,可适当再加厚点,如果在Ip时,电感不下降,说明间隙片厚了点,应适当减少点,这样,边测边改,十几分钟就确定最佳气隙厚度,避免了利用公式(2)计算气隙时因Bm值不确定带来的反复试凑的麻烦。
简单总结:(电感值计算三步法)
在根据电路要求或灯电参数确定了镇流电感值L后,可根据:
一、用公式(1)确定磁芯尺寸;
二、用直流磁化电源和电感测试仪确定气隙;
三、利用公式(5)计算所需的匝数。
当然,这样确定的镇流电感值还要装到电路里进行实验确认。只需作简单的修改匝数即可,用这种变通法设计镇流电感,绕开对磁材磁性能参数,如μ及Bs的准确了解,能顺利设计出需要的电感值。
3 应用效果
3.1 我们已开发研制的产品有:
5、7、9、11、13、15、18、20、24、26、28W细管径(电流小、电压高)节能灯和13、18W粗管径(电流大、电压低)节能灯。
T12管用的20、30、40及双40W电子镇流器。
直管T5灯(电流小、电压高)14、28W及双14双28W电子镇流器。
节能型电感式节能灯13、18、26W镇流器和高压钠灯用100、150、250、400W镇流器。
金卤灯用100、175、250、400W镇流器。
上述产品所用的镇流器电感,最初都是按上述三步法设计的。
3.2 已知产品的电感值、磁芯尺寸及间隙厚度,反求其绕线的匝数。
传统的方法是:用LRC电桥测出其电感值L,用测圈仪测量匝数,然后拆开取出磁芯测量其尺寸和间隙厚度(电源变压器无间隙)。
但有的电感绕组不能用测圈仪测量,只好一圈一圈拆、对EI型磁芯还好拆,对于环形铁芯拆起来较困难(尤其是小环、线细、匝数多的情况),于是就利用公式(5)的方法:设法在原电感上绕20~30匝线,测出电感Lo代入(5)式即可求出该电感上实际的匝数。
3.3控制环形铁芯电感量的一致性
在铁芯卷绕及加工间隙时,由于操作工艺上的问题,也造成间隙宽度和形状不一致。这样,如按固定的匝数进行绕制,势必造成每个环形电感值有很大差异,不符合设计的电感值。
为解决这个问题,一般采用宁肯多绕几圈的办法,在测量电感值时,再把多余的圈数拆掉(当然拆几圈比增加几圈简单一些)。
我们在开始生产250W钠灯镇流器时,唯恐绕好后有的电感量不够,宁肯多绕十几匝,结果逐个检测电感量时,发现有的电感量基本接近设计值,而有的多绕了十几匝,只好一个个地拆掉多余的匝数,浪费铜线也费了工时。
如果大量生产时,如何保证生产进度和产品质量呢?为此,我们专门设计了一个工装,用此工装结合LCR测试仪可直接对每个铁芯进行Lo的测量,并用标签贴在铁芯上。工装的No为30匝,测量一个批量后,用公式(6)计算,即知相应的Lo值的铁芯上应绕的匝数。
对于某一功率的镇流器,L是已知的,如250W钠灯镇流电感,L一般为190mH左右,则:

这就把一个较复杂的计算问题简化,交由生产线工人来操作。■


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