變壓器基本概念與工作原理
開關變壓器一般都是工作于開關狀態;當輸入電壓為直流脈沖電壓時,稱為單極性脈沖輸入,如單激式變壓器開關電源;當輸入電壓為交流脈沖電壓時,稱為雙極性脈沖輸入,如雙激式變壓器開關電源;因此,開關變壓器也可以稱為脈沖變壓器,因為其輸入電壓是一序列脈沖;不過要真正較量起來的時候,開關變壓器與脈沖變壓器在工作原理上還是有區別的,因為開關變壓器還分正、反激輸出,這一點后面還將詳細說明。設開關變壓器鐵芯的截面為S,當幅度為U、寬度為τ的矩形脈沖電壓施加到開關變壓器的初級線圈上時,在開關變壓器的初級線圈中就有勵磁電流流過;同時,在開關變壓器的鐵芯中就會產生磁場,變壓器的鐵芯就會被磁化,在磁場強度為H的磁場作用下又會產生磁通密度為B的磁力線通量,簡稱磁通,用“”表示;磁通密度B或磁通 受磁場強度H的作用而發生變化的過程,稱為磁化過程。所謂的勵磁電流,就是讓變壓器鐵芯充磁和消磁的電流。
根據法拉第電磁感應定理,電感線圈中的磁場或磁通密度發生變化時,將在線圈中產生感應電動勢;線圈中感應電動勢為:
式中,N為開關變壓器的初級線圈的匝數; 為變壓器鐵芯的磁通量;B為變壓器鐵芯的磁感應強度或磁通密度平均值。
這里引進磁通密度平均值的概念,是因為變壓器鐵芯中的磁通并不是均勻分布,磁通密度與鐵芯或鐵芯截面上的磁通實際分布有關。因此,在分析諸如變壓器的某些宏觀特性的時候,有時需要使用平均值的概念,以便處理問題簡單。
從(2-4)式可知,磁通密度的變化以等速變化進行,即:
假定磁通密度的初始值為B(0) = Bo(取t = 0),當t > 0時,磁通密度以線性規律增長,磁通密度以線性規律增長,即:
當t = τ時,即時間達到脈沖的后沿時,磁通密度達到最大值Bm = B(τ)。磁通密度增量(磁通密度初始值和最終值之差)?B = B(τ)-B(0) = Bm-Bo 。當輸入電壓是一序列單極性矩形脈沖時,根據電磁感應定律,在變壓器鐵芯中將產生一個磁通密度增量與之對應,即:
如果能忽略渦流影響,則磁場強度H的平均值取決于導磁體材料的性質。變壓器初級線圈內的磁化電流的增長與H成正比。在特性曲線的直線段內磁場強度H、磁化電流 和磁通密度B都以線性變化。
脈沖電壓作用結束后( t > τ ),變壓器中的磁化電流將按變壓器的輸出電路特性,即電路參數確定的規律下降,變壓器鐵芯內的磁場強度和磁通密度也相減弱,此時變壓器線圈內產生反極性電壓,即反電動勢。變壓器的輸出電路特性實際上就是第一章中已經詳細介紹過的正、反激電壓輸出電路特性。
上面分析雖然都是以單極性脈沖輸入為例,但對雙極性脈沖輸入同樣有效;在方法上,只須把雙極性脈沖輸入看成是兩個單極性脈沖分別輸入即可。
開關電源變壓器分單激式開關電源變壓器和雙激式開關電源變壓器,兩種開關電源變壓器的工作原理和結構并不是完全一樣的。單激式開關電源變壓器的輸入電壓是單極性脈沖,并且還分正反激電壓輸出;而雙激式開關電源變壓器的輸入電壓是雙極性脈沖,一般是雙極性脈沖電壓輸出。
另外,為了防止磁飽和,在單激式開關電源變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙;而雙激式開關電源變壓器的鐵芯磁通密度變化范圍相對來說比較大,一般不容易出現磁飽和現象,因此,一般都不用留氣隙。
單激式開關電源變壓器還分正激式和反激式兩種,對兩種開關電源變壓器的技術參數要求也不一樣;對正激式開關電源變壓器的初級電感量要求比較大,而對反激式開關電源變壓器初級電感量的要求,其大小卻與輸出功率有關。
雙激式開關電源變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大,而單激式開關電源變壓器鐵芯的磁滯損耗卻比較小。這些參數基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線有關。歷史趣聞:
磁感應強度與磁場強度的概念一直以來都比較混亂,這是因為歷史的原因。1900年,國際電學家大會贊同美國電氣工程師協會(AIEE)的提案,決定 CGSM制磁場強度的單位名稱為高斯,這實際上是一場
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