開(kāi)關(guān)變壓器第一講 變壓器基本概念與工作原理
發(fā)布時(shí)間:2009-06-23
本講主要介紹與開(kāi)關(guān)電源變壓器有關(guān)的電磁場(chǎng)參數(shù)、計(jì)算方法、國(guó)際慣用單位。并對(duì)電源輸入端分別輸入單極性脈沖與雙極性脈沖時(shí)變壓器的磁場(chǎng)與產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不同點(diǎn)進(jìn)行分析
現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)電源的工作效率、體積以及安全要求等技術(shù)性能指標(biāo)越來(lái)越高,在開(kāi)關(guān)電源中決定這些技術(shù)性能指標(biāo)的諸多因素中,基本上都與開(kāi)關(guān)變壓器的技術(shù)指標(biāo)有關(guān)。開(kāi)關(guān)電源變壓器是開(kāi)關(guān)電源中的關(guān)鍵器件,因此,在這一節(jié)中我們將非常詳細(xì)地對(duì)與開(kāi)關(guān)電源變壓器相關(guān)的諸多技術(shù)參數(shù)進(jìn)行理論分析。
在分析開(kāi)關(guān)變壓器的工作原理的時(shí)候,必然會(huì)涉及磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及磁通量等概念,為此,這里我們首先簡(jiǎn)單介紹它們的定義和概念。
在自然界中無(wú)處不存在電場(chǎng)和磁場(chǎng),在帶電物體的周?chē)厝粫?huì)存在電場(chǎng),在電場(chǎng)的作用下,周?chē)奈矬w都會(huì)感應(yīng)帶電;同樣在帶磁物體的周?chē)厝粫?huì)存在磁場(chǎng),在磁場(chǎng)的作用下,周?chē)奈矬w也都會(huì)被感應(yīng)產(chǎn)生磁通。
現(xiàn)代磁學(xué)研究表明:一切磁現(xiàn)象都起源于電流。磁性材料或磁感應(yīng)也不例外,鐵磁現(xiàn)象的起源是由于材料內(nèi)部原子核外電子運(yùn)動(dòng)形成的微電流,亦稱(chēng)分子電流,這些微電流的集合效應(yīng)使得材料對(duì)外呈現(xiàn)各種各樣的宏觀磁特性。因?yàn)槊恳粋€(gè)微電流都產(chǎn)生磁效應(yīng),所以把一個(gè)單位微電流稱(chēng)為一個(gè)磁偶極子。因此,磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小與磁偶極子的分布有關(guān)。
在宏觀條件下,磁場(chǎng)強(qiáng)度可以定義為空間某處磁場(chǎng)的大小。我們知道,電場(chǎng)強(qiáng)度的概念是用單位電荷在電場(chǎng)中所產(chǎn)生的作用力來(lái)定義的,而在磁場(chǎng)中就很難找到一個(gè)類(lèi)似于“單位電荷”或“單位磁場(chǎng)”的帶磁物質(zhì)來(lái)定義磁場(chǎng)強(qiáng)度,為此,電場(chǎng)強(qiáng)度的定義只好借用流過(guò)單位長(zhǎng)度導(dǎo)體電流的概念來(lái)定義磁場(chǎng)強(qiáng)度,但這個(gè)概念本應(yīng)該是用來(lái)定義電磁感應(yīng)強(qiáng)度的,因?yàn)殡姶艌?chǎng)是可以互相產(chǎn)生感應(yīng)的。
幸好,電磁感應(yīng)強(qiáng)度不但與流過(guò)單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的電流大小相關(guān),而且還與介質(zhì)的屬性有關(guān)。所以,電磁感應(yīng)強(qiáng)度可以在磁場(chǎng)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上再乘以一個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數(shù)來(lái)表示。這個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數(shù)人們把它稱(chēng)為導(dǎo)磁率。
在電磁場(chǎng)理論中,磁場(chǎng)強(qiáng)度H的定義為:在真空中垂直于磁場(chǎng)方向的通電直導(dǎo)線,受到的磁場(chǎng)的作用力F跟電流I和導(dǎo)線長(zhǎng)度 的乘積I 的比值,稱(chēng)為通電直導(dǎo)線所在處的磁場(chǎng)強(qiáng)度?;颍涸谡婵罩写怪庇诖艌?chǎng)方向的1米長(zhǎng)的導(dǎo)線,通過(guò)1安培的電流,受到磁場(chǎng)的作用力為1牛頓時(shí),通過(guò)導(dǎo)線所在處的磁場(chǎng)強(qiáng)度就是1奧斯特(Oersted)。
電磁感應(yīng)強(qiáng)度一般也稱(chēng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度在數(shù)值上完全相等,因此,磁感應(yīng)強(qiáng)度在真空中的定義與磁場(chǎng)強(qiáng)度在真空中的定義是完全相同的。所不同的是磁場(chǎng)強(qiáng)度H與介質(zhì)的屬性無(wú)關(guān),而磁感應(yīng)強(qiáng)度B卻與介質(zhì)的屬性有關(guān)。
但很多書(shū)上都用上面定義磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法來(lái)定義電磁感應(yīng)強(qiáng)度,這是很不合理的;因?yàn)?,電磁感?yīng)強(qiáng)度與介質(zhì)的屬性有關(guān),那么,比如在固體介質(zhì)中,人們就很難用通電直導(dǎo)線的方法來(lái)測(cè)量通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受的力,既然不能測(cè)量,就不應(yīng)該假設(shè)它所受的力與介質(zhì)的屬性有關(guān)。其實(shí)介質(zhì)的導(dǎo)磁率也不是通過(guò)作用力來(lái)測(cè)量的,而是通過(guò)電磁感應(yīng)的方法來(lái)測(cè)量的。
電磁感應(yīng)強(qiáng)度一般簡(jiǎn)稱(chēng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度。[page]
磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B由下面公式表示:
(2-1)式中磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位為奧斯特(Oe),力F的單位為牛頓(N),電流I的單位為安培(A),導(dǎo)線長(zhǎng)度的單位為米(m)。(2-2)式中,磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位為特斯拉(T), 為導(dǎo)磁率,單位為亨/米(H/m),在真空中的導(dǎo)磁率記為 , = 1。由于特斯拉的單位太大,人們經(jīng)常使用高斯(Gs)作為磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位。1特斯拉等于10000高(1T=104Gs)。
由于磁現(xiàn)象可以形象地用磁力線來(lái)表示,故磁感應(yīng)強(qiáng)度B又可定義為磁力線通量的密度,即:?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)的磁力線通量。磁力線通量密度可簡(jiǎn)稱(chēng)為磁通密度,因此,電磁感應(yīng)強(qiáng)度又可以表示為:
(2-3)式中,磁通密度B的單位為特斯拉(T),磁通量的單位為韋伯(Wb),面積的單位為平方米(m2)。如果磁通密度B用高斯(Gs)為單位,則磁通量的單位為麥克斯韋(Mx),面積的單位為平方厘米(cm2)。其中,1特斯拉等于10000高斯(1T = 104Gs),1韋伯等于10000麥克斯韋(1Wb = 104Mx)。
電磁感應(yīng)強(qiáng)度除了可以稱(chēng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通密度外,很多人還把它稱(chēng)為磁感密度。至此,已經(jīng)說(shuō)明,電磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通密度B、磁感應(yīng)密度B等,在概念上是完全可以通用的。
順便說(shuō)明,在其它書(shū)上有人把磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義為:B = (H+M),其中H和M分別是磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度,而 是真空導(dǎo)磁率。為了簡(jiǎn)單,我們不準(zhǔn)備引入太多的其它概念,如有特別需要,可通過(guò)(2-2)式的定義來(lái)與其它概念進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
這里還需要強(qiáng)調(diào)指出,用來(lái)代表介質(zhì)屬性的導(dǎo)磁率并不是一個(gè)常數(shù),而是一個(gè)非線性函數(shù),它不但與介質(zhì)以及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān),而且與溫度還有關(guān)。因此,導(dǎo)磁率所定義的并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的系數(shù),而是人們正在利用它來(lái)掩蓋住人類(lèi)至今還沒(méi)有完全揭示的,磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的內(nèi)在關(guān)系。不過(guò)為了簡(jiǎn)單,當(dāng)我們對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析的時(shí)候,還是可以把導(dǎo)磁率當(dāng)成一個(gè)常數(shù)來(lái)看待,或者取它的平均值或有效值來(lái)進(jìn)行計(jì)算。[page]
開(kāi)關(guān)變壓器一般都是工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài);當(dāng)輸入電壓為直流脈沖電壓時(shí),稱(chēng)為單極性脈沖輸入,如單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源;當(dāng)輸入電壓為交流脈沖電壓時(shí),稱(chēng)為雙極性脈沖輸入,如雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源;因此,開(kāi)關(guān)變壓器也可以稱(chēng)為脈沖變壓器,因?yàn)槠漭斎腚妷菏且恍蛄忻}沖;不過(guò)要真正較量起來(lái)的時(shí)候,開(kāi)關(guān)變壓器與脈沖變壓器在工作原理上還是有區(qū)別的,因?yàn)殚_(kāi)關(guān)變壓器還分正、反激輸出,這一點(diǎn)后面還將詳細(xì)說(shuō)明。
設(shè)開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的截面為S,當(dāng)幅度為U、寬度為τ的矩形脈沖電壓施加到開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)線圈上時(shí),在開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)線圈中就有勵(lì)磁電流流過(guò);同時(shí),在開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯中就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),變壓器的鐵芯就會(huì)被磁化,在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)作用下又會(huì)產(chǎn)生磁通密度為B的磁力線通量,簡(jiǎn)稱(chēng)磁通,用“”表示;磁通密度B或磁通 受磁場(chǎng)強(qiáng)度H的作用而發(fā)生變化的過(guò)程,稱(chēng)為磁化過(guò)程。所謂的勵(lì)磁電流,就是讓變壓器鐵芯充磁和消磁的電流。
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定理,電感線圈中的磁場(chǎng)或磁通密度發(fā)生變化時(shí),將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:
式中,N為開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)線圈的匝數(shù); 為變壓器鐵芯的磁通量;B為變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁通密度平均值。
這里引進(jìn)磁通密度平均值的概念,是因?yàn)樽儔浩麒F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(shí)際分布有關(guān)。因此,在分析諸如變壓器的某些宏觀特性的時(shí)候,有時(shí)需要使用平均值的概念,以便處理問(wèn)題簡(jiǎn)單。
從(2-4)式可知,磁通密度的變化以等速變化進(jìn)行,即:
假定磁通密度的初始值為B(0) = Bo(取t = 0),當(dāng)t > 0時(shí),磁通密度以線性規(guī)律增長(zhǎng),磁通密度以線性規(guī)律增長(zhǎng),即:
當(dāng)t = τ時(shí),即時(shí)間達(dá)到脈沖的后沿時(shí),磁通密度達(dá)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 。[page]
當(dāng)輸入電壓是一序列單極性矩形脈沖時(shí),根據(jù)電磁感應(yīng)定律,在變壓器鐵芯中將產(chǎn)生一個(gè)磁通密度增量與之對(duì)應(yīng),即:
如果能忽略渦流影響,則磁場(chǎng)強(qiáng)度H的平均值取決于導(dǎo)磁體材料的性質(zhì)。變壓器初級(jí)線圈內(nèi)的磁化電流的增長(zhǎng)與H成正比。在特性曲線的直線段內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)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(jié)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(shù)確定的規(guī)律下降,變壓器鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度也相減弱,此時(shí)變壓器線圈內(nèi)產(chǎn)生反極性電壓,即反電動(dòng)勢(shì)。變壓器的輸出電路特性實(shí)際上就是第一章中已經(jīng)詳細(xì)介紹過(guò)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(duì)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(gè)單極性脈沖分別輸入即可。
開(kāi)關(guān)電源變壓器分單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器和雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器,兩種開(kāi)關(guān)電源變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)并不是完全一樣的。單激式開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙;而雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的鐵芯磁通密度變化范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大,一般不容易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象,因此,一般都不用留氣隙。
單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器還分正激式和反激式兩種,對(duì)兩種開(kāi)關(guān)電源變壓器的技術(shù)參數(shù)要求也不一樣;對(duì)正激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的初級(jí)電感量要求比較大,而對(duì)反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器初級(jí)電感量的要求,其大小卻與輸出功率有關(guān)。
雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大,而單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗卻比較小。這些參數(shù)基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線有關(guān)。
歷史趣聞:
磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的概念一直以來(lái)都比較混亂,這是因?yàn)闅v史的原因。1900年,國(guó)際電學(xué)家大會(huì)贊同美國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)(AIEE)的提案,決定CGSM制磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位名稱(chēng)為高斯,這實(shí)際上是一場(chǎng)誤會(huì)。AIEE原來(lái)的提案是把高斯作為磁通密度B的單位,由于翻譯成法文時(shí)誤譯為磁場(chǎng)強(qiáng)度,造成了混淆。當(dāng)時(shí)的CGSM制和高斯單位制中真空磁導(dǎo)率是無(wú)量綱的純數(shù)1,所以,真空中的B和H沒(méi)有什么區(qū)別,致使一度B和H都用同一個(gè)單位——高斯。
1930年7月,國(guó)際電工委員會(huì)才在廣泛討論的基礎(chǔ)上作出決定:真空磁導(dǎo)率有量綱,B和H性質(zhì)不同,B和D對(duì)應(yīng),H和E對(duì)應(yīng),在CGSM單位制中以高斯作為B的單位,以?shī)W斯特作為H的單位。
直至1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定:將六個(gè)基本單位為基礎(chǔ)的單位制,即米、千克、秒、安培、開(kāi)爾文和坎德拉,命名為國(guó)際單位制,并以SI(法文Le System International el"Unites的縮寫(xiě))表示,磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的概念才基本得到統(tǒng)一。
由于歷史的原因,在電磁單位制中還經(jīng)常使用兩種單位制,一種是SI國(guó)際單位制,另一種CGSM(厘米、克、秒)絕對(duì)單位制;兩個(gè)單位的主要區(qū)別是,在CGSM單位制中真空導(dǎo)磁率,在SI單位制中真空導(dǎo)磁率。因此,只需要在CGSM單位制前面乘以一個(gè)系數(shù) ,即可把CGSM單位制轉(zhuǎn)換成SI單位制,一般可寫(xiě)成 或 ,看到這個(gè)符號(hào)即可知道是采用SI單位制;但這里的 或 一般稱(chēng)為相對(duì)導(dǎo)磁率,是一個(gè)不帶單位的系數(shù),而則要帶單位。
現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)電源的工作效率、體積以及安全要求等技術(shù)性能指標(biāo)越來(lái)越高,在開(kāi)關(guān)電源中決定這些技術(shù)性能指標(biāo)的諸多因素中,基本上都與開(kāi)關(guān)變壓器的技術(shù)指標(biāo)有關(guān)。開(kāi)關(guān)電源變壓器是開(kāi)關(guān)電源中的關(guān)鍵器件,因此,在這一節(jié)中我們將非常詳細(xì)地對(duì)與開(kāi)關(guān)電源變壓器相關(guān)的諸多技術(shù)參數(shù)進(jìn)行理論分析。
在分析開(kāi)關(guān)變壓器的工作原理的時(shí)候,必然會(huì)涉及磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及磁通量等概念,為此,這里我們首先簡(jiǎn)單介紹它們的定義和概念。
在自然界中無(wú)處不存在電場(chǎng)和磁場(chǎng),在帶電物體的周?chē)厝粫?huì)存在電場(chǎng),在電場(chǎng)的作用下,周?chē)奈矬w都會(huì)感應(yīng)帶電;同樣在帶磁物體的周?chē)厝粫?huì)存在磁場(chǎng),在磁場(chǎng)的作用下,周?chē)奈矬w也都會(huì)被感應(yīng)產(chǎn)生磁通。
現(xiàn)代磁學(xué)研究表明:一切磁現(xiàn)象都起源于電流。磁性材料或磁感應(yīng)也不例外,鐵磁現(xiàn)象的起源是由于材料內(nèi)部原子核外電子運(yùn)動(dòng)形成的微電流,亦稱(chēng)分子電流,這些微電流的集合效應(yīng)使得材料對(duì)外呈現(xiàn)各種各樣的宏觀磁特性。因?yàn)槊恳粋€(gè)微電流都產(chǎn)生磁效應(yīng),所以把一個(gè)單位微電流稱(chēng)為一個(gè)磁偶極子。因此,磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小與磁偶極子的分布有關(guān)。
在宏觀條件下,磁場(chǎng)強(qiáng)度可以定義為空間某處磁場(chǎng)的大小。我們知道,電場(chǎng)強(qiáng)度的概念是用單位電荷在電場(chǎng)中所產(chǎn)生的作用力來(lái)定義的,而在磁場(chǎng)中就很難找到一個(gè)類(lèi)似于“單位電荷”或“單位磁場(chǎng)”的帶磁物質(zhì)來(lái)定義磁場(chǎng)強(qiáng)度,為此,電場(chǎng)強(qiáng)度的定義只好借用流過(guò)單位長(zhǎng)度導(dǎo)體電流的概念來(lái)定義磁場(chǎng)強(qiáng)度,但這個(gè)概念本應(yīng)該是用來(lái)定義電磁感應(yīng)強(qiáng)度的,因?yàn)殡姶艌?chǎng)是可以互相產(chǎn)生感應(yīng)的。
幸好,電磁感應(yīng)強(qiáng)度不但與流過(guò)單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的電流大小相關(guān),而且還與介質(zhì)的屬性有關(guān)。所以,電磁感應(yīng)強(qiáng)度可以在磁場(chǎng)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上再乘以一個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數(shù)來(lái)表示。這個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數(shù)人們把它稱(chēng)為導(dǎo)磁率。
在電磁場(chǎng)理論中,磁場(chǎng)強(qiáng)度H的定義為:在真空中垂直于磁場(chǎng)方向的通電直導(dǎo)線,受到的磁場(chǎng)的作用力F跟電流I和導(dǎo)線長(zhǎng)度 的乘積I 的比值,稱(chēng)為通電直導(dǎo)線所在處的磁場(chǎng)強(qiáng)度?;颍涸谡婵罩写怪庇诖艌?chǎng)方向的1米長(zhǎng)的導(dǎo)線,通過(guò)1安培的電流,受到磁場(chǎng)的作用力為1牛頓時(shí),通過(guò)導(dǎo)線所在處的磁場(chǎng)強(qiáng)度就是1奧斯特(Oersted)。
電磁感應(yīng)強(qiáng)度一般也稱(chēng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度在數(shù)值上完全相等,因此,磁感應(yīng)強(qiáng)度在真空中的定義與磁場(chǎng)強(qiáng)度在真空中的定義是完全相同的。所不同的是磁場(chǎng)強(qiáng)度H與介質(zhì)的屬性無(wú)關(guān),而磁感應(yīng)強(qiáng)度B卻與介質(zhì)的屬性有關(guān)。
但很多書(shū)上都用上面定義磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法來(lái)定義電磁感應(yīng)強(qiáng)度,這是很不合理的;因?yàn)?,電磁感?yīng)強(qiáng)度與介質(zhì)的屬性有關(guān),那么,比如在固體介質(zhì)中,人們就很難用通電直導(dǎo)線的方法來(lái)測(cè)量通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受的力,既然不能測(cè)量,就不應(yīng)該假設(shè)它所受的力與介質(zhì)的屬性有關(guān)。其實(shí)介質(zhì)的導(dǎo)磁率也不是通過(guò)作用力來(lái)測(cè)量的,而是通過(guò)電磁感應(yīng)的方法來(lái)測(cè)量的。
電磁感應(yīng)強(qiáng)度一般簡(jiǎn)稱(chēng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度。[page]
磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B由下面公式表示:
(2-1)式中磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位為奧斯特(Oe),力F的單位為牛頓(N),電流I的單位為安培(A),導(dǎo)線長(zhǎng)度的單位為米(m)。(2-2)式中,磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位為特斯拉(T), 為導(dǎo)磁率,單位為亨/米(H/m),在真空中的導(dǎo)磁率記為 , = 1。由于特斯拉的單位太大,人們經(jīng)常使用高斯(Gs)作為磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位。1特斯拉等于10000高(1T=104Gs)。
由于磁現(xiàn)象可以形象地用磁力線來(lái)表示,故磁感應(yīng)強(qiáng)度B又可定義為磁力線通量的密度,即:?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)的磁力線通量。磁力線通量密度可簡(jiǎn)稱(chēng)為磁通密度,因此,電磁感應(yīng)強(qiáng)度又可以表示為:
(2-3)式中,磁通密度B的單位為特斯拉(T),磁通量的單位為韋伯(Wb),面積的單位為平方米(m2)。如果磁通密度B用高斯(Gs)為單位,則磁通量的單位為麥克斯韋(Mx),面積的單位為平方厘米(cm2)。其中,1特斯拉等于10000高斯(1T = 104Gs),1韋伯等于10000麥克斯韋(1Wb = 104Mx)。
電磁感應(yīng)強(qiáng)度除了可以稱(chēng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通密度外,很多人還把它稱(chēng)為磁感密度。至此,已經(jīng)說(shuō)明,電磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通密度B、磁感應(yīng)密度B等,在概念上是完全可以通用的。
順便說(shuō)明,在其它書(shū)上有人把磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義為:B = (H+M),其中H和M分別是磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度,而 是真空導(dǎo)磁率。為了簡(jiǎn)單,我們不準(zhǔn)備引入太多的其它概念,如有特別需要,可通過(guò)(2-2)式的定義來(lái)與其它概念進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
這里還需要強(qiáng)調(diào)指出,用來(lái)代表介質(zhì)屬性的導(dǎo)磁率并不是一個(gè)常數(shù),而是一個(gè)非線性函數(shù),它不但與介質(zhì)以及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān),而且與溫度還有關(guān)。因此,導(dǎo)磁率所定義的并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的系數(shù),而是人們正在利用它來(lái)掩蓋住人類(lèi)至今還沒(méi)有完全揭示的,磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的內(nèi)在關(guān)系。不過(guò)為了簡(jiǎn)單,當(dāng)我們對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析的時(shí)候,還是可以把導(dǎo)磁率當(dāng)成一個(gè)常數(shù)來(lái)看待,或者取它的平均值或有效值來(lái)進(jìn)行計(jì)算。[page]
開(kāi)關(guān)變壓器一般都是工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài);當(dāng)輸入電壓為直流脈沖電壓時(shí),稱(chēng)為單極性脈沖輸入,如單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源;當(dāng)輸入電壓為交流脈沖電壓時(shí),稱(chēng)為雙極性脈沖輸入,如雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源;因此,開(kāi)關(guān)變壓器也可以稱(chēng)為脈沖變壓器,因?yàn)槠漭斎腚妷菏且恍蛄忻}沖;不過(guò)要真正較量起來(lái)的時(shí)候,開(kāi)關(guān)變壓器與脈沖變壓器在工作原理上還是有區(qū)別的,因?yàn)殚_(kāi)關(guān)變壓器還分正、反激輸出,這一點(diǎn)后面還將詳細(xì)說(shuō)明。
設(shè)開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的截面為S,當(dāng)幅度為U、寬度為τ的矩形脈沖電壓施加到開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)線圈上時(shí),在開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)線圈中就有勵(lì)磁電流流過(guò);同時(shí),在開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯中就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),變壓器的鐵芯就會(huì)被磁化,在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)作用下又會(huì)產(chǎn)生磁通密度為B的磁力線通量,簡(jiǎn)稱(chēng)磁通,用“”表示;磁通密度B或磁通 受磁場(chǎng)強(qiáng)度H的作用而發(fā)生變化的過(guò)程,稱(chēng)為磁化過(guò)程。所謂的勵(lì)磁電流,就是讓變壓器鐵芯充磁和消磁的電流。
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定理,電感線圈中的磁場(chǎng)或磁通密度發(fā)生變化時(shí),將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:
式中,N為開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)線圈的匝數(shù); 為變壓器鐵芯的磁通量;B為變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁通密度平均值。
這里引進(jìn)磁通密度平均值的概念,是因?yàn)樽儔浩麒F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(shí)際分布有關(guān)。因此,在分析諸如變壓器的某些宏觀特性的時(shí)候,有時(shí)需要使用平均值的概念,以便處理問(wèn)題簡(jiǎn)單。
從(2-4)式可知,磁通密度的變化以等速變化進(jìn)行,即:
假定磁通密度的初始值為B(0) = Bo(取t = 0),當(dāng)t > 0時(shí),磁通密度以線性規(guī)律增長(zhǎng),磁通密度以線性規(guī)律增長(zhǎng),即:
當(dāng)t = τ時(shí),即時(shí)間達(dá)到脈沖的后沿時(shí),磁通密度達(dá)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 。[page]
當(dāng)輸入電壓是一序列單極性矩形脈沖時(shí),根據(jù)電磁感應(yīng)定律,在變壓器鐵芯中將產(chǎn)生一個(gè)磁通密度增量與之對(duì)應(yīng),即:
如果能忽略渦流影響,則磁場(chǎng)強(qiáng)度H的平均值取決于導(dǎo)磁體材料的性質(zhì)。變壓器初級(jí)線圈內(nèi)的磁化電流的增長(zhǎng)與H成正比。在特性曲線的直線段內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)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(jié)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(shù)確定的規(guī)律下降,變壓器鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度也相減弱,此時(shí)變壓器線圈內(nèi)產(chǎn)生反極性電壓,即反電動(dòng)勢(shì)。變壓器的輸出電路特性實(shí)際上就是第一章中已經(jīng)詳細(xì)介紹過(guò)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(duì)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(gè)單極性脈沖分別輸入即可。
開(kāi)關(guān)電源變壓器分單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器和雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器,兩種開(kāi)關(guān)電源變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)并不是完全一樣的。單激式開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙;而雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的鐵芯磁通密度變化范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大,一般不容易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象,因此,一般都不用留氣隙。
單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器還分正激式和反激式兩種,對(duì)兩種開(kāi)關(guān)電源變壓器的技術(shù)參數(shù)要求也不一樣;對(duì)正激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的初級(jí)電感量要求比較大,而對(duì)反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器初級(jí)電感量的要求,其大小卻與輸出功率有關(guān)。
雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大,而單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗卻比較小。這些參數(shù)基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線有關(guān)。
歷史趣聞:
磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的概念一直以來(lái)都比較混亂,這是因?yàn)闅v史的原因。1900年,國(guó)際電學(xué)家大會(huì)贊同美國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)(AIEE)的提案,決定CGSM制磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位名稱(chēng)為高斯,這實(shí)際上是一場(chǎng)誤會(huì)。AIEE原來(lái)的提案是把高斯作為磁通密度B的單位,由于翻譯成法文時(shí)誤譯為磁場(chǎng)強(qiáng)度,造成了混淆。當(dāng)時(shí)的CGSM制和高斯單位制中真空磁導(dǎo)率是無(wú)量綱的純數(shù)1,所以,真空中的B和H沒(méi)有什么區(qū)別,致使一度B和H都用同一個(gè)單位——高斯。
1930年7月,國(guó)際電工委員會(huì)才在廣泛討論的基礎(chǔ)上作出決定:真空磁導(dǎo)率有量綱,B和H性質(zhì)不同,B和D對(duì)應(yīng),H和E對(duì)應(yīng),在CGSM單位制中以高斯作為B的單位,以?shī)W斯特作為H的單位。
直至1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定:將六個(gè)基本單位為基礎(chǔ)的單位制,即米、千克、秒、安培、開(kāi)爾文和坎德拉,命名為國(guó)際單位制,并以SI(法文Le System International el"Unites的縮寫(xiě))表示,磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的概念才基本得到統(tǒng)一。
由于歷史的原因,在電磁單位制中還經(jīng)常使用兩種單位制,一種是SI國(guó)際單位制,另一種CGSM(厘米、克、秒)絕對(duì)單位制;兩個(gè)單位的主要區(qū)別是,在CGSM單位制中真空導(dǎo)磁率,在SI單位制中真空導(dǎo)磁率。因此,只需要在CGSM單位制前面乘以一個(gè)系數(shù) ,即可把CGSM單位制轉(zhuǎn)換成SI單位制,一般可寫(xiě)成 或 ,看到這個(gè)符號(hào)即可知道是采用SI單位制;但這里的 或 一般稱(chēng)為相對(duì)導(dǎo)磁率,是一個(gè)不帶單位的系數(shù),而則要帶單位。
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