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確定磁芯B-H回路特性的虛擬儀器

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作者:Bob Perrin 時間:2006-06-04 來源:EDN China 收藏
在設(shè)計含磁芯材料的電感元件時,工程師必須準(zhǔn)確測出該材料的特性。磁芯的動態(tài)磁滯回路(或B-H曲線)包含了有關(guān)磁芯損耗和其它磁參數(shù)的有價值信息。不幸的是,商用的磁回路分析儀都很昂貴,不適合小規(guī)模研究實驗室和制造商使用。本設(shè)計實例描述了一個虛擬儀器,它采用一臺臺式或筆記本計算機,結(jié)合一個模擬數(shù)據(jù)采集卡和National Instruments(www.ni.com)的LabView軟件(7.1版以上)。使用時,軟件提取B-H回路信息、磁芯損耗以及其它磁性參數(shù),費用可以接受。

  圖1顯示的是一個磁芯器件的裝備。器件T1包括一個磁芯材料樣品和兩個匝數(shù)相等的繞組。一只精密電流檢測電阻器R1用作激勵電流的采樣,該電流在磁芯中產(chǎn)生磁場。R1上的電壓降與激勵電流和磁場H成正比。由電阻器R2和電容器C1組成的網(wǎng)絡(luò)對二次繞組中產(chǎn)生的電壓作積分。C1上電壓與磁芯中的磁通密度B成正比。實際上,R2的值應(yīng)比工作頻率下電容器C1的阻抗大得多。(根據(jù)教科書對電路的說明,建議兩者的比率為100:1。)


  元件的公差和特性都會影響的精度。R1要使用無感、額定功率合適、1%公差的1Ω電阻;C1要選用低泄漏、低介質(zhì)吸收、聚酯或聚丙烯薄膜電容,公差要嚴(yán)格。數(shù)據(jù)的獲取和查看使用由National Instruments 的PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡和LabView構(gòu)成的專用虛擬儀器。軟件使用了NI公司的Express VI(虛擬儀器)技術(shù),極大地簡化了用戶設(shè)計數(shù)據(jù)的采集與處理工作。該應(yīng)用程序只使用兩個數(shù)據(jù)采集模擬輸入通道:Channel 0采集磁場讀數(shù)(H),并以每米安匝的單位顯示在x-y圖的x軸上,而Channel 1則捕捉磁通密度B,以特斯拉(tesla)單位顯示在y軸上。

  在低頻下,磁芯的磁滯損耗占主要地位,而在較高頻率下,渦流損耗則更加明顯。用瓦特表型算法可以計算出磁芯損耗,但也可將自己的算術(shù)表達式寫入VI塊圖的公式結(jié)點作替換。LabView還可以保存數(shù)據(jù),并將結(jié)果輸出成微軟Excel數(shù)據(jù)表格式,或輸出到其它程序中作進一步分析。

  你可以用數(shù)據(jù)采集卡的八個差分模擬輸入通道的其它部分判定電感值。此時,要器件初級繞組上的電壓,并計算它的均方根值。電壓與通過R1測得的均方根電流的比值就確定了繞組標(biāo)量阻抗值XL的大小。然后,可以用下列公式計算出電感量:L=XL/2πf,其中,f表示所施加激勵電壓的頻率。


  圖2是一個3B7混合型鐵氧體磁芯的磁滯曲線,初、次級繞組均為100匝,測量頻率為60 Hz。為了作比較,圖3顯示了一個繞在由顆粒取向硅鋼片構(gòu)成的環(huán)形磁芯上的100W電源變壓器的60 Hz磁滯曲線。環(huán)形磁芯較寬的回路表示更強的磁滯作用,這是飽和磁芯電源變換器要使用的特性。為了施加60 Hz激勵,可以用一個降壓(絕緣)變壓器驅(qū)動器件的初級繞組,該降壓變壓器可用一個可調(diào)輸出自耦變壓器供電,如GenRad(www.ietlabs.com)的Variac。在獲得B-H曲線顯示時,逐漸增加初級電壓,直到磁滯回路的上、下部分平坦為止,此時表示進入磁芯飽和。如果使用準(zhǔn)確的話,不需要作校正。但在評估磁芯材料時,可能需要用不同匝數(shù)作試驗,從中獲得繞組的最佳安匝值。


  在60Hz時,積分網(wǎng)絡(luò)中的 R2使用267kΩ公差1%的電阻器,C1使用1mF聚酯介質(zhì)電容器。根據(jù)匝數(shù)以及獲得有用輸出電壓所需電流,數(shù)伏的交流激勵電壓通常就足以完成。在較高頻率的磁芯測量中,將一個信號發(fā)生器連接到功率放大器上,并改變RC積分器中各元件的值,使之能在所需頻率下正常工作。雖然設(shè)備并未采用數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出,但這個輸出可以作為功率放大器的一個正弦信號源。

  請檢查你準(zhǔn)備使用采集卡的電氣規(guī)格,避免超出該卡的峰/峰差分電壓與共模輸入電壓。如果激勵電壓接近或超過卡的標(biāo)稱值,則要增加一個10:1的分壓器進行限壓,并在軟件中增加一個因數(shù)為10的增益乘法器,以補償衰減器的損耗。


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