在圖2-1中,當(dāng)有直流脈沖電壓輸入變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí),在變壓器初級(jí)線圈中就有勵(lì)磁電流流過,勵(lì)磁電流會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生磁通
兩邊積分后得
由此可以求得變壓器的伏秒容量:
上面(2-13)、(2-14)、(2-15)式中,VT為變壓器的伏秒容量,VT = E×τ ,即:伏秒容量等于輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的乘積,單位為伏秒,E為輸入脈沖電壓的幅度,單位為伏,τ為脈沖寬度,單位為秒;Δ為磁通增量,單位為麥克斯韋(Mx),Δ= S×ΔB ;ΔB磁感應(yīng)強(qiáng)度增量,ΔB = Bm-Br ,單位為高斯(Gs);S為鐵芯的截面積,單位為平方厘米;N1為變壓器初級(jí)線圈N1繞組的匝數(shù),K為比例常數(shù)。
伏秒容量表示一個(gè)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長時(shí)間的沖擊。因此,變壓器的伏秒容量VT越大,表示流過變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流就越小。一般變壓器的勵(lì)磁電流都是不提供功率輸出的,只有反激式開關(guān)電源是例外,在正激式變壓器開關(guān)電源或雙激式變壓器開關(guān)電源中,勵(lì)磁電流越小,表示開關(guān)電源的工作效率越高。
在一定的變壓器伏秒容量條件下,輸入電壓越高,變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短,反之,輸入電壓越低,變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越長;而在一定的工作電壓條件下,變壓器的伏秒容量越大,變壓器的鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越低,變壓器鐵芯就越不容易飽和。變壓器的伏秒容量與變壓器的體積以及功率基本無關(guān),只與磁通的變化量大小有關(guān)。
如果我們對(duì)(2-15)式稍微進(jìn)行變換,就可以得到單激式開關(guān)變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)計(jì)算公式:
(2-16)式就是計(jì)算單激式開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中,N1為變壓器初級(jí)線圈N1繞組的最少匝數(shù),S為變壓器鐵芯的導(dǎo)磁面積(單位:平方厘米),Bm為變壓器鐵芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位:高斯),Br為變壓器鐵芯的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位:高斯),τ為脈沖寬度,或電源開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的寬度(單位:秒),E為脈沖電壓幅度,即開關(guān)電源的工作電壓幅度,單位為伏。
(2-16)式中的指數(shù)108在數(shù)值上正好等于(2-13)、(2-14)、(2-15)式中的比例系數(shù)K,因此,選用不同單位制,比例系數(shù)K的值就會(huì)不一樣;這里選用CGS單位制,即:長度為厘米(cm),磁感應(yīng)強(qiáng)度為高斯(Gs),磁通單位為麥克斯韋(Mx)。
從圖2-2和圖2-3還可以看出,直接采用圖2-2和圖2-3的參數(shù)來設(shè)計(jì)單激式開關(guān)變壓器,在實(shí)際應(yīng)用中是沒有太大價(jià)值的。因?yàn)?,普通變壓器鐵芯材料的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的值都不大,大約在3000~5000高斯之間,剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br一般卻高達(dá)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的80%,因此,實(shí)際可應(yīng)用的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB一般都很小,大約只有最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的20%左右,一般不會(huì)超過1000高斯。
為了增大磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB,一般都需要在變壓器鐵芯中留出一定長度的氣隙,以降低剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br的數(shù)值。關(guān)于開關(guān)變壓器鐵芯氣隙的選取請(qǐng)參考后面《
由(2-13)和(2-14)式可以知道,盡管磁化曲線不是線性的,但當(dāng)輸入電壓為方波時(shí),流過變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的磁通還是按線性規(guī)律增長的;而流過變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電流以及磁場強(qiáng)度卻不一定是按線性規(guī)律增長,正因?yàn)槿绱?,才使得?/span>2-13)和(2-14)式中出現(xiàn)一個(gè)比例常數(shù)K 。
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也就是說,當(dāng)我們把(2-13)、(2-14)、(2-15)式中的系數(shù)K作為一個(gè)比例常數(shù)看待時(shí),同時(shí)也就意味著,我們已經(jīng)把變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率也當(dāng)成了一個(gè)常數(shù)看待了,但由于變壓器鐵芯導(dǎo)磁率的非線性以及勵(lì)磁電流的非線性,兩個(gè)非線性參數(shù)互相補(bǔ)償,才使得變壓器鐵芯中的磁通按線性規(guī)律變化。因此,在變壓器鐵芯將要接近飽和的時(shí)候,變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流是非常大的。
在單激變壓器開關(guān)電源中,雖然流過變壓器初級(jí)線圈中的電流所產(chǎn)生的磁通是按線性規(guī)律上升的,但變壓器鐵芯產(chǎn)生退磁時(shí),磁通的變化并不一定是按線性規(guī)律下降的。這個(gè)問題在第一章的內(nèi)容中已經(jīng)基本作了解釋。當(dāng)直流脈沖電壓過后,變壓器次級(jí)線圈中產(chǎn)生的是反激式電壓輸出,在純電阻負(fù)載中,其輸出電壓一般是一個(gè)按指數(shù)規(guī)律下降的電壓脈沖,因此,其對(duì)應(yīng)的磁通增量就不可能是按線性規(guī)律變化,而應(yīng)該也是按指數(shù)規(guī)律變化的,不過后一種指數(shù)規(guī)律正好是對(duì)前一種指數(shù)規(guī)律進(jìn)行積分的結(jié)果。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系從(2-13)和(2-14)式中也很容易可以看得出來。
這里順便指出:單激式變壓器開關(guān)電源中,對(duì)變壓器鐵芯產(chǎn)生磁化作用的只有流過變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流,因此,勵(lì)磁電流也稱磁化電流;而對(duì)變壓器鐵芯產(chǎn)生退磁作用的是變壓器初、次級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢,以及由反電動(dòng)勢產(chǎn)生的電流,即:反激輸出電壓和電流;而正激輸出電壓和電流對(duì)變壓器鐵芯的磁化和退磁不起作用。
因?yàn)椋瑒?lì)磁電流雖然會(huì)產(chǎn)生正激電壓,但不能提供正激電流輸出,這相當(dāng)于變壓器次級(jí)線圈處于開路時(shí)的情況一樣;當(dāng)變壓器次級(jí)線圈有正激電流輸出時(shí),在變壓器初級(jí)線圈中也相應(yīng)要增加一個(gè)電流,這個(gè)電流是在原勵(lì)磁電流的基礎(chǔ)上相應(yīng)增加的;這個(gè)新增電流產(chǎn)生的磁通與正激輸出電流產(chǎn)生的磁通,在數(shù)值上完全相等,但方向相反,兩者互相抵消,即它們對(duì)磁化和退磁都不起作用。
——關(guān)于正、反激輸出電壓的概念,以及變壓器伏秒容量的概念,請(qǐng)參考第一章《
雙激開關(guān)變壓器與單激開關(guān)變壓器的區(qū)別主要是兩者輸入電壓的參數(shù)不一樣。單激開關(guān)變壓器輸入的電壓是單極性直流脈沖,而雙激開關(guān)變壓器輸入的電壓是雙極性交流脈沖。
為了簡單起見,我們把雙激式變壓器開關(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(矩形波)分別加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí),在開關(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,從而在開關(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,在磁場強(qiáng)度為H的磁化作用下,在開關(guān)變壓器的鐵芯中又會(huì)產(chǎn)生與磁場強(qiáng)度H對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁通。
圖2-6是雙激式開關(guān)變壓器鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線圖,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)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度B比磁場強(qiáng)度H滯后一個(gè)相位或者一段時(shí)間。
如果開關(guān)變壓器的鐵芯在這之前從來沒有被任何磁場磁化過,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,并在變壓器鐵芯中產(chǎn)生磁場H;在磁場強(qiáng)度H的作用下,變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B將會(huì)按圖2-6中的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),磁場強(qiáng)度到達(dá)最大值Hm,對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也被磁化到最大值Bm。磁感應(yīng)強(qiáng)度在增加,表示流過變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場正在對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行充磁。
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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,在變壓器的初、次級(jí)線圈回路中會(huì)有電流流過,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,使變壓器鐵芯退磁,磁場強(qiáng)度H開始由最大值Hm逐步退到0。
由于變壓器鐵芯具有磁矯頑力,當(dāng)磁場強(qiáng)度H開始由最大值Hm逐步下降到0時(shí),變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B卻不會(huì)跟隨磁場強(qiáng)度H下降到零;或者說,流過變壓器初、次級(jí)線圈的感生電流產(chǎn)生的反向磁場,不足以使磁感應(yīng)強(qiáng)度B退回到初始值;因此,磁感應(yīng)強(qiáng)度B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:剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br處。一般,人們都把磁感應(yīng)強(qiáng)度B位于b點(diǎn)的值,稱為“剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度”,簡稱“剩磁”,用Br表示。
當(dāng)輸入交流脈沖電壓由正半周轉(zhuǎn)換成負(fù)半周時(shí),勵(lì)磁電流的方向發(fā)生改變,使變壓器鐵芯繼續(xù)進(jìn)行退磁,磁感應(yīng)強(qiáng)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),磁感應(yīng)強(qiáng)度雖然為零,但對(duì)應(yīng)的磁場強(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),磁感應(yīng)強(qiáng)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)磁感應(yīng)強(qiáng)度沿著磁化曲線c-d增加到達(dá)d點(diǎn)時(shí),對(duì)應(yīng)的磁場強(qiáng)度達(dá)到負(fù)的最大值-Hm,磁感應(yīng)強(qiáng)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,感應(yīng)電流會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生反向磁場,使變壓器鐵芯退磁,磁場強(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,流過變壓器初、次級(jí)線圈的感生電流產(chǎn)生的反向磁場,不足以使磁感應(yīng)強(qiáng)度B退回到初始值;因此,磁感應(yīng)強(qiáng)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)的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)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有重復(fù)第一個(gè)交流脈沖的磁化過程。當(dāng)?shù)诙€(gè)交流脈沖的正半周電壓到來時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度卻是從磁化曲線的e點(diǎn)-Br位置開始的,其對(duì)應(yīng)的磁場強(qiáng)度為0,然后磁感應(yīng)強(qiáng)度沿著磁化曲線e-f上升,經(jīng)過0后再沿著磁化曲線f-a升到最大值Bm,對(duì)應(yīng)的磁場強(qiáng)度為最大值Hm。
其余類推,每輸入一個(gè)正、負(fù)脈沖,磁感應(yīng)強(qiáng)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 。
除了第一個(gè)交流脈沖,磁感應(yīng)強(qiáng)度由0經(jīng)過磁化曲線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,磁感應(yīng)強(qiáng)度都不會(huì)再經(jīng)過磁化曲線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,雖然磁感應(yīng)強(qiáng)度被磁場強(qiáng)度磁化的時(shí)候可以同時(shí)到達(dá)正、負(fù)最大值,但在磁場強(qiáng)度經(jīng)過零的時(shí)候,磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度總是出現(xiàn)一個(gè)相位差。所以,圖2-6中由abcdfa各線段組成的曲線也被稱為磁滯回線,因此,圖2-6也可以稱為雙激式變壓器鐵芯的磁滯回線圖。
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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感應(yīng)強(qiáng)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)為變壓器鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁通對(duì)應(yīng)各個(gè)輸入交流脈沖電壓變化的曲線圖;
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,變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁通就要線性增長和下降一次,磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的范圍是從負(fù)的最大值-Bm到正的最大值Bm,并且增長和下降的速率基本一樣。
從圖
從圖2-7與圖2-3進(jìn)行對(duì)比可以看出,雙激式開關(guān)變壓器鐵芯的磁化過程,不會(huì)出現(xiàn)單激式開關(guān)變壓器鐵芯需要經(jīng)過多個(gè)輸入脈沖后,磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁通增長的幅度與下降的幅度才能達(dá)到穩(wěn)定的情況。相對(duì)來說,雙激式開關(guān)變壓器鐵芯的磁化過程達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間非常短;從輸入第一個(gè)脈沖開始,磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁通增長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感應(yīng)強(qiáng)度B或磁通
——輸入電壓與磁通變化的關(guān)系,請(qǐng)參考上面(2-13)和(2-14)式。
未完待續(xù):下文將接著為大家介紹:雙激式開關(guān)變壓器伏秒容量與初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算;各種波形電源變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算,請(qǐng)耐心等待......
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