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陶顯芳老師談開關(guān)變壓器的工作原理與設(shè)計(jì)之一——開關(guān)變壓器的伏秒容量與測量
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以前我們?cè)跈z查50周工頻變壓器質(zhì)量好壞的時(shí)候，一般都要檢查50周工頻變壓器在最高輸入電壓之下，流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流，或漏電流。但目前很多人在檢查開關(guān)變壓器質(zhì)量好壞的時(shí)候，一般都只檢查開關(guān)變壓器的電感量或漏感大小。現(xiàn)在，我們能不能也象檢查50周工頻變壓器那樣，檢查開關(guān)變壓器的勵(lì)磁電流呢？——很難。因?yàn)殚_關(guān)變壓器一般都是工作于單極性磁化狀態(tài)，測試開關(guān)變壓器的勵(lì)磁電流需要一個(gè)大功率直流脈沖輸出電源，這種大功率直流脈沖輸出電源工作很不安全，操作也不方便。
為此，我們可以采用另一種更簡便的方法，即：電流迭加法，來對(duì)開關(guān)變壓器進(jìn)行伏秒容量進(jìn)行測試。電流迭加法就是在開關(guān)變壓器線圈中迭加一直流電流，讓開關(guān)變壓器鐵芯進(jìn)行磁化，然后，對(duì)開關(guān)變壓器的電感量進(jìn)行測量，從而間接測量開關(guān)變壓器線圈的極限伏秒容量VTmax和最大伏秒容量VTm 。
這里的極限伏秒容量VTmax是指開關(guān)變壓器鐵芯達(dá)到飽和時(shí)對(duì)應(yīng)的VT值；而最大伏秒容量VTm 則表示實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)變壓器的伏秒容量VT不應(yīng)該超出的最大值。
圖7是采用電流迭加法測試開關(guān)變壓器電感量或伏秒容量的工作原理圖。圖7中，M是電感測試儀，LT是隔離電感，I是電流源，Lx為待測開關(guān)變壓器的初級(jí)電感。LT的電感量必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量，如果電流源I是一個(gè)理想的恒流源，那么隔離電感LT可以省去。下面我們來介紹圖7的工作原理。
一般進(jìn)行電感測量的時(shí)候，都是讓電感線圈通過一個(gè)1KHz或10KHz的交流電，然后通過測試流過電感線圈的電流來間接測量電感線圈的阻抗（電感量）。由于流過電感線圈的電流很小，并且是一個(gè)交流，用這種方法測試到的電感量與電感線圈工作時(shí)呈現(xiàn)出來的電感量是有區(qū)別的，并且區(qū)別很大，因?yàn)殚_關(guān)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率不是一個(gè)常數(shù)。
如果讓被測試電感流過一個(gè)可變電流，就可以改變被測試電感磁化曲線的工作點(diǎn)，由此，就可以測試磁化曲線上任何一點(diǎn)的導(dǎo)磁率或者電感量，并且可以根據(jù)電感量的變化，找出磁飽和時(shí)的工作點(diǎn)，根據(jù)磁飽和工作點(diǎn)就可以進(jìn)一步測量或計(jì)算出開關(guān)變壓器的極限伏秒容量VTmax。知道了開關(guān)變壓器的極限伏秒容量VTmax ，就可以根據(jù)使用者的實(shí)際應(yīng)用情況來決定開關(guān)變壓器的最大伏秒容量VTm 。
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下面我們來分析，怎么樣定義迭加電流的大小和對(duì)開關(guān)變壓器伏秒容量VT的測試。
圖8是開關(guān)變壓器鐵芯留有氣隙的電流-電感或電流-磁感應(yīng)強(qiáng)度函數(shù)曲線圖，在圖8中，X軸代表流過開關(guān)變壓器線圈的迭加電流I，Y軸代表開關(guān)變壓器線圈的電感L或開關(guān)變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B；L-I為開關(guān)變壓器線圈電感L對(duì)應(yīng)于迭加電流I的變化曲線，B-I為開關(guān)變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度B對(duì)應(yīng)于迭加電流I的變化曲線（初始磁化曲線）。
當(dāng)?shù)与娏鱅 = 0時(shí)，測得開關(guān)變壓器線圈的電感量為L0，由于開關(guān)變壓器鐵芯初始磁化的時(shí)候，導(dǎo)磁率比較小，所以開關(guān)變壓器線圈的初始電感量L0也比較小；隨著迭加電流I的增加，開關(guān)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率也會(huì)增加，所以開關(guān)變壓器線圈的電感量也隨著迭加電流I的增加而增加，當(dāng)?shù)与娏鱅達(dá)到某個(gè)值（I = Ib）的時(shí)候，開關(guān)變壓器線圈的電感量達(dá)到最大值Lmax；隨后，隨著迭加電流I的增加，開關(guān)變壓器線圈的電感量反而減小，并迅速下降，當(dāng)?shù)与娏鱅 = Is時(shí)，開關(guān)變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度開始出現(xiàn)飽和（B = Bs），開關(guān)變壓器線圈的電感量將減小到差不多等于0。
實(shí)際上，圖8中改變迭加電流I的大小，其作用就相當(dāng)于圖2-b)中的鋸齒電流 ，即：開關(guān)變壓器線圈的電感量是受流過開關(guān)變壓器線圈的直流分量調(diào)制的。如果我們把流過開關(guān)變壓器線圈的最大電流Im與開關(guān)變壓器鐵芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm對(duì)應(yīng)，那么，我們可以用圖8來定義流過開關(guān)變壓器線圈的最大電流Im和開關(guān)變壓器鐵芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm。
由于最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm概念經(jīng)常被使用，為了避免混淆，這里我們另外再定義兩個(gè)新概念：一個(gè)為極限磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax，另一個(gè)為極限電流Imax。
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于此相對(duì)應(yīng)，我們還定義：當(dāng)流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電流I，使開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感L下降到初始電感L0的90%時(shí)，此時(shí)流開關(guān)變壓器線圈的電流，我們稱之為極限電流Imax，對(duì)應(yīng)開關(guān)變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，我們稱之為極限磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax。
任何一個(gè)帶鐵芯的電感線圈都可以用圖7表示的測量方法，來測量電感線圈的初始電感量L0和最大電感量Lm，以及極限電流Imax。通過測量電感量，以及與其對(duì)應(yīng)的極限電流值Imax，就可以計(jì)算出開關(guān)變壓器或儲(chǔ)能電感線圈的極限伏秒容量VTmax。在開關(guān)變壓器的使用過程中，任何時(shí)刻，都不能超出開關(guān)變壓器的極限伏秒容量VTmax。
反過來，我們還可以在特定的情況下，比如：在工作電壓最高、負(fù)載最重的情況下，先定義（或測量）開關(guān)電源的占空比或輸出電壓的脈沖寬度 ，然后計(jì)算出開關(guān)變壓器初級(jí)線圈電流的最大值Im，最后給最大值Im乘以一個(gè)安全系數(shù)K（K=1.43），其結(jié)果就是流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈電流的極限值Imax，即用于測量開關(guān)變壓器初級(jí)線圈電感Lx的迭加電流值。
由此可知，開關(guān)變壓器（反激式）在任何情況下，其初級(jí)線圈的工作電流都不能超過圖8中的Imax，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也不能超過圖8中的Bmax。
上面（8）式是用來計(jì)算開關(guān)變壓器初級(jí)線圈或儲(chǔ)能電感線圈電流的公式，式中 為流開關(guān)變壓器初級(jí)線圈或儲(chǔ)能電感線圈電流的最大值，即：當(dāng)圖1中的開關(guān)K接通后，其持續(xù)時(shí)間等于 時(shí)刻，流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈或儲(chǔ)能電感線圈電流的瞬時(shí)值；E為開關(guān)電源的工作電壓，V為加于開關(guān)變壓器初級(jí)線圈兩端的輸入電壓（直流脈沖電壓），L1為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈電感量。
（9）式是用來計(jì)算開關(guān)變壓器或儲(chǔ)能電感線圈伏秒容量VT的公式，與（8）式和（10）、（11）式對(duì)應(yīng)。
（10）式是用來計(jì)算開關(guān)變壓器或儲(chǔ)能電感線圈的極限伏秒容量VTmax的公式。式中：VTmax開關(guān)變壓器或電感線圈或儲(chǔ)能電感線圈的極限伏秒容量，V為加于開關(guān)變壓器初級(jí)線圈兩端直流脈沖的幅度（單位：伏），Tmax為加于開關(guān)變壓器初級(jí)線圈或儲(chǔ)能電感線圈兩端直流脈沖的極限時(shí)間（寬度，單位：秒）；
Imax就是根據(jù)圖7對(duì)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈或儲(chǔ)能電感線圈電感Lx進(jìn)行測試時(shí)的極限迭加電流，即：當(dāng)?shù)与娏鱅增加，使開關(guān)變壓器初級(jí)線圈或儲(chǔ)能電感線圈的測量電感Lx等于初始電感量 的0.9倍時(shí)，流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈或儲(chǔ)能電感線圈的迭加電流值。也可以把Imax看成是流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈或儲(chǔ)能電感線圈的極限電流值，此電流可以采用圖7和圖8定義的方法來測量； 為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈或儲(chǔ)能電感線圈初始電感 下降到90%時(shí)的值。
這里順便說明， 與Imax，VTm與VTmax在性質(zhì)上基本相同，只是后者用max來表示它是前者的極限值。
