開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載五十一）

2-1-1-2.變壓器鐵芯的初始磁化曲線

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Φ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Φ和各個(gè)直流脈沖電壓之間變化的曲線圖。

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，變壓器鐵芯中的磁通密度B或磁通Φ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Φ增長(zhǎng)的幅度大于下降的幅度。

圖2-3 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

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Φ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。

圖2-4 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μ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μ統(tǒng)稱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μ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。

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μm 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。