開(kāi)關(guān)變壓器第五講 交流脈沖對(duì)鐵芯的磁化
發(fā)布時(shí)間:2009-07-06
相對(duì)于直流脈沖而言,交流脈沖對(duì)鐵芯的磁化不用擔(dān)心磁飽和的問(wèn)題,它的磁通在一個(gè)周期內(nèi)組成一個(gè)閉合的曲線。隨著輸入電壓周而復(fù)始的循環(huán)變化。直流脈沖對(duì)鐵芯磁化的時(shí)候,磁場(chǎng)強(qiáng)度和勵(lì)磁電流的變化幅度都要經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程,然后才基本趨于穩(wěn)定;交流脈沖磁化鐵芯的過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間非常短;從輸入第一個(gè)脈沖開(kāi)始,磁通密度B或磁通增長(zhǎng)的幅度與下降的幅度就基本一樣大。
雙激式變壓器與單激式變壓器的區(qū)別主要是兩者輸入電壓的參數(shù)不一樣。單激式變壓器輸入的電壓是單極性直流脈沖,而雙激式變壓器輸入的電壓是雙極性交流脈沖。
為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),我們把雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源等效成如圖2-5所示電路。圖2-5與圖2-1所示電路的不同之處在于,圖2-1輸入電壓是直流脈沖方波,而圖2-5輸入電壓是交流脈沖電壓方波。因此,圖2-5所示電路與一般的變壓器電路在工作原理上沒(méi)有根本的區(qū)別。
在圖2-5中,當(dāng)一系列序號(hào)為1、2、3、…的交流脈沖電壓方波分別加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí),在開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)線圈中就會(huì)分別有兩個(gè)正、反方向的勵(lì)磁電流流過(guò),同時(shí),在開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯中就會(huì)分別產(chǎn)生正、反兩個(gè)方向的磁場(chǎng),在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁化作用下又會(huì)產(chǎn)生與磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)應(yīng)的磁通密度B或磁通 。
圖2-6是雙激式開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系圖,或稱變壓器鐵芯磁化曲線圖或磁滯回線圖。之所以把圖2-6磁滯回線圖,是因?yàn)榇磐芏菳比磁場(chǎng)強(qiáng)度H滯后一個(gè)相位或者一段時(shí)間。
如果開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯在這之前從來(lái)沒(méi)有被任何磁場(chǎng)磁化過(guò),并且開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量足夠大,那么,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)交流脈沖的正半周電壓加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí),在變壓器初級(jí)線圈中將有勵(lì)磁電流流過(guò),并在變壓器鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng);在磁場(chǎng)強(qiáng)度H的作用下,變壓器鐵芯中的磁通密度B將會(huì)按圖2-6中o-a磁化曲線上升;當(dāng)脈沖電壓的正半周將要結(jié)束時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)最大值Hm,同時(shí)對(duì)應(yīng)的磁通密度也被磁化到最大值Bm。磁通密度在增加,表示流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正在對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行充磁。
第一個(gè)交流脈沖的正半周電壓結(jié)束后,雖然輸入電壓由正的最大值突然降到0 ,但流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流不能馬上下降到零,因此,磁場(chǎng)強(qiáng)度H也不會(huì)馬上下降到零;此時(shí),變壓器的初、次級(jí)線圈會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),由于反電動(dòng)勢(shì)的作用,在變壓器的初、次級(jí)線圈回路中會(huì)有電流流過(guò),這種回路電流屬于感應(yīng)電流,或稱感生電流,感應(yīng)電流會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生反向磁場(chǎng),使變壓器鐵芯退磁,磁場(chǎng)強(qiáng)度H開(kāi)始由最大值Hm逐步退到0 。
但變壓器鐵芯中的磁通密度B卻不會(huì)跟隨磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零,由于變壓器鐵芯具有磁矯頑力,變壓器鐵芯鐵芯的磁化過(guò)程是不可逆的,因此磁通密度被退磁時(shí)并不是按充磁時(shí)的o-a磁化曲線原路返回,而是按另一條新的磁化曲線a-b返回到b點(diǎn),即:剩余磁通密度Br處;因此,磁通密度位于b點(diǎn)的值,人們都習(xí)慣地把它稱為剩余磁通密度,或簡(jiǎn)稱“剩磁”,用Br表示。[page]
當(dāng)輸入交流脈沖電壓由正半周轉(zhuǎn)換成負(fù)半周的時(shí)候,勵(lì)磁電流的方向也要改變,使變壓器鐵芯繼續(xù)進(jìn)行退磁,磁通密度由b點(diǎn)沿著b-c磁化曲線繼續(xù)退磁到c點(diǎn),此時(shí),磁通密度雖然為零,但對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度并不為零,而是一個(gè)負(fù)值;當(dāng)勵(lì)磁電流按相反的方向繼續(xù)增加時(shí),磁通密度也相應(yīng)地按相反的方向沿著c-d磁化曲線繼續(xù)增加,此時(shí),變壓器鐵芯由退磁轉(zhuǎn)變?yōu)楸环聪虺浯?;?dāng)磁通密度沿著磁化曲線c-d增加到達(dá)d點(diǎn)時(shí),對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到負(fù)的最大值-Hm,磁通密度也同時(shí)達(dá)到負(fù)的最大值-Bm 。
第一個(gè)交流脈沖的負(fù)半周電壓結(jié)束后,輸入電壓將由負(fù)的最大值突然降到0 ,但流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流不能馬上下降到零,因此,磁場(chǎng)強(qiáng)度H也不會(huì)馬上下降到零;同理,變壓器的初、次級(jí)線圈會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),感應(yīng)電流會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生反向磁場(chǎng),使變壓器鐵芯退磁,磁場(chǎng)強(qiáng)度H由負(fù)的最大值-Hm逐步退到0;由于變壓器鐵芯具有磁矯頑力,因此,磁通密度的下降并不是按充磁時(shí)的磁化曲線c-d原路返回到c,而是按另一條新的磁化曲線d-e返回到e點(diǎn),即:負(fù)的剩余磁通密度-Br。
第一個(gè)交流脈沖結(jié)束后,第二個(gè)交流脈沖對(duì)變壓器鐵芯的磁化并沒(méi)有重復(fù)第一個(gè)交流脈沖的磁化過(guò)程。當(dāng)?shù)诙€(gè)交流脈沖的正半周電壓到來(lái)時(shí),磁通密度卻是從磁化曲線的e點(diǎn)-Br位置開(kāi)始的,其對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0,然后磁通密度沿著磁化曲線e-f上升,經(jīng)過(guò)0后再沿著磁化曲線f-a升到最大值Bm,對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為最大值Hm。
其余類推,每輸入一個(gè)正、負(fù)脈沖,磁通密度都會(huì)沿著磁化曲線e-f-a上升到最大值Bm,然后又沿著磁化曲線a-b-c-d下降到負(fù)的最大值-Bm 。
下面我們繼續(xù)對(duì)變壓器鐵芯的初始磁化曲線過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。
圖2-3是多個(gè)直流脈沖電壓連續(xù)加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí),輸入脈沖電壓與變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通對(duì)應(yīng)變化的曲線圖。圖2-3-a)為輸入電壓各個(gè)直流脈沖之間的相位圖,圖2-3-b)為變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通 對(duì)應(yīng)各個(gè)輸入直流脈沖電壓變化的曲線圖。圖2-3-c)為變壓器鐵芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)應(yīng)磁通密度B或磁通和各個(gè)直流脈沖電壓之間變化的曲線圖。[page]
從圖2-3-a)和圖2-3-b)可以看出,每輸入一個(gè)直流脈沖電壓,變壓器鐵芯中的磁通密度B或磁通就要線性增長(zhǎng)和下降一次(對(duì)于純電阻負(fù)載,磁通密度下降不是線性的)。在開(kāi)始輸入直流脈沖電壓的時(shí)候,磁通密度B或磁通增長(zhǎng)的幅度大于下降的幅度。
這是因?yàn)椋瑒傞_(kāi)始工作的時(shí)候,磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行磁化時(shí)還沒(méi)有使磁通密度或磁矯頑力達(dá)到接近飽和的程度;要經(jīng)過(guò)若干個(gè)過(guò)程以后,磁通密度B或磁通增長(zhǎng)的幅度與下降的幅度才會(huì)一樣大,這說(shuō)明變壓器鐵芯中的磁矯頑力已經(jīng)基本達(dá)到飽和。這個(gè)過(guò)程與儲(chǔ)能濾波電容剛開(kāi)始充電時(shí)的過(guò)程是很相似的。
從圖2-3-c)中還可以看出,在直流脈沖電壓剛輸入的時(shí)候,磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的幅度開(kāi)始是比較小的,隨著直流脈沖輸入的個(gè)數(shù)不斷增加,其變化的幅度也在不斷增加,但磁通密度增量ΔB卻基本沒(méi)有改變;直到磁通密度達(dá)到最大值Bm之后,磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的幅度才基本趨于穩(wěn)定;這說(shuō)明勵(lì)磁電流的變化幅度開(kāi)始的時(shí)候也是比較小的,隨后勵(lì)磁電流變化的幅度也會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的幅度增加而增加。
當(dāng)變壓器鐵芯初次被直流脈沖電壓產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁化的時(shí)候,磁場(chǎng)強(qiáng)度和勵(lì)磁電流的變化幅度都要經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程,然后才基本趨于穩(wěn)定,并且磁場(chǎng)強(qiáng)度和勵(lì)磁電流變化的幅度是由小到大;這個(gè)原因,主要是因?yàn)樽儔浩麒F芯開(kāi)始的時(shí)候?qū)Т怕时容^大,而后,導(dǎo)磁率逐步變小的緣故。圖2-4是變壓器鐵芯導(dǎo)磁率和磁通密度對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的曲線圖。
在圖2-4中,曲線B為磁通密度對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的關(guān)系曲線,曲線 為導(dǎo)磁率對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的關(guān)系曲線。由于我們這里把磁場(chǎng)強(qiáng)度作為自變量,而磁通密度和鐵芯導(dǎo)磁率都作為因變量,因此,我們同樣可以把曲線B和曲線 統(tǒng)稱為變壓器鐵芯的磁化曲線。
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由于圖2-4所示的磁化曲線,只有在開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯從來(lái)沒(méi)有被任何磁場(chǎng)磁化過(guò),僅當(dāng)在第一次被磁場(chǎng)極化時(shí)才會(huì)出現(xiàn);當(dāng)開(kāi)關(guān)變壓器工作正常之后,這種初始狀態(tài)就會(huì)被破壞和不復(fù)存在;因此,我們把圖2-4所示的磁化曲線稱為初始磁化曲線。雖然我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中,很少碰到如圖2-4所示的磁通密度對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的初始磁化曲線,但在實(shí)際應(yīng)用中,人們還是習(xí)慣于用它來(lái)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行磁化過(guò)程分析或?qū)ψ儔浩鞯膮?shù)進(jìn)行計(jì)算,因此,初始磁化曲線也有人把它稱為基本磁化曲線。
從圖2-4中可以看出,變壓器鐵芯導(dǎo)磁率最大的地方,既不是磁化曲線的起始端,也不是磁化曲線的末端,而是在磁化曲線中間偏左的位置。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H繼續(xù)增大時(shí),磁通密度B將會(huì)出現(xiàn)飽和;此時(shí),不但磁通密度增量ΔB會(huì)下降到0,導(dǎo)磁率 的值也會(huì)下降到接近0。在設(shè)計(jì)單激式開(kāi)關(guān)變壓器的時(shí)候,都有意在變壓器鐵芯中預(yù)留出一定的氣隙。
由于空氣的導(dǎo)磁率與鐵芯的導(dǎo)磁率相差成千上萬(wàn)倍,因此,只要在磁回路中留百分之一或幾百分之一的氣隙長(zhǎng)度,其磁阻或者磁動(dòng)勢(shì)將會(huì)大部分降在氣隙上,因此磁心也就很難飽和。例如,當(dāng)氣隙長(zhǎng)度達(dá)到總磁路長(zhǎng)度的百分之一時(shí),變壓器鐵芯的Br與Bm之比,將小于百分之十;同時(shí)變壓器鐵芯的最大導(dǎo)磁率 也會(huì)從5000以上下降到只有幾十至幾百之間。
但變壓器鐵芯導(dǎo)磁率出現(xiàn)0的情況在一些控制電路中也有特殊應(yīng)用,例如,磁放大器或磁調(diào)制器就是利用導(dǎo)磁材料的導(dǎo)磁率受磁場(chǎng)強(qiáng)度影響的原理來(lái)工作的。目前大量使用的50周大功率穩(wěn)壓電源基本上都是使用磁放大器來(lái)對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。
但對(duì)于交流脈沖,磁通密度由0經(jīng)過(guò)磁化曲線o-a上升到最大值Bm之外,后面任何一個(gè)電壓脈沖加于變壓器初級(jí)線圈a、b兩端,變壓器鐵芯被磁化,磁通密度都不會(huì)再經(jīng)過(guò)磁化曲線o-a。因此,圖2-6中磁化曲線o-a與圖2-4所示的磁化曲線B一樣,也叫初始磁化曲線或基本磁化曲線。
從圖2-6還可以看出,雖然磁通密度被磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化的時(shí)候可以同時(shí)到達(dá)正、負(fù)最大值,但在磁場(chǎng)強(qiáng)度經(jīng)過(guò)零的時(shí)候,磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度總是出現(xiàn)一個(gè)相位差。
圖2-7是多個(gè)交流脈沖電壓連續(xù)加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí),輸入脈沖電壓與變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通對(duì)應(yīng)變化的曲線圖。
圖2-7-a為輸入電壓各個(gè)交流脈沖之間的相位圖,圖2-7-b為變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通對(duì)應(yīng)輸入交流脈沖電壓變化的曲線圖;圖2-7-c為變壓器鐵芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)應(yīng)磁通密度B或磁通和各個(gè)交流脈沖之間變化的曲線圖。
從圖2-7-a)和圖2-7-b)可以看出,每輸入一個(gè)交流脈沖電壓,變壓器鐵芯中的磁通密度B或磁通 就要線性增長(zhǎng)和下降一次,磁通密度變化的范圍是從負(fù)的最大值-Bm到正的最大值Bm,并且增長(zhǎng)和下降的速率基本一樣。從圖2-7-c)可以看出,每輸入一個(gè)交流脈沖電壓,變壓器鐵芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H也要增長(zhǎng)和下降一次,但增長(zhǎng)和下降的速率卻不一樣;增長(zhǎng)的速度慢,而下降的速度快,這是因?yàn)樽儔浩鞒酢⒋尉€圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)與輸入電壓同時(shí)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁的原因。
從圖2-7與圖2-3進(jìn)行對(duì)比可以看出,雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯的磁化過(guò)程,不會(huì)出現(xiàn)單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯需要經(jīng)過(guò)多個(gè)輸入脈沖后,磁通密度B或磁通 增長(zhǎng)的幅度與下降的幅度才能達(dá)到穩(wěn)定的情況。相對(duì)來(lái)說(shuō),雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯的磁化過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間非常短;從輸入第一個(gè)脈沖開(kāi)始,磁通密度B或磁通增長(zhǎng)的幅度與下降的幅度就基本一樣大;并且變壓器鐵芯中的磁通密度B或磁通的增長(zhǎng)或下降都是線性的;因?yàn)?,輸入電壓正、?fù)半周的幅度都相等,而輸入電壓正比于變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)與磁通對(duì)時(shí)間變化速率的乘積。
雙激式變壓器與單激式變壓器的區(qū)別主要是兩者輸入電壓的參數(shù)不一樣。單激式變壓器輸入的電壓是單極性直流脈沖,而雙激式變壓器輸入的電壓是雙極性交流脈沖。
為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),我們把雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源等效成如圖2-5所示電路。圖2-5與圖2-1所示電路的不同之處在于,圖2-1輸入電壓是直流脈沖方波,而圖2-5輸入電壓是交流脈沖電壓方波。因此,圖2-5所示電路與一般的變壓器電路在工作原理上沒(méi)有根本的區(qū)別。
在圖2-5中,當(dāng)一系列序號(hào)為1、2、3、…的交流脈沖電壓方波分別加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí),在開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)線圈中就會(huì)分別有兩個(gè)正、反方向的勵(lì)磁電流流過(guò),同時(shí),在開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯中就會(huì)分別產(chǎn)生正、反兩個(gè)方向的磁場(chǎng),在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁化作用下又會(huì)產(chǎn)生與磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)應(yīng)的磁通密度B或磁通 。
圖2-6是雙激式開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系圖,或稱變壓器鐵芯磁化曲線圖或磁滯回線圖。之所以把圖2-6磁滯回線圖,是因?yàn)榇磐芏菳比磁場(chǎng)強(qiáng)度H滯后一個(gè)相位或者一段時(shí)間。
如果開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯在這之前從來(lái)沒(méi)有被任何磁場(chǎng)磁化過(guò),并且開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量足夠大,那么,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)交流脈沖的正半周電壓加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí),在變壓器初級(jí)線圈中將有勵(lì)磁電流流過(guò),并在變壓器鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng);在磁場(chǎng)強(qiáng)度H的作用下,變壓器鐵芯中的磁通密度B將會(huì)按圖2-6中o-a磁化曲線上升;當(dāng)脈沖電壓的正半周將要結(jié)束時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)最大值Hm,同時(shí)對(duì)應(yīng)的磁通密度也被磁化到最大值Bm。磁通密度在增加,表示流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正在對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行充磁。
第一個(gè)交流脈沖的正半周電壓結(jié)束后,雖然輸入電壓由正的最大值突然降到0 ,但流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流不能馬上下降到零,因此,磁場(chǎng)強(qiáng)度H也不會(huì)馬上下降到零;此時(shí),變壓器的初、次級(jí)線圈會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),由于反電動(dòng)勢(shì)的作用,在變壓器的初、次級(jí)線圈回路中會(huì)有電流流過(guò),這種回路電流屬于感應(yīng)電流,或稱感生電流,感應(yīng)電流會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生反向磁場(chǎng),使變壓器鐵芯退磁,磁場(chǎng)強(qiáng)度H開(kāi)始由最大值Hm逐步退到0 。
但變壓器鐵芯中的磁通密度B卻不會(huì)跟隨磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零,由于變壓器鐵芯具有磁矯頑力,變壓器鐵芯鐵芯的磁化過(guò)程是不可逆的,因此磁通密度被退磁時(shí)并不是按充磁時(shí)的o-a磁化曲線原路返回,而是按另一條新的磁化曲線a-b返回到b點(diǎn),即:剩余磁通密度Br處;因此,磁通密度位于b點(diǎn)的值,人們都習(xí)慣地把它稱為剩余磁通密度,或簡(jiǎn)稱“剩磁”,用Br表示。[page]
當(dāng)輸入交流脈沖電壓由正半周轉(zhuǎn)換成負(fù)半周的時(shí)候,勵(lì)磁電流的方向也要改變,使變壓器鐵芯繼續(xù)進(jìn)行退磁,磁通密度由b點(diǎn)沿著b-c磁化曲線繼續(xù)退磁到c點(diǎn),此時(shí),磁通密度雖然為零,但對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度并不為零,而是一個(gè)負(fù)值;當(dāng)勵(lì)磁電流按相反的方向繼續(xù)增加時(shí),磁通密度也相應(yīng)地按相反的方向沿著c-d磁化曲線繼續(xù)增加,此時(shí),變壓器鐵芯由退磁轉(zhuǎn)變?yōu)楸环聪虺浯?;?dāng)磁通密度沿著磁化曲線c-d增加到達(dá)d點(diǎn)時(shí),對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到負(fù)的最大值-Hm,磁通密度也同時(shí)達(dá)到負(fù)的最大值-Bm 。
第一個(gè)交流脈沖的負(fù)半周電壓結(jié)束后,輸入電壓將由負(fù)的最大值突然降到0 ,但流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流不能馬上下降到零,因此,磁場(chǎng)強(qiáng)度H也不會(huì)馬上下降到零;同理,變壓器的初、次級(jí)線圈會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),感應(yīng)電流會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生反向磁場(chǎng),使變壓器鐵芯退磁,磁場(chǎng)強(qiáng)度H由負(fù)的最大值-Hm逐步退到0;由于變壓器鐵芯具有磁矯頑力,因此,磁通密度的下降并不是按充磁時(shí)的磁化曲線c-d原路返回到c,而是按另一條新的磁化曲線d-e返回到e點(diǎn),即:負(fù)的剩余磁通密度-Br。
第一個(gè)交流脈沖結(jié)束后,第二個(gè)交流脈沖對(duì)變壓器鐵芯的磁化并沒(méi)有重復(fù)第一個(gè)交流脈沖的磁化過(guò)程。當(dāng)?shù)诙€(gè)交流脈沖的正半周電壓到來(lái)時(shí),磁通密度卻是從磁化曲線的e點(diǎn)-Br位置開(kāi)始的,其對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0,然后磁通密度沿著磁化曲線e-f上升,經(jīng)過(guò)0后再沿著磁化曲線f-a升到最大值Bm,對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為最大值Hm。
其余類推,每輸入一個(gè)正、負(fù)脈沖,磁通密度都會(huì)沿著磁化曲線e-f-a上升到最大值Bm,然后又沿著磁化曲線a-b-c-d下降到負(fù)的最大值-Bm 。
下面我們繼續(xù)對(duì)變壓器鐵芯的初始磁化曲線過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。
圖2-3是多個(gè)直流脈沖電壓連續(xù)加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí),輸入脈沖電壓與變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通對(duì)應(yīng)變化的曲線圖。圖2-3-a)為輸入電壓各個(gè)直流脈沖之間的相位圖,圖2-3-b)為變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通 對(duì)應(yīng)各個(gè)輸入直流脈沖電壓變化的曲線圖。圖2-3-c)為變壓器鐵芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)應(yīng)磁通密度B或磁通和各個(gè)直流脈沖電壓之間變化的曲線圖。[page]
從圖2-3-a)和圖2-3-b)可以看出,每輸入一個(gè)直流脈沖電壓,變壓器鐵芯中的磁通密度B或磁通就要線性增長(zhǎng)和下降一次(對(duì)于純電阻負(fù)載,磁通密度下降不是線性的)。在開(kāi)始輸入直流脈沖電壓的時(shí)候,磁通密度B或磁通增長(zhǎng)的幅度大于下降的幅度。
這是因?yàn)椋瑒傞_(kāi)始工作的時(shí)候,磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行磁化時(shí)還沒(méi)有使磁通密度或磁矯頑力達(dá)到接近飽和的程度;要經(jīng)過(guò)若干個(gè)過(guò)程以后,磁通密度B或磁通增長(zhǎng)的幅度與下降的幅度才會(huì)一樣大,這說(shuō)明變壓器鐵芯中的磁矯頑力已經(jīng)基本達(dá)到飽和。這個(gè)過(guò)程與儲(chǔ)能濾波電容剛開(kāi)始充電時(shí)的過(guò)程是很相似的。
從圖2-3-c)中還可以看出,在直流脈沖電壓剛輸入的時(shí)候,磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的幅度開(kāi)始是比較小的,隨著直流脈沖輸入的個(gè)數(shù)不斷增加,其變化的幅度也在不斷增加,但磁通密度增量ΔB卻基本沒(méi)有改變;直到磁通密度達(dá)到最大值Bm之后,磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的幅度才基本趨于穩(wěn)定;這說(shuō)明勵(lì)磁電流的變化幅度開(kāi)始的時(shí)候也是比較小的,隨后勵(lì)磁電流變化的幅度也會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的幅度增加而增加。
當(dāng)變壓器鐵芯初次被直流脈沖電壓產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁化的時(shí)候,磁場(chǎng)強(qiáng)度和勵(lì)磁電流的變化幅度都要經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程,然后才基本趨于穩(wěn)定,并且磁場(chǎng)強(qiáng)度和勵(lì)磁電流變化的幅度是由小到大;這個(gè)原因,主要是因?yàn)樽儔浩麒F芯開(kāi)始的時(shí)候?qū)Т怕时容^大,而后,導(dǎo)磁率逐步變小的緣故。圖2-4是變壓器鐵芯導(dǎo)磁率和磁通密度對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的曲線圖。
在圖2-4中,曲線B為磁通密度對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的關(guān)系曲線,曲線 為導(dǎo)磁率對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的關(guān)系曲線。由于我們這里把磁場(chǎng)強(qiáng)度作為自變量,而磁通密度和鐵芯導(dǎo)磁率都作為因變量,因此,我們同樣可以把曲線B和曲線 統(tǒng)稱為變壓器鐵芯的磁化曲線。
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由于圖2-4所示的磁化曲線,只有在開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯從來(lái)沒(méi)有被任何磁場(chǎng)磁化過(guò),僅當(dāng)在第一次被磁場(chǎng)極化時(shí)才會(huì)出現(xiàn);當(dāng)開(kāi)關(guān)變壓器工作正常之后,這種初始狀態(tài)就會(huì)被破壞和不復(fù)存在;因此,我們把圖2-4所示的磁化曲線稱為初始磁化曲線。雖然我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中,很少碰到如圖2-4所示的磁通密度對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的初始磁化曲線,但在實(shí)際應(yīng)用中,人們還是習(xí)慣于用它來(lái)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行磁化過(guò)程分析或?qū)ψ儔浩鞯膮?shù)進(jìn)行計(jì)算,因此,初始磁化曲線也有人把它稱為基本磁化曲線。
從圖2-4中可以看出,變壓器鐵芯導(dǎo)磁率最大的地方,既不是磁化曲線的起始端,也不是磁化曲線的末端,而是在磁化曲線中間偏左的位置。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H繼續(xù)增大時(shí),磁通密度B將會(huì)出現(xiàn)飽和;此時(shí),不但磁通密度增量ΔB會(huì)下降到0,導(dǎo)磁率 的值也會(huì)下降到接近0。在設(shè)計(jì)單激式開(kāi)關(guān)變壓器的時(shí)候,都有意在變壓器鐵芯中預(yù)留出一定的氣隙。
由于空氣的導(dǎo)磁率與鐵芯的導(dǎo)磁率相差成千上萬(wàn)倍,因此,只要在磁回路中留百分之一或幾百分之一的氣隙長(zhǎng)度,其磁阻或者磁動(dòng)勢(shì)將會(huì)大部分降在氣隙上,因此磁心也就很難飽和。例如,當(dāng)氣隙長(zhǎng)度達(dá)到總磁路長(zhǎng)度的百分之一時(shí),變壓器鐵芯的Br與Bm之比,將小于百分之十;同時(shí)變壓器鐵芯的最大導(dǎo)磁率 也會(huì)從5000以上下降到只有幾十至幾百之間。
但變壓器鐵芯導(dǎo)磁率出現(xiàn)0的情況在一些控制電路中也有特殊應(yīng)用,例如,磁放大器或磁調(diào)制器就是利用導(dǎo)磁材料的導(dǎo)磁率受磁場(chǎng)強(qiáng)度影響的原理來(lái)工作的。目前大量使用的50周大功率穩(wěn)壓電源基本上都是使用磁放大器來(lái)對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。
但對(duì)于交流脈沖,磁通密度由0經(jīng)過(guò)磁化曲線o-a上升到最大值Bm之外,后面任何一個(gè)電壓脈沖加于變壓器初級(jí)線圈a、b兩端,變壓器鐵芯被磁化,磁通密度都不會(huì)再經(jīng)過(guò)磁化曲線o-a。因此,圖2-6中磁化曲線o-a與圖2-4所示的磁化曲線B一樣,也叫初始磁化曲線或基本磁化曲線。
從圖2-6還可以看出,雖然磁通密度被磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化的時(shí)候可以同時(shí)到達(dá)正、負(fù)最大值,但在磁場(chǎng)強(qiáng)度經(jīng)過(guò)零的時(shí)候,磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度總是出現(xiàn)一個(gè)相位差。
圖2-7是多個(gè)交流脈沖電壓連續(xù)加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí),輸入脈沖電壓與變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通對(duì)應(yīng)變化的曲線圖。
圖2-7-a為輸入電壓各個(gè)交流脈沖之間的相位圖,圖2-7-b為變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通對(duì)應(yīng)輸入交流脈沖電壓變化的曲線圖;圖2-7-c為變壓器鐵芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度H對(duì)應(yīng)磁通密度B或磁通和各個(gè)交流脈沖之間變化的曲線圖。
從圖2-7-a)和圖2-7-b)可以看出,每輸入一個(gè)交流脈沖電壓,變壓器鐵芯中的磁通密度B或磁通 就要線性增長(zhǎng)和下降一次,磁通密度變化的范圍是從負(fù)的最大值-Bm到正的最大值Bm,并且增長(zhǎng)和下降的速率基本一樣。從圖2-7-c)可以看出,每輸入一個(gè)交流脈沖電壓,變壓器鐵芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H也要增長(zhǎng)和下降一次,但增長(zhǎng)和下降的速率卻不一樣;增長(zhǎng)的速度慢,而下降的速度快,這是因?yàn)樽儔浩鞒酢⒋尉€圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)與輸入電壓同時(shí)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁的原因。
從圖2-7與圖2-3進(jìn)行對(duì)比可以看出,雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯的磁化過(guò)程,不會(huì)出現(xiàn)單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯需要經(jīng)過(guò)多個(gè)輸入脈沖后,磁通密度B或磁通 增長(zhǎng)的幅度與下降的幅度才能達(dá)到穩(wěn)定的情況。相對(duì)來(lái)說(shuō),雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯的磁化過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間非常短;從輸入第一個(gè)脈沖開(kāi)始,磁通密度B或磁通增長(zhǎng)的幅度與下降的幅度就基本一樣大;并且變壓器鐵芯中的磁通密度B或磁通的增長(zhǎng)或下降都是線性的;因?yàn)?,輸入電壓正、?fù)半周的幅度都相等,而輸入電壓正比于變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)與磁通對(duì)時(shí)間變化速率的乘積。
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