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開關(guān)變壓器鐵芯導(dǎo)磁率及初始化曲線介紹
——陶顯芳老師談開關(guān)變壓器的工作原理與設(shè)計

發(fā)布時間:2014-01-16 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】開關(guān)變壓器再設(shè)計時,開關(guān)變壓器鐵芯的相關(guān)設(shè)計也有不小的影響,它的好壞直接影響開關(guān)變壓器的設(shè)計效果,進而影響開關(guān)電源的設(shè)計。上次本站為大家講解的是《開關(guān)變壓器的工作原理及脈沖對鐵芯的磁化》,本次為大家?guī)淼氖情_關(guān)變壓器鐵芯導(dǎo)磁率、開關(guān)變壓器鐵芯的初始化曲線等內(nèi)容,歡迎大家來參觀學(xué)習(xí)!

繼上次的《開關(guān)變壓器的工作原理及脈沖對鐵芯的磁化》......

2-1-3.脈沖序列對單激式開關(guān)變壓器鐵芯的磁化(下部分

當(dāng)開關(guān)變壓器初級線圈中的勵磁電流突然下降到零時,會在開關(guān)變壓器的初、次級線圈兩端產(chǎn)生反電動勢,稱為反激輸出電壓;由于反激輸出電壓在開關(guān)變壓器初、次級線圈回路中產(chǎn)生的電流會在變壓器鐵芯中產(chǎn)生反磁通,反磁通會對變壓器鐵芯進行退磁;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值,這個  值稱為剩磁(如圖2-2中的 )。變壓器鐵芯中存在剩磁的原因,是因為反激電壓產(chǎn)生的電流產(chǎn)生的反磁通不能完全抵消勵磁電流產(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)強度的增量ΔB不改變,但并不意味著磁場強度的增量ΔH可以保證不變,因為磁感應(yīng)強度與磁場強度之間并不是線性關(guān)系,即導(dǎo)磁率不是一個常數(shù);因此,磁感應(yīng)強度增量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)強度B為線性上升的時候,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)強度B為指數(shù)式下降的時候,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,且信號源的內(nèi)阻很小,或等于0(相當(dāng)于變壓器初級線圈a、b兩端短路)時,單激式變壓器次級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:先對某函數(shù)曲線ft)在t0~t1的區(qū)間進行積分,然后把積分結(jié)果除以τ,τ為脈沖寬度(τ = t1t0)。對于圖2-1,半波平均值的定義,就是把一個不規(guī)則的脈沖波形等效成一個矩形波,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,請參考第一章《1-5-1.單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理》中的(1-70)、(1-71)、(1-72)、(1-73)、(1-74)、(1-75)、(1-76)式。

在圖2-2中,磁化電流就是流過開關(guān)變壓器初級線圈和次級線圈電流的統(tǒng)稱,磁化電流也包括勵磁電流。

序列脈沖電壓加到開關(guān)變壓器初級線圈a、b兩端時,在開關(guān)變壓器的初級線圈中就有電流流過,通過電磁感應(yīng)會在變壓器的鐵芯中產(chǎn)生磁場,并產(chǎn)生磁力線;同時,在變壓器初級線圈的兩端要產(chǎn)生自感電動勢,在變壓器次級線圈的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢;感應(yīng)電動勢作用于負(fù)載R的兩端,在負(fù)載中就有電流流過。因此,在初、次級電流的共同作用下,在變壓器的鐵芯中會產(chǎn)生一個由流過變壓器初、次級線圈電流共同產(chǎn)生的合成磁場,這個磁場的大小可用磁力線通量(簡稱磁通量),即磁力線的數(shù)目來表示。

如果用  1來表示變壓器初級線圈電流產(chǎn)生的磁通量,用  2來表示變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通量,由于變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的磁場方向總是相反,則當(dāng)序列脈沖電壓加到開關(guān)變壓器初級線圈a、b兩端時,流過變壓器初、次級線圈電流在變壓器鐵芯中產(chǎn)生的合成磁場的總磁通量  為:

1

其中,變壓器初級線圈電流產(chǎn)生的磁通  1還可以分成兩個部分,一部分用來抵消變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通  2,記為  10,另一部分是由勵磁電流產(chǎn)生的磁通,記為。顯然, 。即:在變壓器鐵芯中產(chǎn)生的磁通量  ,只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流有關(guān),而與流過變壓器次級線圈中的電流無關(guān);流過變壓器次級線圈中的電流產(chǎn)生的磁通,完全被流過變壓器初級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、次級線圈會同時產(chǎn)生反電動勢對變壓器鐵芯進行退磁的概念,請參考第一章1-5-1.單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理》部分的內(nèi)容。
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2-1-4.開關(guān)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率

磁場強度和磁感應(yīng)強度是一種勢能,在能量互相轉(zhuǎn)換或變化的過程中,勢能和位能是可以互相轉(zhuǎn)換角色的。我們還可以把磁場強度對開關(guān)變壓器鐵芯的磁化過程,與電動勢對電容器進行充、放電的過程進行對比來理解。

當(dāng)電動勢(電源電壓)通過一個電阻對電容器充電時,電容器兩端的電壓會上升;當(dāng)電動勢的電壓突然被切斷后,電容器會通過負(fù)載電阻進行放電,其兩端電壓就會下降,但電容器兩端電壓在短時間內(nèi),是無法下降到被充電前的初始電壓值的。理論上,需要無限長的時間,電容器兩端的電壓才能下降到其被充電前的初始值;或者必須采用對電容器進行反向充電的方法,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保持其原來的狀態(tài);或當(dāng)電容充電的電荷與放電的電荷完全相等的時候,電容器兩端電壓紋波就會穩(wěn)定在某個數(shù)值之上。電容器在充放電過程中呈現(xiàn)出來的這些特點,與磁場對開關(guān)變壓器鐵芯進行磁化和消磁的過程中所呈現(xiàn)出來的特點,非常相似,幾乎可以一一對應(yīng)。

?H表示磁場強度增量,它在固定局部磁滯回線上磁感應(yīng)強度增量?B相對應(yīng),即它們之間可用下面關(guān)系式表示:

       

2-10)式稱為磁場強度增量?H與磁感應(yīng)強度增量?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。

磁場強度增量?H和磁感應(yīng)強度增量?B的對應(yīng)關(guān)系還可以用下式表示:

 

2-11)式中,稱為脈沖靜態(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,對于開關(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,  為開關(guān)變壓器的平均導(dǎo)磁率;為開關(guān)變壓器鐵芯中的平均磁感應(yīng)強度增量;為開關(guān)變壓器鐵芯中的平均磁場強度增量。

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來說很小,因此,鐵芯的脈沖導(dǎo)磁率  幾乎可以看成是一個常數(shù);而當(dāng)開關(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來說變化比較大,鐵芯導(dǎo)磁率的變化范圍也很大,特別是雙激式開關(guān)變壓器,因此,只能用平均導(dǎo)磁率  的概念來描述。

勵磁電流或磁場強度對變壓器鐵芯進行磁化時也具有類似電容器充、放電的特點:當(dāng)變壓器初級線圈中的勵磁電流產(chǎn)生的磁場強度對變壓器鐵芯進行磁化時,磁感應(yīng)強度就會增加,相當(dāng)于對電容器充電;當(dāng)變壓器初級線圈中的勵磁電流為零時,變壓器初、次級線圈會產(chǎn)生反電動勢,其感應(yīng)產(chǎn)生的電流就會產(chǎn)生反向磁場對變壓器鐵芯進行退磁,使磁感應(yīng)強度下降,與充電電容器對負(fù)載放電的情況很類似。
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當(dāng)變壓器鐵芯被磁化時產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度增量與變壓器鐵芯被退磁時產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度增量(負(fù)值)完全相等的時候,變壓器鐵芯中的最大磁感應(yīng)強度Bm和剩余磁感應(yīng)強度Br就會分別穩(wěn)定在某個數(shù)值之上,與電容器充放電時的紋波電壓相對應(yīng)。

此時,我們可稱,變壓器鐵芯磁化過程已經(jīng)進入了基本穩(wěn)定狀態(tài),即:每輸入一個直流脈沖電壓,變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強度都會產(chǎn)生一個磁感應(yīng)強度增量ΔB,, 當(dāng)直流脈沖結(jié)束以后,磁感應(yīng)強度又從最大值Bm回到剩余磁感應(yīng)強度Br的位置。這樣,我們把磁化曲線所對應(yīng)的Br值稱為剩磁(或剩余磁感應(yīng)強度),而磁化曲線所對應(yīng)的Bm值稱為磁感應(yīng)強度的最大值。

不過,變壓器鐵芯磁化曲線中最大磁感應(yīng)強度Bm以及剩余磁感應(yīng)強度Br的值不是一成不變的,它們會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)強度Bm以及剩余磁感應(yīng)強度Br的值才會基本保持不變。

至于要經(jīng)過多少個直流脈沖電壓之后,開關(guān)變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強度才達到最大值Bm,這個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),即與開關(guān)變壓器的伏秒容量大小有關(guān)。開關(guān)變壓器的伏秒容量越大,對應(yīng)每個直流脈沖產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度增量ΔB數(shù)值就越小,因此,需要直流脈沖的個數(shù)就越多;反之,變壓器的伏秒容量越小,需要直流脈沖的個數(shù)也越少。當(dāng)變壓器的伏秒容量很小時,可能只需要一個直流脈沖,就可以使磁感應(yīng)強度達到最大值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磁化曲線的影響非常大,變壓器的伏秒容量越大,對應(yīng)每個直流脈沖電壓產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度增量ΔB相對也越小,磁感應(yīng)強度的最大值Bm也越?。煌瑯右环N變壓器鐵芯材料,選取不同的變壓器的伏秒容量,對應(yīng)的Bm值和Br值也是不一樣的。因此,變壓器的伏秒容量對于變壓器設(shè)計是一個非常重要的參數(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,則流過變壓器初級線圈的勵磁電流將很大;此時,變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強度將很容易出現(xiàn)飽和。當(dāng)變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強度出現(xiàn)飽和的時候,磁感應(yīng)強度B或磁通  將不會再隨著磁場強度或勵磁電流的增加而增加,此時的最大磁感應(yīng)強度一般稱為飽和磁感應(yīng)強度,用Bs表示,對應(yīng)的磁感應(yīng)強度增量用ΔBs表示。

這里還需補充說明:變壓器鐵芯充磁和退磁的過程雖然與電容器充放電的過程很相似,但還是有很大區(qū)別的。電容器充滿電后,如果電源斷開,不再對電容器繼續(xù)充電,則電容器會對負(fù)載放電,并且放電過程將會一直進行下去,直到電容器存儲的電荷全部釋放光為止;而變壓器鐵芯被磁化到磁感應(yīng)強度的最大值Bm后,如果勵磁電流突然等于0,此時,變壓器初、次級線圈產(chǎn)生的反電動勢,以及其感應(yīng)電流產(chǎn)生的反向磁場對變壓器鐵芯進行退磁,卻不能使磁感應(yīng)強度由最大值Bm退回到零,而只能退回到剩余磁感應(yīng)強度Br 。這是因為,勵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)磁場強度H下降到零時,變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強度不能跟隨返回到零,而只能退回到剩余磁感應(yīng)強度Br ,這種現(xiàn)象稱為變壓器鐵芯具有磁矯頑力,簡稱矯頑力,用Hc表示;這同時也說明變壓器鐵芯鐵芯的磁化過程是不可逆的。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)強度Br的概念是不一樣的,從磁矯頑力的定義來說,磁矯頑力Hc就是變壓器鐵芯退磁時,由最大剩余磁感應(yīng)強度Br m下降到0,對應(yīng)所需要的磁場強度,這里的最大剩余磁感應(yīng)強度Brm是指變壓器鐵芯達到磁飽和時的Bs ,所對應(yīng)的剩余磁感應(yīng)強度Brs ,而一般意義的剩余磁感應(yīng)強度Br都是對應(yīng)動態(tài)最大磁感應(yīng)強度Bm來說的。

但我們不要把磁矯頑力理解為,只有在變壓器鐵芯達到磁飽和后,才會有磁矯頑力;在變壓器鐵芯被磁化的過程中,磁矯頑力從始至終都是存在的,只不過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,也是人們用來掩蓋住人類至今還沒有完全揭示的,磁場強度與電磁感應(yīng)強度之間內(nèi)在關(guān)系的概念。

因此,嚴(yán)格來說,磁矯頑力也是隨著磁場強度H大小改變的,它與磁感應(yīng)強度一樣,會隨著磁場強度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)強度Bm和剩余磁感應(yīng)強度Br最終能夠分別穩(wěn)定在某個數(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)強度的增加,需要磁場強度增加也更大,因為鐵芯的導(dǎo)磁率會隨著磁場強度的增大反而變小,而鐵芯的磁矯頑力也不會因磁場強度的增大而增大,它總會有一個極限值;當(dāng)變壓器線圈中產(chǎn)生反電動勢,從而使變壓器線圈回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流時,感應(yīng)電流就會產(chǎn)生反向磁場對變壓器鐵芯進行退磁,鐵芯的導(dǎo)磁率和磁矯頑力的增量反而會向增大的方向變化,因此,對于每輸入一個脈沖電壓,總可以在磁感應(yīng)強度和磁場強度以及磁矯頑力三者之間找到一個動態(tài)平衡點,使變壓器鐵芯中的最大磁感應(yīng)強度Bm和剩余磁感應(yīng)強度Br能夠達到相對穩(wěn)定。

這一點很重要,我們后面在進行變壓器參數(shù)設(shè)計時,就不準(zhǔn)備采用電感量這個概念來對設(shè)計變壓器參數(shù)進行設(shè)計,而是采用伏秒容量這個新概念來對開關(guān)變壓器進行設(shè)計,因為,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)磁率并不是一個常量,它在變壓器磁芯的磁化過程中一直在變化,并且變化量還非常大(參看圖2-4)。例如,CRT電視機行掃描電路中的行線性補償電感,它的電感量,在一個正程掃描過程中變化好幾倍。這說明,采用電感量這個參數(shù)來計算開關(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)常會遇到諸如:動態(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、相對導(dǎo)磁率、有效導(dǎo)磁率等概念,這些導(dǎo)磁率概念都是因為磁芯材料的B-H磁化曲線的非線性、以及B-H磁化曲線來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)說明。盡管如此,要想用不同導(dǎo)磁率的概念來精確給出磁芯材料B-H磁化曲線的數(shù)學(xué)表達式,也是不可能的。因此,當(dāng)我們使用這些導(dǎo)磁率時,要根據(jù)變壓器磁芯材料的B-H曲線的實際情況來選擇不同的導(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)稱為導(dǎo)磁率(或通用導(dǎo)磁率),用來表示。
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2-1-5.變壓器鐵芯的初始磁化曲線

下面我們繼續(xù)對變壓器鐵芯的磁化過程進行詳細(xì)分析。圖2-3是多個直流脈沖電壓連續(xù)加到變壓器初級線圈a、b兩端時,輸入脈沖電壓與變壓器鐵芯中磁感應(yīng)強度B或磁通  對應(yīng)變化的曲線圖。圖2-3-a)為輸入電壓各個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)強度B或磁通  對應(yīng)各個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強度H對應(yīng)磁感應(yīng)強度B或磁通  和各個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,每輸入一個直流脈沖電壓,變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強度B或磁通  就要線性增長一次和下降一次(對于純電阻負(fù)載,磁感應(yīng)強度下降不是線性的,而是按指數(shù)規(guī)律變化的,圖中沒有畫出)。在開始輸入直流脈沖電壓的時候,磁感應(yīng)強度B或磁通  增長的幅度大于下降的幅度。

這是因為,剛開始工作的時候,磁場強度對變壓器鐵芯進行磁化時還沒有使磁感應(yīng)強度或磁矯頑力達到接近飽和的程度;要經(jīng)過若干個過程以后,磁感應(yīng)強度B或磁通增長的幅度與下降的幅度才會一樣大,這說明變壓器鐵芯中的磁矯頑力已經(jīng)基本達到飽和。這個過程與儲能濾波電容剛開始充電時的過程是很相似的。

從圖2-3-c)中還可以看出,在直流脈沖電壓剛輸入的時候,磁場強度變化的幅度開始是比較小的,隨著直流脈沖輸入的個數(shù)不斷增加,其變化的幅度也在不斷增加,但磁感應(yīng)強度增量ΔB卻基本沒有改變;直到磁感應(yīng)強度達到最大值Bm之后,磁場強度變化的幅度才基本趨于穩(wěn)定;這說明勵磁電流的變化幅度開始的時候也是比較小的,隨后勵磁電流變化的幅度也會隨著磁場強度變化的幅度增加而增加。這說明開始的時候,變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率比較大,而后隨著直流脈沖輸入的個數(shù)不斷增加,變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率也在不斷下降。

當(dāng)變壓器鐵芯初次被直流脈沖電壓產(chǎn)生的磁場磁化的時候,磁場強度和勵磁電流的變化幅度都要經(jīng)過一個過渡過程,然后才基本趨于穩(wěn)定,并且磁場強度和勵磁電流變化的幅度是由小到大;這個原因,主要是因為變壓器鐵芯開始磁化的時候,磁矯頑力比較小,而后,磁矯頑力逐漸增大,以及動態(tài)導(dǎo)磁率不一樣的緣故。

2-4是變壓器鐵芯導(dǎo)磁率和磁感應(yīng)強度對應(yīng)磁場強度變化的曲線圖。圖中,曲線B為磁感應(yīng)強度對應(yīng)磁場強度變化的關(guān)系曲線,曲線  為導(dǎo)磁率對應(yīng)磁場強度變化的關(guān)系曲線。由于我們這里把磁場強度作為自變量,而磁感應(yīng)強度和鐵芯導(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。

由于圖2-4所示的磁化曲線,只有在開關(guān)變壓器鐵芯從來沒有被任何磁場磁化過,僅當(dāng)在第一次被磁場極化時才會出現(xiàn);當(dāng)開關(guān)變壓器工作正常之后,這種初始狀態(tài)就會被破壞和不復(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。雖然我們在實際應(yīng)用中,很少碰到如圖2-4所示的磁感應(yīng)強度對應(yīng)磁場強度變化的初始磁化曲線,但在實際應(yīng)用中,人們還是習(xí)慣于用它來對變壓器鐵芯進行磁化過程分析或?qū)ψ儔浩鞯膮?shù)進行計算,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)磁場強度H繼續(xù)增大時,磁感應(yīng)強度B將會出現(xiàn)飽和;此時,不但磁感應(yīng)強度增量ΔB會下降到0,導(dǎo)磁率的值也會下降到接近0。因此,在設(shè)計單激式開關(guān)變壓器的時候,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)強度增量ΔB的變化范圍,使變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強度B不容易飽和。

由于空氣的導(dǎo)磁率與鐵芯的導(dǎo)磁率相差成千上萬倍,只要在磁回路中留百分之一或幾百分之一的氣隙長度,其磁阻或者磁動勢將會大部分降在氣隙上,因此,磁心也就很難飽和。例如,當(dāng)氣隙長度達到總磁路長度的百分之一時,變壓器鐵芯的BrBm之比,將小于百分之十;同時變壓器鐵芯的最大導(dǎo)磁率  m也會從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)磁率受磁場強度影響的原理來工作的。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對輸出電壓進行穩(wěn)定控制。

上面曾提到過動態(tài)導(dǎo)磁率,在實際應(yīng)用中動態(tài)導(dǎo)磁率的概念用得很少,不過這里還是簡單的介紹一下動態(tài)導(dǎo)磁率的概念。

我們知道,變壓器鐵芯在反復(fù)磁化時,鐵芯材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強度總是落后于磁場的變化,這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。假設(shè)動態(tài)磁化時的磁場是按照正弦變化的,由于鐵芯材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強度總是落后于磁場的變化,即磁感應(yīng)強度總是比磁場的變化落后一個相位,如果用數(shù)學(xué)表達式來表示材料的導(dǎo)磁率,此導(dǎo)磁率就可以用一個復(fù)數(shù)來表示。

因此,這個導(dǎo)磁率可分成兩個部分:一是和磁場方向(或者說相位)相同的部分,可把它看成是復(fù)數(shù)導(dǎo)磁率的實部,稱為彈性導(dǎo)磁率,它代表材料磁化時所能夠儲存的能量;二是和磁場相位成90度的部分,可把它看成是復(fù)數(shù)導(dǎo)磁率的虛部,稱為損耗導(dǎo)磁率,它代表磁性材料在動態(tài)磁化時所消耗的能量(磁滯損耗)。

彈性導(dǎo)磁率在實際應(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(磁場強度)的作用下,來回變化的意思。在變壓器鐵芯初始磁化的時候,相對來說,彈性導(dǎo)磁率比較大,損耗導(dǎo)磁率比較小;而到了磁化過程趨于平穩(wěn)的時候,相對來說,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候,磁化電流比較小,而到了磁化過程趨于平穩(wěn)的時候,磁化電流會增大。

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所對應(yīng)的磁感應(yīng)強度B與磁場強度H之比。在實際應(yīng)用中,變壓器鐵芯的磁化曲線應(yīng)該是動態(tài)磁化曲線,動態(tài)磁化曲線也稱磁滯回線(后面詳細(xì)介紹),動態(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、相對導(dǎo)磁率  r、有效導(dǎo)磁率 等概念。在具體應(yīng)用中,當(dāng)我們需要對開關(guān)變壓器(或濾波器)的電氣參數(shù)(如電感量)進行計算時,光知道開關(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)磁率才能對變壓器的參數(shù)進行計算。由于鐵磁材料B-H曲線的非線性,因此,我們必須根據(jù)實際需要,選擇不同的導(dǎo)磁率來對鐵磁材料的各種參數(shù)進行分析或計算。

 未完待續(xù):下文將接著為大家介紹:開關(guān)邊有親戚設(shè)計的其他內(nèi)容以及“脈沖序列對雙激式開關(guān)變壓器鐵心的磁化”、“雙激式開關(guān)變壓器伏秒容量與初級線圈匝數(shù)的計算,請耐心等待......

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