開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載四十九）

2-1-1-1.脈沖序列對(duì)單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯的磁化

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們把單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源等效成如圖2-1所示電路，其中我們把直流輸入電壓通過(guò)控制開(kāi)關(guān)通、斷的作用，看成是一序列直流脈沖電壓，即單極性脈沖電壓，直接給開(kāi)關(guān)變壓器供電。這里我們特別把變壓器稱為開(kāi)關(guān)變壓器，以表示圖2-1所示電路與一般電源變壓器電路在工作原理方面還有區(qū)別的。

在一般的電源變壓器電路中，當(dāng)電源變壓器兩端的輸入電壓為0時(shí)，表示輸入端是短路的，因?yàn)殡娫磧?nèi)阻可以看作為0;而在開(kāi)關(guān)變壓器電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)變壓器兩端的輸入電壓為0時(shí)，表示輸入端是開(kāi)路的，因?yàn)殡娫磧?nèi)阻可以看作為無(wú)限大。

在圖2-1中，當(dāng)一組序列號(hào)為1、2、3、…的直流脈沖電壓分別加到開(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)線圈中就會(huì)有勵(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)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)作用下又會(huì)產(chǎn)生磁通密度為B的磁力線通量，簡(jiǎn)稱磁通，用“Φ ”表示。

在變壓器鐵芯中，磁通密度B或磁通Φ 受磁場(chǎng)強(qiáng)度H的作用而發(fā)生變化的過(guò)程，稱為磁化過(guò)程;因此，用來(lái)描述磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間對(duì)應(yīng)變化的關(guān)系曲線，人們都把它稱為磁化曲線。圖2-2是單激式開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯被磁化時(shí)，磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間對(duì)應(yīng)變化的關(guān)系曲線圖。

順便指出，在分析變壓器鐵芯的磁化過(guò)程中，經(jīng)常使用磁通密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度這兩個(gè)名稱，這兩個(gè)名稱在本質(zhì)上沒(méi)區(qū)別，互相可以通用，不同場(chǎng)合使用不同名稱，只是為了使用方便。

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)直流脈沖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，變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B將會(huì)按圖2-2中0-1磁化曲線上升;當(dāng)?shù)谝粋€(gè)直流脈沖電壓將要結(jié)束時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到第一個(gè)最大值Hm1，同時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度將會(huì)被磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化到第一個(gè)最大值Bm1 ;由此產(chǎn)生一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB，ΔB = Bm1- 0 。磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，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)在對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行充磁。

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)，在變壓器鐵芯中會(huì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這磁場(chǎng)完全是由流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的，流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流為：

(2-8)式中， iμ為流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流，E為加到變壓器初級(jí)線圈兩端的電壓，L1為變壓器初級(jí)線圈的電感量，t為時(shí)間， iμ(0)為初始電流，即t = 0時(shí)流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流。

如果脈沖序列的占空系數(shù)(占空比)滿足磁化電流在后一個(gè)脈沖進(jìn)入前下降為零，即開(kāi)關(guān)電源工作于電流臨界連續(xù)或不連續(xù)狀態(tài)。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)直流脈沖結(jié)束以后，由于開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈開(kāi)路，雖然流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流下降到零，但磁場(chǎng)強(qiáng)度H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)線圈回路中都會(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。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)直流脈沖結(jié)束時(shí)，如果開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈不開(kāi)路，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)輸入電壓進(jìn)行反充電;如果開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈是開(kāi)路的，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)初級(jí)線圈中的分布電容進(jìn)行充放電，從而會(huì)在初級(jí)線圈內(nèi)部產(chǎn)生高頻振蕩。

由反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的感應(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)始由第一最大值Hm1逐步下降到0;但變壓器鐵芯中的磁通密度B并不是按充磁時(shí)的0-1磁化曲線原路返回，跟隨磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零，而是按另一條新的磁化曲線1-2返回到2點(diǎn);即：第一個(gè)剩余磁通密度Br1處。因此，人們都習(xí)慣地把磁通密度位于2點(diǎn)的值，稱為剩余磁通密度，或簡(jiǎn)稱“剩磁”。變壓器鐵芯有剩磁說(shuō)明變壓器鐵芯有記憶特性，這是鐵磁材料的基本特性。

——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《1-5-1.單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理》部分的內(nèi)容