繼上次的《開(kāi)關(guān)變壓器的工作原理及脈沖對(duì)鐵芯的磁化》......
當(dāng)開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流突然下降到零時(shí),會(huì)在開(kāi)關(guān)變壓器的初、次級(jí)線圈兩端產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),稱(chēng)為反激輸出電壓;由于反激輸出電壓在開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈回路中產(chǎn)生的電流會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生反磁通,反磁通會(huì)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁;但這種退磁方法不能使磁通密度退回到0或初始值,而只能回到磁化曲線上的某個(gè)值,這個(gè) 值稱(chēng)為剩磁(如圖2-2中的等 )。變壓器鐵芯中存在剩磁的原因,是因?yàn)榉醇る妷寒a(chǎn)生的電流產(chǎn)生的反磁通不能完全抵消勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通所產(chǎn)生的結(jié)果。
在直流脈沖的幅度和寬度不變的情況下,即使磁感應(yīng)強(qiáng)度的增量ΔB不改變,但并不意味著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增量ΔH可以保證不變,因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間并不是線性關(guān)系,即導(dǎo)磁率不是一個(gè)常數(shù);因此,磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB的上升速率(充磁)和下降速率(退磁),一般都是不相等的。
當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為線性上升的時(shí)候,一般為正激電壓輸出,其輸出電壓為正(或負(fù))方波;當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為指數(shù)式下降的時(shí)候,一般為反激電壓輸出,其輸出電壓為負(fù)(或正)尖峰脈沖。尖峰脈沖的幅度按指數(shù)方式隨時(shí)間衰減,如圖2-1所示。
由圖圖2-1可以看出,單激式變壓器次級(jí)線圈輸出的電壓波形,即使輸入直流脈沖的占空比為0.5,正激輸出電壓脈沖幅度與反激輸出電壓脈沖幅度也不完全相等,但其半波平均值是相等的。只有當(dāng)輸入脈沖電壓由正變?yōu)?/span>0時(shí),且信號(hào)源的內(nèi)阻很小,或等于0(相當(dāng)于變壓器初級(jí)線圈a、b兩端短路)時(shí),單激式變壓器次級(jí)線圈輸出的電壓波形才近似等于方波(矩形波)。
半波平均值的定義可以理解為數(shù)學(xué)中的幾何平均值,即:先對(duì)某函數(shù)曲線f(t)在t0~t1的區(qū)間進(jìn)行積分,然后把積分結(jié)果除以τ,τ為脈沖寬度(τ = t1-t0)。對(duì)于圖2-1,半波平均值的定義,就是把一個(gè)不規(guī)則的脈沖波形等效成一個(gè)矩形波,等效矩形波的幅度就是半波平均值Upa或負(fù)半波平均值Upa-。關(guān)于半波平均值的定義,請(qǐng)參考第一章《
在圖2-2中,磁化電流就是流過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈電流的統(tǒng)稱(chēng),磁化電流也包括勵(lì)磁電流。
序列脈沖電壓加到開(kāi)關(guān)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)線圈中就有電流流過(guò),通過(guò)電磁感應(yīng)會(huì)在變壓器的鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng),并產(chǎn)生磁力線;同時(shí),在變壓器初級(jí)線圈的兩端要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì),在變壓器次級(jí)線圈的兩端也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用于負(fù)載R的兩端,在負(fù)載中就有電流流過(guò)。因此,在初、次級(jí)電流的共同作用下,在變壓器的鐵芯中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由流過(guò)變壓器初、次級(jí)線圈電流共同產(chǎn)生的合成磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)的大小可用磁力線通量(簡(jiǎn)稱(chēng)磁通量),即磁力線的數(shù)目來(lái)表示。
如果用 1來(lái)表示變壓器初級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通量,用 2來(lái)表示變壓器次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通量,由于變壓器初、次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向總是相反,則當(dāng)序列脈沖電壓加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí),流過(guò)變壓器初、次級(jí)線圈電流在變壓器鐵芯中產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的總磁通量 為:
其中,變壓器初級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通 1還可以分成兩個(gè)部分,一部分用來(lái)抵消變壓器次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通 2,記為 10,另一部分是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通,記為。顯然, 。即:在變壓器鐵芯中產(chǎn)生的磁通量 ,只與流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流有關(guān),而與流過(guò)變壓器次級(jí)線圈中的電流無(wú)關(guān);流過(guò)變壓器次級(jí)線圈中的電流產(chǎn)生的磁通,完全被流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的另一部分電流產(chǎn)生的磁通抵消。
PS:——關(guān)于變壓器初、次級(jí)線圈會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁的概念,請(qǐng)參考第一章《
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磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度是一種勢(shì)能,在能量互相轉(zhuǎn)換或變化的過(guò)程中,勢(shì)能和位能是可以互相轉(zhuǎn)換角色的。我們還可以把磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的磁化過(guò)程,與電動(dòng)勢(shì)對(duì)電容器進(jìn)行充、放電的過(guò)程進(jìn)行對(duì)比來(lái)理解。
當(dāng)電動(dòng)勢(shì)(電源電壓)通過(guò)一個(gè)電阻對(duì)電容器充電時(shí),電容器兩端的電壓會(huì)上升;當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的電壓突然被切斷后,電容器會(huì)通過(guò)負(fù)載電阻進(jìn)行放電,其兩端電壓就會(huì)下降,但電容器兩端電壓在短時(shí)間內(nèi),是無(wú)法下降到被充電前的初始電壓值的。理論上,需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間,電容器兩端的電壓才能下降到其被充電前的初始值;或者必須采用對(duì)電容器進(jìn)行反向充電的方法,才能快速讓電容器兩端電壓回到其原初始值。即:電容器在充、放電的過(guò)程,其兩端電壓不是按同一速率變化。
當(dāng)電容器的充放電回路被切斷之后,電容器兩端電壓將永遠(yuǎn)保持其原來(lái)的狀態(tài);或當(dāng)電容充電的電荷與放電的電荷完全相等的時(shí)候,電容器兩端電壓紋波就會(huì)穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值之上。電容器在充放電過(guò)程中呈現(xiàn)出來(lái)的這些特點(diǎn),與磁場(chǎng)對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯進(jìn)行磁化和消磁的過(guò)程中所呈現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn),非常相似,幾乎可以一一對(duì)應(yīng)。
用?H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度增量,它在固定局部磁滯回線上磁感應(yīng)強(qiáng)度增量?B相對(duì)應(yīng),即它們之間可用下面關(guān)系式表示:
(2-10)式稱(chēng)為磁場(chǎng)強(qiáng)度增量?H與磁感應(yīng)強(qiáng)度增量?B的脈沖靜態(tài)特性關(guān)系。在直流狀態(tài)條件下,(2-10)式不成立。
磁場(chǎng)強(qiáng)度增量?H和磁感應(yīng)強(qiáng)度增量?B的對(duì)應(yīng)關(guān)系還可以用下式表示:
(2-11)式中,稱(chēng)為脈沖靜態(tài)磁化系數(shù),或脈沖變壓器的脈沖導(dǎo)磁率。由于脈沖導(dǎo)磁率的使用范圍比較小,對(duì)于開(kāi)關(guān)變壓器我們同樣也可以用平均導(dǎo)磁率的概念取而待之。即:
(2-12)式中, 為開(kāi)關(guān)變壓器的平均導(dǎo)磁率;為開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯中的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度增量;為開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯中的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度增量。
脈沖導(dǎo)磁率 與平均導(dǎo)磁率的區(qū)別在于:一般脈沖變壓器輸入脈沖電壓的幅度以及寬度基本上都是固定的,并且是單極性脈沖,其磁滯回線的面積相對(duì)來(lái)說(shuō)很小,因此,鐵芯的脈沖導(dǎo)磁率 幾乎可以看成是一個(gè)常數(shù);而當(dāng)開(kāi)關(guān)變壓器輸入脈沖電壓的幅度以及寬度都不是固定的,其磁滯回線的面積相對(duì)來(lái)說(shuō)變化比較大,鐵芯導(dǎo)磁率的變化范圍也很大,特別是雙激式開(kāi)關(guān)變壓器,因此,只能用平均導(dǎo)磁率 的概念來(lái)描述。
勵(lì)磁電流或磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行磁化時(shí)也具有類(lèi)似電容器充、放電的特點(diǎn):當(dāng)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行磁化時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度就會(huì)增加,相當(dāng)于對(duì)電容器充電;當(dāng)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流為零時(shí),變壓器初、次級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),其感應(yīng)產(chǎn)生的電流就會(huì)產(chǎn)生反向磁場(chǎng)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁,使磁感應(yīng)強(qiáng)度下降,與充電電容器對(duì)負(fù)載放電的情況很類(lèi)似。
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當(dāng)變壓器鐵芯被磁化時(shí)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量與變壓器鐵芯被退磁時(shí)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量(負(fù)值)完全相等的時(shí)候,變壓器鐵芯中的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br就會(huì)分別穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值之上,與電容器充放電時(shí)的紋波電壓相對(duì)應(yīng)。
此時(shí),我們可稱(chēng),變壓器鐵芯磁化過(guò)程已經(jīng)進(jìn)入了基本穩(wěn)定狀態(tài),即:每輸入一個(gè)直流脈沖電壓,變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB,, 當(dāng)直流脈沖結(jié)束以后,磁感應(yīng)強(qiáng)度又從最大值Bm回到剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br的位置。這樣,我們把磁化曲線所對(duì)應(yīng)的Br值稱(chēng)為剩磁(或剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度),而磁化曲線所對(duì)應(yīng)的Bm值稱(chēng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值。
不過(guò),變壓器鐵芯磁化曲線中最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm以及剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br的值不是一成不變的,它們會(huì)隨著輸入脈沖電壓的幅度以及脈沖寬度的改變而改變;只有在輸入脈沖電壓的幅度以及脈沖寬度基本保持不變的情況下,變壓器鐵芯磁化曲線中的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm以及剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br的值才會(huì)基本保持不變。
至于要經(jīng)過(guò)多少個(gè)直流脈沖電壓之后,開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度才達(dá)到最大值Bm,這個(gè)與直流脈沖電壓的幅度有關(guān),而且與直流脈沖電壓的脈沖寬度還有關(guān),即與開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量大小有關(guān)。開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量越大,對(duì)應(yīng)每個(gè)直流脈沖產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB數(shù)值就越小,因此,需要直流脈沖的個(gè)數(shù)就越多;反之,變壓器的伏秒容量越小,需要直流脈沖的個(gè)數(shù)也越少。當(dāng)變壓器的伏秒容量很小時(shí),可能只需要一個(gè)直流脈沖,就可以使磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大值Bm ,甚至?xí)棺儔浩麒F芯出現(xiàn)磁飽和。
變壓器的伏秒容量對(duì)磁化曲線的影響非常大,變壓器的伏秒容量越大,對(duì)應(yīng)每個(gè)直流脈沖電壓產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB相對(duì)也越小,磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm也越??;同樣一種變壓器鐵芯材料,選取不同的變壓器的伏秒容量,對(duì)應(yīng)的Bm值和Br值也是不一樣的。因此,變壓器的伏秒容量對(duì)于變壓器設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的參數(shù)。
如果變壓器的伏秒容量取得比較小,而加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端的直流脈沖電壓幅度又比較高,且脈沖寬度也比較寬,則流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流將很大;此時(shí),變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度將很容易出現(xiàn)飽和。當(dāng)變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)飽和的時(shí)候,磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁通 將不會(huì)再隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度或勵(lì)磁電流的增加而增加,此時(shí)的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度一般稱(chēng)為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,用Bs表示,對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量用ΔBs表示。
這里還需補(bǔ)充說(shuō)明:變壓器鐵芯充磁和退磁的過(guò)程雖然與電容器充放電的過(guò)程很相似,但還是有很大區(qū)別的。電容器充滿電后,如果電源斷開(kāi),不再對(duì)電容器繼續(xù)充電,則電容器會(huì)對(duì)負(fù)載放電,并且放電過(guò)程將會(huì)一直進(jìn)行下去,直到電容器存儲(chǔ)的電荷全部釋放光為止;而變壓器鐵芯被磁化到磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm后,如果勵(lì)磁電流突然等于0,此時(shí),變壓器初、次級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì),以及其感應(yīng)電流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁,卻不能使磁感應(yīng)強(qiáng)度由最大值Bm退回到零,而只能退回到剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 。這是因?yàn)?,?lì)磁電流與消磁電流不是按同一速率變化所致,即,磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB的上升速率(充磁)和下降速率(退磁),一般都是不相等。
當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H下降到零時(shí),變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度不能跟隨返回到零,而只能退回到剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br ,這種現(xiàn)象稱(chēng)為變壓器鐵芯具有磁矯頑力,簡(jiǎn)稱(chēng)矯頑力,用Hc表示;這同時(shí)也說(shuō)明變壓器鐵芯鐵芯的磁化過(guò)程是不可逆的。變壓器鐵芯存在磁矯頑力這是鐵磁材料或磁性材料最基本的性質(zhì);不同性質(zhì)的磁性材料,其具有的磁矯頑力大小也不同;一般變壓器鐵芯都選用磁矯頑力較小的鐵磁物質(zhì)為制造材料。
變壓器鐵芯的磁矯頑力Hc與剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br的概念是不一樣的,從磁矯頑力的定義來(lái)說(shuō),磁矯頑力Hc就是變壓器鐵芯退磁時(shí),由最大剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br m下降到0,對(duì)應(yīng)所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度,這里的最大剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Brm是指變壓器鐵芯達(dá)到磁飽和時(shí)的Bs ,所對(duì)應(yīng)的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Brs ,而一般意義的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br都是對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm來(lái)說(shuō)的。
但我們不要把磁矯頑力理解為,只有在變壓器鐵芯達(dá)到磁飽和后,才會(huì)有磁矯頑力;在變壓器鐵芯被磁化的過(guò)程中,磁矯頑力從始至終都是存在的,只不過(guò)我們這里提及的磁矯頑力與習(xí)慣上定義的Hc在數(shù)值上不完全一樣罷了。磁矯頑力與導(dǎo)磁率一樣,也是人們用來(lái)掩蓋住人類(lèi)至今還沒(méi)有完全揭示的,磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度之間內(nèi)在關(guān)系的概念。
因此,嚴(yán)格來(lái)說(shuō),磁矯頑力也是隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度H大小改變的,它與磁感應(yīng)強(qiáng)度一樣,會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增大,而趨于飽和。這就是為什么,變壓器鐵芯中的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br最終能夠分別穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值之上的主要原因。
由圖2-2我們可以看出,隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加,需要磁場(chǎng)強(qiáng)度增加也更大,因?yàn)殍F芯的導(dǎo)磁率會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大反而變小,而鐵芯的磁矯頑力也不會(huì)因磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大,它總會(huì)有一個(gè)極限值;當(dāng)變壓器線圈中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),從而使變壓器線圈回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí),感應(yīng)電流就會(huì)產(chǎn)生反向磁場(chǎng)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁,鐵芯的導(dǎo)磁率和磁矯頑力的增量反而會(huì)向增大的方向變化,因此,對(duì)于每輸入一個(gè)脈沖電壓,總可以在磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度以及磁矯頑力三者之間找到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn),使變壓器鐵芯中的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br能夠達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。
這一點(diǎn)很重要,我們后面在進(jìn)行變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),就不準(zhǔn)備采用電感量這個(gè)概念來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),而是采用伏秒容量這個(gè)新概念來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì),因?yàn)?,變壓器線圈的電感量與變壓器磁芯的導(dǎo)磁率有關(guān),而變壓器磁芯的導(dǎo)磁率并不是一個(gè)常量,它在變壓器磁芯的磁化過(guò)程中一直在變化,并且變化量還非常大(參看圖2-4)。例如,CRT電視機(jī)行掃描電路中的行線性補(bǔ)償電感,它的電感量,在一個(gè)正程掃描過(guò)程中變化好幾倍。這說(shuō)明,采用電感量這個(gè)參數(shù)來(lái)計(jì)算開(kāi)關(guān)變壓器的線圈匝數(shù)以及其它參數(shù),是不可靠的。
除了上面提到的率脈沖導(dǎo)磁率和平均導(dǎo)磁率之外,我們還經(jīng)常會(huì)遇到諸如:動(dòng)態(tài)導(dǎo)磁率、靜態(tài)導(dǎo)磁率、彈性導(dǎo)磁率、損耗導(dǎo)磁率、初始導(dǎo)磁率、最大導(dǎo)磁率、相對(duì)導(dǎo)磁率、有效導(dǎo)磁率等概念,這些導(dǎo)磁率概念都是因?yàn)榇判静牧系?/span>B-H磁化曲線的非線性、以及B-H磁化曲線來(lái)回磁化的不一致而定義的,這些導(dǎo)磁率的概念,后面在合適的地方將陸續(xù)說(shuō)明。盡管如此,要想用不同導(dǎo)磁率的概念來(lái)精確給出磁芯材料B-H磁化曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式,也是不可能的。因此,當(dāng)我們使用這些導(dǎo)磁率時(shí),要根據(jù)變壓器磁芯材料的B-H曲線的實(shí)際情況來(lái)選擇不同的導(dǎo)磁率概念。但在一般情況下,我們還是把這些不同概念的導(dǎo)磁率都統(tǒng)稱(chēng)為導(dǎo)磁率(或通用導(dǎo)磁率),用來(lái)表示。
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下面我們繼續(xù)對(duì)變壓器鐵芯的磁化過(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感應(yīng)強(qiáng)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)為變壓器鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)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
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,變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁通 就要線性增長(zhǎng)一次和下降一次(對(duì)于純電阻負(fù)載,磁感應(yīng)強(qiáng)度下降不是線性的,而是按指數(shù)規(guī)律變化的,圖中沒(méi)有畫(huà)出)。在開(kāi)始輸入直流脈沖電壓的時(shí)候,磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁通 增長(zhǎng)的幅度大于下降的幅度。
這是因?yàn)?,剛開(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)有使磁感應(yīng)強(qiáng)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,磁感應(yīng)強(qiáng)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
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)始磁化的時(shí)候,磁矯頑力比較小,而后,磁矯頑力逐漸增大,以及動(dòng)態(tài)導(dǎo)磁率不一樣的緣故。
圖2-4是變壓器鐵芯導(dǎo)磁率和磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的曲線圖。圖中,曲線B為磁感應(yīng)強(qiáng)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,而磁感應(yīng)強(qiáng)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(chēng)為變壓器鐵芯的磁化曲線。
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(chēng)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所示的磁感應(yīng)強(qiáng)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(chēng)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),磁感應(yīng)強(qiáng)度B將會(huì)出現(xiàn)飽和;此時(shí),不但磁感應(yīng)強(qiáng)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。因此,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,以增加磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB的變化范圍,使變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度B不容易飽和。
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,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 m也會(huì)從5000以上下降到只有幾十至幾百之間。
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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。
上面曾提到過(guò)動(dòng)態(tài)導(dǎo)磁率,在實(shí)際應(yīng)用中動(dòng)態(tài)導(dǎo)磁率的概念用得很少,不過(guò)這里還是簡(jiǎn)單的介紹一下動(dòng)態(tài)導(dǎo)磁率的概念。
我們知道,變壓器鐵芯在反復(fù)磁化時(shí),鐵芯材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是落后于磁場(chǎng)的變化,這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁滯現(xiàn)象。假設(shè)動(dòng)態(tài)磁化時(shí)的磁場(chǎng)是按照正弦變化的,由于鐵芯材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是落后于磁場(chǎng)的變化,即磁感應(yīng)強(qiáng)度總是比磁場(chǎng)的變化落后一個(gè)相位,如果用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表示材料的導(dǎo)磁率,此導(dǎo)磁率就可以用一個(gè)復(fù)數(shù)來(lái)表示。
因此,這個(gè)導(dǎo)磁率可分成兩個(gè)部分:一是和磁場(chǎng)方向(或者說(shuō)相位)相同的部分,可把它看成是復(fù)數(shù)導(dǎo)磁率的實(shí)部,稱(chēng)為彈性導(dǎo)磁率,它代表材料磁化時(shí)所能夠儲(chǔ)存的能量;二是和磁場(chǎng)相位成90度的部分,可把它看成是復(fù)數(shù)導(dǎo)磁率的虛部,稱(chēng)為損耗導(dǎo)磁率,它代表磁性材料在動(dòng)態(tài)磁化時(shí)所消耗的能量(磁滯損耗)。
彈性導(dǎo)磁率在實(shí)際應(yīng)用中也用得很少,這里的彈性是表示導(dǎo)磁率的數(shù)值在應(yīng)力(磁場(chǎng)強(qiáng)度)的作用下,來(lái)回變化的意思。在變壓器鐵芯初始磁化的時(shí)候,相對(duì)來(lái)說(shuō),彈性導(dǎo)磁率比較大,損耗導(dǎo)磁率比較??;而到了磁化過(guò)程趨于平穩(wěn)的時(shí)候,相對(duì)來(lái)說(shuō),彈性導(dǎo)磁率比較小,損耗導(dǎo)磁率比較大。所以,在磁通增量相等的條件下,變壓器鐵芯初始磁化的時(shí)候,磁化電流比較小,而到了磁化過(guò)程趨于平穩(wěn)的時(shí)候,磁化電流會(huì)增大。
圖2-4是變壓器鐵芯的靜態(tài)磁化曲線圖,因此,曲線 所表示的也是靜態(tài)導(dǎo)磁率曲線。靜態(tài)導(dǎo)磁率表示,初始磁化曲線上每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之比。在實(shí)際應(yīng)用中,變壓器鐵芯的磁化曲線應(yīng)該是動(dòng)態(tài)磁化曲線,動(dòng)態(tài)磁化曲線也稱(chēng)磁滯回線(后面詳細(xì)介紹),動(dòng)態(tài)導(dǎo)磁率不但與靜態(tài)導(dǎo)磁率相關(guān),而且還與磁滯回線的面積大小相關(guān)。
在后面章節(jié)中,我們還要提到初始導(dǎo)磁率 i、最大導(dǎo)磁率 m、相對(duì)導(dǎo)磁率 r、有效導(dǎo)磁率 e 等概念。在具體應(yīng)用中,當(dāng)我們需要對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器(或?yàn)V波器)的電氣參數(shù)(如電感量)進(jìn)行計(jì)算時(shí),光知道開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的初始磁化曲線是不夠的,我們還需要知道變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率才能對(duì)變壓器的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由于鐵磁材料B-H曲線的非線性,因此,我們必須根據(jù)實(shí)際需要,選擇不同的導(dǎo)磁率來(lái)對(duì)鐵磁材料的各種參數(shù)進(jìn)行分析或計(jì)算。
未完待續(xù):下文將接著為大家介紹:開(kāi)關(guān)邊有親戚設(shè)計(jì)的其他內(nèi)容以及“脈沖序列對(duì)雙激式開(kāi)關(guān)變壓器鐵心的磁化”、“雙激式開(kāi)關(guān)變壓器伏秒容量與初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算,請(qǐng)耐心等待......
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