開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載五十）

磁場(chǎng)強(qiáng)度H下降到零，但變壓器鐵芯中的磁通密度不能跟隨磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零，而只能下降到某個(gè)磁通密度剩余值，這種現(xiàn)象稱為變壓器鐵芯具有磁矯頑力，簡(jiǎn)稱矯頑力，用Hc表示。變壓器鐵芯具有磁矯頑力，這是鐵磁材料或磁性材料最基本的性質(zhì)。同理，當(dāng)?shù)诙€(gè)直流脈沖加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí)，變壓器鐵芯中的磁通密度B將按圖2-2中新的磁化曲線2-3上升，磁通密度被磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化到第二個(gè)最大值Bm2，使磁通密度產(chǎn)生一個(gè)增量ΔB，ΔB = Bm2-Br1 。

第二個(gè)直流脈沖結(jié)束以后，流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流下降到零，變壓器初、次級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，又會(huì)使磁通密度按另一條新的退磁化曲線3-4返回到第二個(gè)剩余磁通密度Br2處;當(dāng)然，Br2同樣也只是變壓器鐵芯被退磁時(shí)磁通密度變化過(guò)程中的又一個(gè)臨時(shí)剩余值。

其余依次類推，第3、4個(gè)直流脈沖電壓同樣也會(huì)讓磁通密度增加一個(gè)增量ΔB ，即：

ΔB = Bm3-Br2 = Bm4-Br3 = Bm1-0 (2-9)

(2-9)式中，ΔB為磁通密度增量;只要作用于開關(guān)變壓器線圈上的脈沖電壓的幅度U和脈沖寬度τ不變，則變壓器鐵芯片的磁化過(guò)程就會(huì)在磁通密度增量為常數(shù)(∆B = 常數(shù))的條件下進(jìn)行。

但在直流脈沖的幅度和寬度不變的情況下，磁通密度的增量ΔB不改變，并不意味著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增量可以保證不變，這是磁強(qiáng)度度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的一個(gè)重要區(qū)別。

經(jīng)過(guò)n個(gè)直流脈沖電壓之后，變壓器鐵芯中的最大磁通密度Bm和剩余磁通密度Br才能基本穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值之上，即：脈沖序列的作用達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，磁化過(guò)程將沿原始曲線上某一固定局部磁滯回線n點(diǎn)重復(fù);這時(shí)剩余磁通密度為Br n(Br n= Br)，磁通密度變化無(wú)論磁場(chǎng)強(qiáng)度增長(zhǎng)或降低，其ΔB值基本不變。顯然，局部磁滯回線固定于什么位置，對(duì)某種材料來(lái)說(shuō)只取決于∆B值的大小。如果∆B足夠大，則局部磁滯回線的最低點(diǎn)位于最大局部磁滯回線的剩余磁通密度點(diǎn)Br點(diǎn)處。此時(shí)Br對(duì)應(yīng)每個(gè)輸入直流脈沖的起點(diǎn)，Bm對(duì)應(yīng)每個(gè)直流脈沖的終點(diǎn)。

磁通密度達(dá)到最大值Bm后不再繼續(xù)增加是可以理解的，因?yàn)?，磁通密度和磁?chǎng)強(qiáng)度既可以是勢(shì)能也可以是位能，兩者可以互相轉(zhuǎn)換，它們與電容充放電的過(guò)程是很相似的。例如：當(dāng)電源電壓對(duì)電容充電時(shí)，電容兩端的電壓會(huì)上升;當(dāng)電源斷開的時(shí)候，電容就會(huì)對(duì)負(fù)載放電，其兩端電壓就會(huì)下降;當(dāng)電容充電的電荷與放電的電荷完全相等的時(shí)候，電容兩端電壓紋波就會(huì)穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值之上。

用∆H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度增量，它在固定局部磁滯回線上磁通密度增量∆B相對(duì)應(yīng)，即它們之間可用下面關(guān)系式表示：

ΔB = f(∆H) (2-10)

(2-10)式稱為磁場(chǎng)強(qiáng)度增量∆H與磁通密度增量∆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和磁通密度增量∆B的對(duì)應(yīng)關(guān)系還可以用下式表示：

μ△=ΔB/∆H—— 脈沖變壓器 (2-11)

(2-11)式中，μ△ 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(duì)于開關(guān)變壓器我們同樣也可以用平均導(dǎo)磁率μa的概念取而待之。即：

μa=ΔBa/∆Ha—— 開關(guān)變壓器 (2-12)

(2-12)式中， μa為開關(guān)變壓器的平均導(dǎo)磁率; ΔBa為開關(guān)變壓器鐵芯中的平均磁通密度增量; ∆Ha為開關(guān)變壓器鐵芯中的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度增量。

脈沖導(dǎo)磁率μ△ 與平均導(dǎo)磁率μa 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μ△幾乎可以看成是一個(gè)常數(shù);而開關(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(duì)來(lái)說(shuō)變化比較大，鐵芯導(dǎo)磁率的變化范圍也很大，特別是雙激式開關(guān)變壓器，因此，只能用平均導(dǎo)磁率μa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)，磁通密度就會(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，使磁通密度下降，與充電電容器對(duì)負(fù)載放電的情況很類似。

當(dāng)變壓器鐵芯被磁化時(shí)產(chǎn)生的磁通密度增量與變壓器鐵芯被退磁時(shí)產(chǎn)生的磁通密度增量(負(fù)值)完全相等的時(shí)候，變壓器鐵芯中的最大磁通密度Bm和剩余磁通密度Br就會(huì)分別穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值之上。

此時(shí)，我們可稱，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，變壓器鐵芯中的磁通密度都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁通密度增量ΔB，ΔB = Bm-Br ，當(dāng)直流脈沖結(jié)束以后，磁通密度又從最大值Bm回到剩余磁通密度Br的位置。這樣，我們把磁化曲線所對(duì)應(yīng)的Br值稱為剩磁(或剩余磁通密度)，而磁化曲線所對(duì)應(yīng)的Bm值稱為磁通密度的最大值。

不過(guò)，變壓器鐵芯磁化曲線中最大磁通密度Bm以及剩余磁通密度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通密度Bm以及剩余磁通密度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，開關(guān)變壓器鐵芯中的磁通密度才達(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(duì)應(yīng)每個(gè)直流脈沖產(chǎn)生的磁通密度增量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，就可以使磁通密度達(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)生的磁通密度增量ΔB相對(duì)也越小，磁通密度的最大值Bm也越小;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)，變壓器鐵芯中的磁通密度將很容易出現(xiàn)飽和。當(dāng)變壓器鐵芯中的磁通密度出現(xiàn)飽和的時(shí)候，磁通密度B或磁通 將不會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度或勵(lì)磁電流的增加而增加，此時(shí)的最大磁通密度一般稱為飽和磁通密度，用Bs表示，對(duì)應(yīng)的磁通密度增量用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，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通密度的最大值Bm后，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，卻不能使磁通密度由最大值Bm退回到零，而只能退回到剩余磁通密度Br 。

當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H下降到零時(shí)，變壓器鐵芯中的磁通密度不能跟隨返回到零，而只能退回到剩余磁通密度Br 。這種現(xiàn)象稱為變壓器鐵芯具有磁矯頑力，簡(jiǎn)稱矯頑力，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與剩余磁通密度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)，由最大剩余磁通密度Brm下降到0，對(duì)應(yīng)所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度，不過(guò)這里的最大剩余磁通密度Brm是指變壓器鐵芯達(dá)到磁飽和時(shí)所產(chǎn)生的剩余磁通密度Br ，因?yàn)橐话阋饬x的剩余磁通密度Br都是對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)最大磁通密度來(lái)說(shuō)的。

但我們不要理解為，只有變壓器鐵芯達(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)與習(xí)慣上定義的Hc在數(shù)值上不一樣。磁矯頑力與導(dǎo)磁率一樣，也是人們用來(lái)掩蓋住人類至今還沒(méi)有完全揭示的，磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁通密度之間內(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，它與磁通密度一樣，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通密度Bm和剩余磁通密度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，隨著磁通密度的增加，需要磁場(chǎng)強(qiáng)度增加更大，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)和感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁時(shí)，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，總可以在磁通密度和磁場(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通密度Bm和剩余磁通密度Br能夠達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。