關(guān)于電感值的工程變通計算和測試法
1引言
在開發(fā)電子鎮(zhèn)流器和電子節(jié)能燈電感鎮(zhèn)流器及電感式節(jié)能燈中,常常遇到鎮(zhèn)流電感及濾波電感值的計算問題。
但是電感值的計算程式比較繁瑣,并且在缺乏必要的磁材參數(shù)測量儀器的情況下,要嚴(yán)格按程式計算也是困難的,如果有設(shè)計仿真軟件當(dāng)然就容易了。
2傳統(tǒng)的程式設(shè)計
例如:要設(shè)計40W電子鎮(zhèn)流器,電路需要L=1.6mH的電感,試計算磁芯大小、繞線匝數(shù)、磁路氣隙長度。
首先,計算磁芯截面積,確定磁芯尺寸。
為此,可由式(1)計算出磁芯面積乘積Ap
Ap=(392L×Ip×D2)/ΔBm(1)
式中:Ap——磁芯面積乘積cm4
L——要求的電感值H
Ip——鎮(zhèn)流線圈通過的電流峰值A(chǔ)
ΔBm——脈沖磁感應(yīng)增量T
D——鎮(zhèn)流線圈導(dǎo)線直徑mm
根據(jù)磁芯面積乘積Ap的計算值在設(shè)計手冊中選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格磁芯或自行設(shè)計磁芯尺寸。在此ΔBm一般取飽和磁感強度的1/2~2/3,即:ΔBm=()Bs。
Bs在一般磁材手冊中都是給定的,可以查找出來,所以,一般說,由式(1)計算磁芯尺寸,并不是難事,難在磁材本身參數(shù)的分散性,同一爐磁芯的參數(shù)差別有時會很大,手冊中給出的Bs—H曲線和參數(shù)是統(tǒng)計平均值,所以依據(jù)式(1)算出的尺寸,還要在實際使用中反復(fù)檢驗修正。
磁芯尺寸確定以后,計算空氣隙(對EI型磁芯就是夾多厚的墊片,對于環(huán)型鐵芯就是開多寬的間隙)一般是按式(2)計算:lg=(2)
式中:lg——磁芯氣隙長度cm
L——所需的電感值H
Ip——線圈中通過的電流峰值A(chǔ)
ΔBm——脈沖磁感應(yīng)增量T
Sp——磁芯截面積cm2
一般地說,根據(jù)式(2)計算氣隙大小,也不會太困難。困難仍在于ΔBm值,僅是廠家的統(tǒng)計平均值,對于同一規(guī)格的磁芯,不同廠家也是不同的,所以,依據(jù)式(2)算出的lg,僅是個大概值,還須在實際中去反復(fù)修正,也就是再試湊。
磁芯尺寸確定了,氣隙長度也確定了,就可以確定需繞多少匝,才能達(dá)到所需的電感值L。
根據(jù)L=4μ·N2×10-9×A(3)可得N=(4)
式中:N——為所需的繞組匝數(shù)
A——磁芯的幾何形狀參數(shù)
要根據(jù)式(4)算出匝數(shù),關(guān)鍵是要知道導(dǎo)磁率μ為多少,從廠家給的磁材手冊上查,μ值也只是個范圍。例如R2K磁芯,其初始導(dǎo)磁率實際上是在1800~2600之間,具體值得靠測量。測量磁參數(shù)的儀器,一般工廠是不具備的,于是要根據(jù)式(4)計算匝數(shù)就比較困難。尤其是在有氣隙的條件下,導(dǎo)磁率比無氣隙時下降了多少也是未知數(shù)。所以依據(jù)式(4)計算就更困難。一般是先假設(shè)μ,進行計算,算出匝數(shù)N,試?yán)@好后測量L能否達(dá)到設(shè)計值,通常很難達(dá)到,則再另設(shè)μ值,再計算,這樣反復(fù)試湊下去,直到接近預(yù)定的L值結(jié)束。
以上就是根據(jù)已知電感量L,求磁芯尺寸,氣隙及繞組匝數(shù)的通用方法。
如果,設(shè)計一種鎮(zhèn)流器只計算一個電感值L,采用這種試湊計算也就算了,現(xiàn)在要面對市場,需要種種規(guī)格的鎮(zhèn)流電感,再這樣試湊,不僅時間上拖延了新品的開發(fā)進度,試制材料上也浪費很多。當(dāng)然如果有電感值計算仿真軟件,就另當(dāng)別論。
3變通算法
根據(jù)前面計算出的磁芯尺寸、氣隙長度,先繞制一匝數(shù)為No的電感,其實測電感值為Lo,則有
Lo=4μNo2×10-9×A(5)
令式(3)式(5)相除并整理后得:N==No(6)
式中:L——為要求的電感值
No——為已知的匝數(shù)
Lo——為已知的匝數(shù)下的電感值
這樣,對同一參數(shù)的磁芯,只要知道L、No、Lo三個參數(shù),即可求出匝數(shù)N。
實際制作時我們先在磁芯上繞(環(huán)形磁芯可以直接繞,EI型磁芯可在骨架上繞)No=20匝,在電感儀上測出Lo,將此值代入式(6),即可求出在該磁芯上應(yīng)繞的匝數(shù)N。
間隙的確定:
(1)間隙的作用
圖1及圖2中的曲線①為無間隙時磁芯的磁化曲線及導(dǎo)磁率μ與B的曲線,圖1及圖2中的曲線②為有氣隙時的相應(yīng)曲線。
從圖1及圖2的曲線可看出,同一磁芯開了氣隙后,可使B—H曲線斜率降低,使磁芯飽和點右移,從而增加了磁芯抗直流磁化的能力。但氣隙的加入,又使導(dǎo)磁率下降,所以氣隙有個最佳值,即在電感線圈通過最大峰值電流時,磁芯不進入飽和,同時又不致使導(dǎo)磁率降得太低,因為從式(3)可知,在所需電感量一定時若導(dǎo)磁率降低勢必要增加線圈匝數(shù),這是個矛盾。
(2)確定最佳氣隙
按該鎮(zhèn)流電感所通過的最大電流峰值Ip,利用直流磁化電源,和電感測試儀配套連接,使通入的直流電流達(dá)到Ip時,電感量下降不超過零電流時的10%,即認(rèn)為磁芯已經(jīng)到達(dá)最高Bm值,此時的間隙即為最佳氣隙長度。
如果通入Ip時,電感下降值超過10%,說明間隙小了些,可適當(dāng)再加大點,如果在Ip時,電感不下降,說明間隙片大了點,應(yīng)適當(dāng)減小點,這樣,邊測邊改,十幾分鐘就確定了最佳氣隙長度,避免了利用式(2)計算氣隙時因Bm值不確定帶來的反復(fù)試湊的麻煩。
根據(jù)上述可歸結(jié)出電感值計算三步法,即在根據(jù)電路要求或燈電參數(shù)確定了鎮(zhèn)流電感值L后,可按下述三步進行:
①利用式(1)確定磁芯尺寸;
②用直流磁化電源和電感測試儀確定氣隙;
③利用公式(6)計算所需的匝數(shù)。
當(dāng)然,這樣確定的鎮(zhèn)流電感值還要裝到電路里進行實驗確認(rèn)。一般只需作簡單的匝數(shù)修正即可滿足設(shè)計要求,用這種變通法設(shè)計鎮(zhèn)流電感,繞開了對磁材磁性能指標(biāo)如μ及Bs的準(zhǔn)確了解,而能順利設(shè)計出需要的電感值。
4應(yīng)用效果
(1)我們在開發(fā)研制出的許多系列節(jié)能燈產(chǎn)
品中所用的鎮(zhèn)流器電感,都是按上述三步法設(shè)計的,效果良好。
(2)利用變通計算法在已知產(chǎn)品的電感值,磁芯
尺寸及間隙厚度條件下,反求其繞線的匝數(shù)。
當(dāng)有的電感繞組不能用測圈儀測量其匝數(shù)時,只好一圈一圈拆計數(shù),對EI型磁芯還好拆,對于環(huán)形鐵芯拆起來較困難,尤其是小環(huán)、線細(xì)、匝數(shù)多的情況,現(xiàn)在利用變通算法,只要設(shè)法在原電感上繞20~30匝線,再測出新繞電感值Lo代入式(6)即可求出該電感的實際匝數(shù)。
(3)利用變通計算法控制環(huán)形鐵芯電感量的一致
性。
在鐵芯卷繞及加工間隙時,由于操作工藝上的問題,會造成間隙厚度和形狀不一致,這樣,如按固定的匝數(shù)進行繞制,勢必造成各個環(huán)形電感值的很大差如果您平日對來自華爾街的信息有所關(guān)注的話,您就會發(fā)現(xiàn)新年伊始,各大頂級投資銀行普遍調(diào)低了今年全球及各主要國家和地區(qū)的經(jīng)濟增長率預(yù)期指標(biāo)。以美林集團(MerrillLynch&Co.)2000年12月公布的2001年全球經(jīng)濟趨勢報告為例;全球GDP增長預(yù)計值由2000年的4?2%降至2001年的3?1%,其中美國降幅最大,由2000年的5?1%降為3?3%,歐盟由3?5%降為2?8%;日本由1?8%降至1?4%。全球經(jīng)濟增長放緩的一個顯著特征將是各主要國際市場的需求收縮,消費減弱,貿(mào)易額降低。而對今年即將入世的中國企業(yè)特別是出口企業(yè)來說,要想在低迷的大環(huán)境中創(chuàng)出佳績,為自己在世界經(jīng)濟體中的正式登臺亮相博個頭彩,采用基于互聯(lián)網(wǎng)的電子化貿(mào)易方式將是不可或缺的解決之道。
現(xiàn)在讓我們從另一個角度來看看為什么電子貿(mào)易是保證今后我國在國際貿(mào)易領(lǐng)域良性發(fā)展的必要手段。據(jù)投資銀行摩根士丹利(MorganStanleyDeanWitter)2001年1月出具的全球技術(shù)、新媒體及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用趨勢報告顯示:在新世紀(jì)第一年,全球互聯(lián)網(wǎng)用戶及應(yīng)用將繼續(xù)強勁增長,全球互聯(lián)網(wǎng)用戶將增長27%,達(dá)到3億6千5百萬,并且在今后3年內(nèi)將保持至少23%的年增長率。而中國最主要的貿(mào)易伙伴的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用增長率分別為:美國18%,日本39%,西歐26%,亞洲(除日本外)32%。同時,在今后10年,發(fā)達(dá)國家,尤其是美國的GDP增長將主要來自電子商務(wù)和貿(mào)易的拉動作用。例如今年,美國的電子貿(mào)易額將占到其GDP的4%左右。隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在這些主要貿(mào)易伙伴的經(jīng)濟生活中的比重日益增強,其貿(mào)易方式、政策和對合作方的要求也會快速向網(wǎng)絡(luò)化、電子化的方向轉(zhuǎn)變。對中國企業(yè)來說,已經(jīng)不是是否要走電子貿(mào)易之路的問題,而是我們要在這條路上走多快,能夠走多快的問題。
好在從我國自身發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)及電子貿(mào)易的形勢來看,我們有著充足的潛力和機會。我們相信,今年將是中國國際貿(mào)易真正在網(wǎng)絡(luò)電子化道路上追趕并進入世界第一梯隊的一年。我們也有充分的信心在低沉的全球氛圍中讓中國的經(jīng)濟發(fā)展奏出一段亮麗的樂章。
圖1磁性材料的磁化曲線
圖2磁性材料的導(dǎo)磁率與交流磁感應(yīng)強度關(guān)系
異,不符合設(shè)計要求。
為解決這個問題,一般采用寧肯多繞幾圈的辦法,在測量電感值時,再把多余的圈數(shù)拆掉(當(dāng)然拆幾圈比增加幾圈簡單一些)
我們在開始生產(chǎn)250W鈉燈鎮(zhèn)流器時,唯恐繞好后有的電感量不夠,就寧肯多繞十幾匝,結(jié)果逐個檢測電感量時,發(fā)現(xiàn)有的電感量基本接近設(shè)計值,而有的多繞了十幾匝,只好一個個地拆掉多余的匝數(shù),浪費了銅線也費了工時。
為此,我們專門設(shè)計了一個工裝,用此工裝結(jié)合LCR測試儀可直接對每個鐵芯進行Lo的測量,并用標(biāo)簽貼在鐵芯上。工裝的No為30匝,測量一個批量后,用公式(6)計算,即知同一L值的鐵芯上應(yīng)繞的匝數(shù)。
對于某一功率的鎮(zhèn)流器,L是已知的,如250W鈉燈鎮(zhèn)流電感,L一般為190mH左右,則:這就把一個較復(fù)雜的計算問題簡化,交由生產(chǎn)線工人來操作。