開關(guān)電源變壓器的鐵心磁滯回線測量與匝間短路的判斷

現(xiàn)代電子設(shè)備對電源的工作效率和體積以及安全要求越來越高，在開關(guān)電源中決定工作效率和體積以及安全要求的諸多因素，基本上都與開關(guān)變壓器有關(guān)，而與開關(guān)變壓器技術(shù)性能相關(guān)最大的要算是變壓器的鐵芯材料。變壓器的鐵芯材料的磁滯損耗和渦流損耗大小是決定變壓器的鐵芯材料技術(shù)性能好壞的最重要因素。因此，對變壓器的鐵芯材料進(jìn)行磁滯回線測量是必要的。

開關(guān)電源變壓器的鐵心磁滯回線的測量：

變壓器的鐵芯一般都選用鐵磁材料，鐵磁材料除了具有高的磁導(dǎo)率外，另一重要的磁性特點(diǎn)就是鐵磁材料在磁化過程中，磁通密度B與磁場強(qiáng)度H相差一個相位，這個特性稱為磁滯現(xiàn)象。因此，當(dāng)變壓器的鐵芯被交變磁場磁化時，變壓器的鐵芯的磁化曲線也稱磁滯回線。磁滯回線是介質(zhì)內(nèi)部磁場強(qiáng)度H和磁通密度B的關(guān)系曲線，通過測試變壓器鐵芯的磁滯回線，很容易就可以看出變壓器的鐵芯材料的主要電氣性能。

要對鐵磁材料的磁滯回線的參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格測試是比較麻煩的，不過用示波器顯示磁滯回線則比較簡便。圖2-15是用示波器測量變壓器鐵芯磁滯回線的原理圖。在圖2-15中，變壓器T1為信號源，通過K1選擇變壓器T1次級線圈的抽頭就可以改變信號源的電壓輸出;T2為待測變壓器樣品，Dp為示波器;R1、R2、R3、R4為顯示磁場強(qiáng)度H的取樣電阻，取樣電壓u1作為示波器X軸偏轉(zhuǎn)顯示輸入電壓，通過K2可以選擇取樣電壓輸出，從而可以改變示波器X軸偏轉(zhuǎn)顯示的寬度;電阻R和電容C為積分電路，積分電壓u2由電容C兩端輸出，作為示波器Y軸偏轉(zhuǎn)顯示輸入電壓，以顯示磁通密度B。

下面我們來詳細(xì)分析圖2-15的工作原理。根據(jù)安培環(huán)路定律：磁場強(qiáng)度矢量沿任意閉合路徑一周的線積分，等于穿過閉合路徑所包圍面積的電流代數(shù)和。以及磁路的克?；舴蚨桑涸诖艌龌芈分?，任一繞行方向上磁通勢NI(N為線圈匝數(shù)，I為電流強(qiáng)度)的代數(shù)和恒等于磁壓降 Hili( Hi為磁場強(qiáng)度， li為磁路中磁場強(qiáng)度為Hi 的平均長度)的代數(shù)和。設(shè)流過變壓器T2初級線圈的勵磁電流為i1，則可求得樣品變壓器鐵芯中的磁化場強(qiáng)為：

H = N1i1/l (2-32)

式中： l為變壓器樣品鐵芯的平均磁路長度。設(shè)R1的端電壓為u1，則可得：

i1 = u1/R1 (2-33)

H = N1*u1/R1*l (2-34)

(2-34)式表明：在圖2-15中，任一時刻取樣電壓u1均與磁場強(qiáng)度H成正比，因此，電壓u1可以作為示波器X軸輸入電壓，用示波器的水平方向來顯示磁場強(qiáng)度H。

我們再來看怎樣對磁通密度B進(jìn)行顯示。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在交變磁場的作用下，變壓器T2次級線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢e2大小為：

e2 =N2dΦ/dt =N2SdB/dt (2-35)

(2-35)式中，e2為變壓器T2次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，N2為變壓器T2次級線圈的匝數(shù)， Φ為變壓器鐵芯中的磁通，S為變壓器鐵芯的有效導(dǎo)磁截面積。

磁通密度B可以通過對(2-35)式進(jìn)行積分求得：

由(2-35)和(2-36)式可以看出，感應(yīng)電動勢是磁通密度對時間的微分，那么磁通密度就應(yīng)該是感應(yīng)電動勢對時間的積分。因此，對磁通密度B進(jìn)行顯示必須由一個積分電路組成。在圖2-15中，RC電路正好有這種積分特性。

從原理上來說，只有RC積分電路輸出電壓的特性與磁場強(qiáng)度取樣電路輸出電壓的特性(速率)基本一致的時候，磁滯回線的顯示失真才會最小。那么u1電壓的變化特性與u2電壓的變化特性是否基本一致呢?為了簡單和便于分析，這里我們把輸入電壓看成是交流脈沖方波，但對于正弦波電壓還是同樣有效。

如果忽略取樣電阻R1兩端的電壓降u1，則加到變壓器兩端的電壓e1為：

e1 ≈L1di1/dt (2-37)

由此可以求得流過變壓器初級線圈的勵磁電流為：

i1 = = +i1(0) ——輸入電壓為方波 (2-38)

(2-38)式中，e1為加到變壓器T2初級線圈兩端的電壓(這里為方波)，或T1變壓器次級線圈輸出的電壓(方波);L1為變壓器T2初級線圈的電感，i1(0)為時間等于零時變壓器T2初級線圈中的勵磁電流。實(shí)際上，這里的i1(0)要與積分電路中電容器C，在同樣時刻對應(yīng)的充電電壓u2(0)，所對應(yīng)的磁通密度B(0)，互相對應(yīng)才有意義，因?yàn)樗鼈冎g存在相位差。

由(2-38)式可以看出，如果忽略取樣電阻R1兩端的電壓降u1，流過變壓器T2初級線圈的勵磁電流是一個線性電流，即：取樣電阻R1的輸出電壓u1為鋸齒波，正好與示波器X軸的掃描電壓相對應(yīng)。

我們再來分析RC積分電路的輸出電壓。如果忽略電路損耗，則e2負(fù)載回路方程為：

e2 =N2SdB/dt = i2R+u2 (2-39)

(2-39)式中，i2為流過電阻R的電流，或電容器的充電電流，u2為電容C兩端電壓。與分析變壓器初級線圈中的勵磁電流一樣，如果把積分電路的時間常數(shù)取得足夠大，電阻的阻值也取得足夠大，則在一個周期內(nèi)電容兩端的充電電壓u2相對電阻的電壓降是可以忽略的。則(2-39)式可以改寫為：

e2 ≈ i2R (2-40)

在任一時刻，電容C的充電電流為：

i2 = dq/dt=Cdu2/dt (2-41)

(2-41)式中，q為電容器充電積累的電荷。因此，(2-40)又可以表示為：

e2 ≈ i2R =RCdu2/dt (2-42)

把(2-42)結(jié)果代入(2-36)可以求得：

B =R*C*u2/N2*S +B(0) (2-43)

(2-43)式中，B(0)為時間等于零時T2變壓器鐵芯中的磁通密度。同樣，B(0)要與同一時間(即時間等于零時)變壓器T2初級線圈中的勵磁電流i1(0)互相對應(yīng)才有意義。實(shí)際上i1(0)與B(0)的值不可能同時為0，如果i1(0)和B(0)同時為0，示波器所顯示的圖形將是一條斜線(即理想磁化曲線)。

由(2-43)式可以看出，磁通密度B的確是與積分電容C兩端的電壓u2成正比;也就是說，磁滯回線可以用u1和u2分別代表磁場強(qiáng)度H和磁通密度B通過示波器來進(jìn)行顯示。

另外，由(2-40)、(2-42)式可以看出，如果忽略積分電容C兩端的電壓降u2，則對電容C充電的電流基本上可以看成是恒流，即：積分電容C兩端的電壓u2為鋸齒波，正好與磁場強(qiáng)度取樣電路輸出電壓u1的特性(速率)基本一致。如果在分析過程中，取樣電阻R1兩端的電壓降u1和積分電容C兩端的電壓降u2都不能忽略;那么，取樣電阻R1兩端的電壓降u1和積分電容C兩端的電壓u2也可以通過解一元二次微分方程來求得。

實(shí)際上用微分方程求解電感、電容的充放電過程，在第一章的內(nèi)容中已經(jīng)有過很詳細(xì)的分析，這里不準(zhǔn)備再重復(fù)。實(shí)際上，電壓通過電阻對電感進(jìn)行充電的過程，與電流通過電阻對電容充電的過程，是非常相似的，兩者都是按指數(shù)方式上升，只不過前者變化的參量是電流，后者變化的參量是電壓。只要兩者的時間常數(shù)基本一致，它們的變化曲率也將基本一致。因此，用u1和u2分別代表磁場強(qiáng)度H和磁通密度B在示波器上進(jìn)行磁滯回線顯示失真是很小的。電壓通過電阻對電感進(jìn)行充電的時間常數(shù)τ=RL，電流通過電阻對電容進(jìn)行充電的時間常數(shù)τ=RC。

在圖2-15中，開關(guān)K1是用來選擇輸入電壓幅度的，當(dāng)K1選擇“1”的位置時，輸入電壓的幅度比較小，被測試樣品的磁滯回線面積也比較小;當(dāng)K1選擇“4”的位置時，輸入電壓的幅度比較大，被測試樣品的磁滯回線面積也比較大。

圖2-16是測試樣品在輸入不同幅度的電壓時，對應(yīng)不同磁滯回線的顯示圖。圖2-16中，最外一條磁滯回線是對應(yīng)開關(guān)K1選擇“4”的位置時，所顯示的磁滯回線圖形;而最內(nèi)一條磁滯回線是對應(yīng)開關(guān)K1選擇“1”的位置時，所顯示的磁滯回線圖形。開關(guān)K2是用來選擇顯示圖形水平寬度用的，變壓器鐵芯中的磁場強(qiáng)度以及磁通密度的大小，與開關(guān)K2選擇的位置無關(guān)。當(dāng)K2選擇“1”的位置時，顯示圖形的水平寬度最窄;當(dāng)K2選擇“4”的位置時，顯示圖形的水平寬度最寬。另外，圖2-16中的o-a初始磁化曲線，在實(shí)際測量中是很難看得到的，因?yàn)樗荒艹霈F(xiàn)一次，不會重復(fù)出現(xiàn)。

從圖2-16可以看出，當(dāng)變壓器鐵芯中不存在磁化場時，H和B均為零，即圖2-16中B～H曲線的坐標(biāo)原點(diǎn)0。隨著磁場強(qiáng)度H的增加，磁通密度B也隨之增加，但兩者之間不是線性關(guān)系。當(dāng)H增加到一定值時，B不再增加(或增加十分緩慢)，這說明該變壓器鐵芯的磁化已接近飽和狀態(tài)。一般人們都把Hm和Bm分別稱為最大磁場強(qiáng)度和最大磁通密度(對應(yīng)于圖中a點(diǎn));而把Hs和Bs分別稱為飽和磁場強(qiáng)度和磁通密度。

如果再使H逐漸退到零，則與此同時B也逐漸減少。然而H和B對應(yīng)的曲線軌跡并不沿原曲線軌跡a-0返回，而是沿另一曲線下降到Br，這說明當(dāng)H下降為零時，鐵磁物質(zhì)中仍保留一定的磁性，這種現(xiàn)象稱為磁滯，Br稱為剩磁。將磁場反向，再逐漸增加其強(qiáng)度，直到H=-Hc，磁通密度消失，這說明要消除剩磁，必須施加反向磁場Hc。Hc稱為矯頑力。它的大小反映鐵磁材料保持剩磁狀態(tài)的能力。圖2-16表明，當(dāng)磁場按Hm→0→-Hc→-Hm→0→Hc→Hm次序變化時，B所經(jīng)歷的相應(yīng)變化為Bm→Br→0→-Bm→-Br→0→Bm。于是得到一條閉合的B～H曲線，稱為磁滯回線。所以，當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場中時(如變壓器中的鐵芯)，它將沿磁滯回線反復(fù)被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁。在此過程中要消耗額外的能量，并以熱的形式從鐵磁材料中釋放，這種損耗稱為磁滯損耗。前面已經(jīng)證明，磁滯損耗與磁滯回線所圍面積成正比。

不同的磁場強(qiáng)度對應(yīng)的最大磁通密度Bm和剩磁Br，以及磁矯頑力Hc的大小都是不一樣的，因此，不通過測試比較，很難定義某種鐵磁材料各種參數(shù)的好壞。

圖2-15電路還可以用來對變壓器鐵芯或鐵磁材料進(jìn)行退磁。方法是先把開關(guān)K1打到“4”的位置上，讓變壓器鐵芯先充磁，然后，把開關(guān)K1由“4”位置逐個打到“3、2、1、0”的位置，最后磁場強(qiáng)度將為0，剩余磁通密度Br也基本為0。由于輸入電壓是交流電壓，因此退磁起點(diǎn)的相位是隨機(jī)的。圖2-17變壓器鐵芯或鐵磁材料退磁時的路線圖，在圖2-17中是假設(shè)磁通密度和磁場強(qiáng)度都是從最大值(即a點(diǎn))開始的。

順便指出，用于測試磁滯回線的變壓器鐵芯樣品最好是磁環(huán)，因?yàn)?，普通的E型變壓器鐵芯多少會存在氣隙;一般氣隙的磁阻是鐵磁材料磁阻的上萬倍，因此，哪怕氣隙的長度只有總磁路長度的萬分之一，其對測試結(jié)果的影響也是非常大的。

另外，圖2-15所示的測試電路不能用于對單激式變壓器鐵芯的磁化曲線進(jìn)行測試，因?yàn)椋斎腚妷簽殡p極脈沖電壓。如要對單激式變壓器鐵芯的磁化曲線進(jìn)行測試，可在K1的電壓輸出端接一個整流二極管。

對單激式變壓器鐵芯的磁化曲線進(jìn)行測試，在應(yīng)用上是沒有多大意義的，因?yàn)榇呕€的面積相對雙激式變壓器鐵芯的磁化曲線的面積非常小，因此，對單激式變壓器鐵芯的磁化曲線進(jìn)行測試，倒不如用對雙激式變壓器鐵芯的磁化曲線進(jìn)行測試來代替。

開關(guān)電源變壓器匝間短路的判斷：

1、用一市電轉(zhuǎn)12伏開關(guān)電源 在開關(guān)電源變壓器高頻低壓輸出側(cè)焊出兩根引線(就是沒有進(jìn)整流濾波前) 然后把沒有整流濾波的高頻輸出側(cè)串一個12V2W的小燈泡后接入要測試的開關(guān)變壓器次級低壓側(cè) 如果接入后燈泡微微發(fā)紅而不亮但短路測試變壓器任意一繞組后很亮 證明該開關(guān)變壓器是好的，如果接入后根本不需要短路繞組燈泡就很亮證明該開關(guān)變壓器存在匝間短路。

2、將開關(guān)變壓器初級繞組上串一個10來微法的電容 然后將串好電容后的繞組接入數(shù)字萬用表的電容測量端，打電容測量檔位測出電容容量， 再將開關(guān)變壓器輸出端任意一繞組短接 測容量，如果兩次測量萬用表顯示的數(shù)字一樣或區(qū)別不大，可判斷為變壓器短路 ，如兩次測量差別大 變壓器正常。

3、在檢查繞組電阻還是通路的情況下，判斷開關(guān)變壓器的好壞，有四個辦法：

1、代換法，用好的變壓器代換試驗(yàn)。或用懷疑壞的，裝到其它電路上試驗(yàn)，得出判斷;

2、用電壓/電流瞬時法檢測，同時測量兩只變壓器，對比檢測數(shù)據(jù)。在二次繞組用1.5V電池瞬時接入，測量一次繞組的(感應(yīng))短路電流值;對比感應(yīng)電流值嚴(yán)重偏小的，變壓器即是壞的。

3、變換兩種測量方法，如2方法，測量得出感應(yīng)電流值后，再穿繞一匝短路導(dǎo)線，測量一次，兩次測量結(jié)果相近，判斷變壓器已壞。如第二次測量值嚴(yán)重偏小，說明變壓器是好的。

4、用電壓振鈴法測試好壞。需kHz級(記不準(zhǔn)了)信號發(fā)生器一臺和示波器一臺，配合測量，看其衰減波形，若在脈沖平頂期間，振蕩很快衰減，說明變壓器已壞。反之說明是好的。需要測試者有一定的經(jīng)驗(yàn)，對好的波形心中有數(shù)。

四種檢測方法，都是利用變壓器匝間短路后，電磁感應(yīng)能力(電感特性)變差的原理來進(jìn)行的。