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[導讀]磁場強度H下降到零,但變壓器鐵芯中的磁通密度不能跟隨磁場強度下降到零,而只能下降到某個磁通密度剩余值,這種現(xiàn)象稱為變壓器鐵芯具有磁矯頑力,簡稱矯頑力,用Hc表示。變

磁場強度H下降到零,但變壓器鐵芯中的磁通密度不能跟隨磁場強度下降到零,而只能下降到某個磁通密度剩余值,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?shù)诙€直流脈沖加到變壓器初級線圈a、b兩端時,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,磁通密度被磁場強度磁化到第二個最大值Bm2,使磁通密度產(chǎn)生一個增量ΔB,ΔB = Bm2-Br1 。

第二個直流脈沖結束以后,流過變壓器初級線圈中的勵磁電流下降到零,變壓器初、次級線圈產(chǎn)生的反電動勢,又會使磁通密度按另一條新的退磁化曲線3-4返回到第二個剩余磁通密度Br2處;當然,Br2同樣也只是變壓器鐵芯被退磁時磁通密度變化過程中的又一個臨時剩余值。

其余依次類推,第3、4個直流脈沖電壓同樣也會讓磁通密度增加一個增量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程就會在磁通密度增量為常數(shù)(∆B = 常數(shù))的條件下進行。

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,并不意味著磁場強度的增量可以保證不變,這是磁強度度與磁場強度之間的一個重要區(qū)別。

經(jīng)過n個直流脈沖電壓之后,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)定在某個數(shù)值之上,即:脈沖序列的作用達到穩(wěn)定狀態(tài)后,磁化過程將沿原始曲線上某一固定局部磁滯回線n點重復;這時剩余磁通密度為Br n(Br n= Br),磁通密度變化無論磁場強度增長或降低,其ΔB值基本不變。顯然,局部磁滯回線固定于什么位置,對某種材料來說只取決于∆B值的大小。如果∆B足夠大,則局部磁滯回線的最低點位于最大局部磁滯回線的剩余磁通密度點Br點處。此時Br對應每個輸入直流脈沖的起點,Bm對應每個直流脈沖的終點。

磁通密度達到最大值Bm后不再繼續(xù)增加是可以理解的,因為,磁通密度和磁場強度既可以是勢能也可以是位能,兩者可以互相轉換,它們與電容充放電的過程是很相似的。例如:當電源電壓對電容充電時,電容兩端的電壓會上升;當電源斷開的時候,電容就會對負載放電,其兩端電壓就會下降;當電容充電的電荷與放電的電荷完全相等的時候,電容兩端電壓紋波就會穩(wěn)定在某個數(shù)值之上。

用∆H表示磁場強度增量,它在固定局部磁滯回線上磁通密度增量∆B相對應,即它們之間可用下面關系式表示:

ΔB = f(∆H) (2-10)

(2-10)式稱為磁場強度增量∆H與磁通密度增量∆B的脈沖靜態(tài)特性關系。在直流狀態(tài)條件下,(2-10)式不成立。

磁場強度增量∆H和磁通密度增量∆B的對應關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磁率。由于脈沖導磁率的使用范圍比較小,對于開關變壓器我們同樣也可以用平均導磁率μa的概念取而待之。即:

μa=ΔBa/∆Ha—— 開關變壓器 (2-12)

(2-12)式中, μa為開關變壓器的平均導磁率; ΔBa為開關變壓器鐵芯中的平均磁通密度增量; ∆Ha為開關變壓器鐵芯中的平均磁場強度增量。

脈沖導磁率μ△ 與平均導磁率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來說很小,因此,鐵芯的脈沖導磁率μ△幾乎可以看成是一個常數(shù);而開關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,鐵芯導磁率的變化范圍也很大,特別是雙激式開關變壓器,因此,只能用平均導磁率μa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,磁通密度就會增加,相當于對電容器充電;當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,使磁通密度下降,與充電電容器對負載放電的情況很類似。

當變壓器鐵芯被磁化時產(chǎn)生的磁通密度增量與變壓器鐵芯被退磁時產(chǎn)生的磁通密度增量(負值)完全相等的時候,變壓器鐵芯中的最大磁通密度Bm和剩余磁通密度Br就會分別穩(wěn)定在某個數(shù)值之上。

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,變壓器鐵芯中的磁通密度都會產(chǎn)生一個磁通密度增量ΔB,ΔB = Bm-Br ,當直流脈沖結束以后,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應的Br值稱為剩磁(或剩余磁通密度),而磁化曲線所對應的Bm值稱為磁通密度的最大值。

不過,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,開關變壓器鐵芯中的磁通密度才達到最大值Bm,這個與直流脈沖電壓的幅度有關,而且與直流脈沖電壓的脈沖寬度還有關,即與開關變壓器的伏秒容量大小有關。開關變壓器的伏秒容量越大,對應每個直流脈沖產(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,就可以使磁通密度達到最大值Bm ,甚至會使變壓器鐵芯出現(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,對應每個直流脈沖電壓產(chǎn)生的磁通密度增量ΔB相對也越小,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,對應的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,變壓器鐵芯中的磁通密度將很容易出現(xiàn)飽和。當變壓器鐵芯中的磁通密度出現(xiàn)飽和的時候,磁通密度B或磁通 將不會隨著磁場強度或勵磁電流的增加而增加,此時的最大磁通密度一般稱為飽和磁通密度,用Bs表示,對應的磁通密度增量用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通密度的最大值Bm后,變壓器初、次級線圈產(chǎn)生的反電動勢,以及其感應電流產(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 。

當磁場強度H下降到零時,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與剩余磁通密度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,由最大剩余磁通密度Brm下降到0,對應所需要的磁場強度,不過這里的最大剩余磁通密度Brm是指變壓器鐵芯達到磁飽和時所產(chǎn)生的剩余磁通密度Br ,因為一般意義的剩余磁通密度Br都是對應動態(tài)最大磁通密度來說的。

但我們不要理解為,只有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,只不過與習慣上定義的Hc在數(shù)值上不一樣。磁矯頑力與導磁率一樣,也是人們用來掩蓋住人類至今還沒有完全揭示的,磁場強度與電磁通密度之間內(nèi)在關系的概念。

因此,嚴格來說,磁矯頑力也是隨著磁場強度H大小改變的,它與磁通密度一樣,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通密度Bm和剩余磁通密度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,隨著磁通密度的增加,需要磁場強度增加更大,因為鐵芯的導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;當變壓器線圈中產(chǎn)生反電動勢和感應電流,感應電流產(chǎn)生的反向磁場對變壓器鐵芯進行退磁時,鐵芯的導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,總可以在磁通密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通密度Bm和剩余磁通密度Br能夠達到相對穩(wěn)定。

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