Требуется сделать прибор для измерения активных потерь в дросселях в лабораторных условиях.

Реактивная мощность (U∙I) – 500 – 4000 В∙А
Активная мощность 0.1% – 2 % от реактивной, как правило – 1 – 5 Вт.
Напряжение 20 – 200 В (можно до 400, но не обязательно), ток 0 – 20 А, частота 1 – 100 кГц.
Потери надо измерять в импульсном режиме – при треугольном токе с задаваемыми пользователем пределами Imin, Imax, и задаваемой частоте.

Мощность должна измеряться электрическим, а не тепловым методом из-за длительности теплового метода. При удачном раскладе прибор будет впариваться фирмам, производящим дроссели, в частности Kaschke. Вплоть до того, что под конкретный режим будет подбираться конструкция дросселя по критерию минимума потерь, измеряемых вот этим вот прибором.

К сожалению, я контактирую не с фирмами, которым это надо (а может и не надо ), а с человеком который будет этот прибор впаривать. Допустимая погрешность по его словам (считаем его Заказчиком) – ±10%. Т.е. от ±0.1Вт при 1 Вт до ±0.5Вт при 5 Вт.

Я некоторое время разбирался в этой проблеме и наметил несколько возможных способов реализации измерений.

Все они базируются на следующей простой схеме моста на мосфетах:

• блок-схема

• DXP  ImpGen_Power_ver3_SchDoc.rar ( 31.52 килобайт ) Кол-во скачиваний: 124

• PDF [DXP]  Schematic_Prints.pdf ( 26.16 килобайт ) Кол-во скачиваний: 406

• [Kompas]

1) Интегрирование произведения тока на напряжение: . На схеме генератора видно, что напряжение дросселя оторвано от земли, и прежде чем его оцифровывать надо его подать на дифференциальный усилитель, что вносит задержку. Ток, если мы пользуемся токовым щупом, или преобразователем ток-напряжение типа LEM, также получает задержку. C шунтом тоже не все гладко.
Так или иначе – очень сомнительно, что на этом пути можно добиться успеха, т.к. при требуемой погрешности 0.1 Вт при реактивной мощности 1 кВт сдвиг фаз между током и напряжением должен быть не более 0.02 deg (относительно первой гармоники). C учетом того, что надо мерить до 100 кГц, это нереально (задержка 0.56 с).

В качестве теста пробовал взять осциллограф LeCroy LT342, щуп AP015, дифференциальный усилитель TESTEC TT-SI9110.
Результаты ни к черту, вплоть до получения отрицательной мощности .
Картинки для примера:

ток и напряжение

мгновенная мощность


Интеграл за один период мгновенной мощности – 2.014 Вт, при том, что на самом деле 2.48Вт ±0.01Вт (измерено калориметрически). Это довольно удачный случай .

2) Далее я проверял самые разные параметры текущих в мосте токов, и напряжений между точками на информативность, и возникла идея:
измерять общее потребление моста, и вычитать из результата потери на ключах и кондерах.
Заметил, как влияет Rdson мосфетов на форму сигнала. Это позволяет учесть не «датащитное» Rdson, а измерять его прямо на лету и вносить поправку.

принцип измерения Rdson:  _________________.doc ( 198.5 килобайт ) Кол-во скачиваний: 251


Далее я стал разбираться с оставшимися потерями. Многие потери надо вносить, пользуясь не результатами измерений, а данными датащитов, что не надежно.

3) В конце концов, я подумал, что можно общие потери в мосте записать одной формулой с неизвестными коэффициентами и эти коэффициенты находить аппроксимацией по калибровочным точкам:

, (*)
где
ΔP – разница общей мощности потребления моста и потерь в дросселе;
f – частота (измеряем);
Imean – средний ток дросселя (измеряем);
K1 – постоянный коэффициент, характеризующий время переключения мосфетов;
K2 – коэффициент, характеризующий (но не равный) падение напряжения на открытых диодах;
E – напряжение на конденсаторах (измеряем);
Irms – действующий ток дросселя (измеряем);
K3 – коэффициент, характеризующий активное сопротивление проводов и Rdson транзисторов, частично – ESR конденсаторов;
K4 – активная проводимость конденсаторов и закрытых ключей, проводимость утечки.



Соответственно третий метод – нахождение коэффициентов калибровкой по дросселю, у которого при всех используемых при калибровке режимах потери известны (измерены калориметрически).
При нашем сейчаснем методе калориметрических измерений одно измерение потерь в дросселе занимает 6 часов и имеет погрешность ±0.01 Вт.
Предполагается сделать не один прибор, а несколько. Я думаю предусмотреть в приборе калибровку по дросселю с известными потерями (точнее по термосу с ним) с записью результатов во флеш (кнопка «калибровать» на лицевой панели).
Недостаток метода – то, что все параметры могут уплыть. Перспектива периодически калибровать приборы по термосу с дросселем Заказчика не радует.
В принципе, можно сделать «калибровочный дроссель» как отдельное изделие, и включать в комплект прибора. Прицепить к дросселю термодатчик и залить его компаундом (чтоб быстрее грелся), и по нему калибровать. Как такой вариант?

Поскольку я сейчас нацелился более всего на третий метод, то наибольший вред мне может принести несовершенство формулы (*), поэтому хотелось бы услышать советы по ее улучшению. Предложения о совсем иных подходах тоже с интересом послушаю почитаю .