開關(guān)電源變壓器鐵芯磁滯回線測(cè)量

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯開關(guān)電源變壓器鐵芯磁滯回線測(cè)量 現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)電源的工作效率和體積以及平安要求越來越高，在開關(guān)電源中打算工作效率和體積以及平安要求的諸多因素，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打算變壓器的鐵芯材料技術(shù)性能好壞的最重要因素。因此，對(duì)變壓器的鐵芯材料進(jìn)行磁滯回線測(cè)量是必要的。 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(chǎng)強(qiáng)度H相差一個(gè)相位，這個(gè)特性稱為磁滯現(xiàn)象。因此，當(dāng)變壓器的鐵芯被交變磁場(chǎng)磁化時(shí)

2、，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(chǎng)強(qiáng)度H和磁通密度B的關(guān)系曲線，通過測(cè)試變壓器鐵芯的磁滯回線，很簡(jiǎn)單就可以看出變壓器的鐵芯材料的主要電氣性能。 要對(duì)鐵磁材料的磁滯回線的參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試是比較麻煩的，不過用示波器顯示磁滯回線則比較簡(jiǎn)便。圖2-15是用示波器測(cè)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(hào)源，通過K1選擇變壓器T1次級(jí)線圈的抽頭就可以轉(zhuǎn)變信號(hào)源的電壓輸出;T2為待測(cè)變壓器樣品，Dp為示波器;R1、R2、R3、R4為顯示磁場(chǎng)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，從而可以轉(zhuǎn)變示波器X軸偏轉(zhuǎn)顯

3、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。 下面我們來具體分析圖2-15的工作原理。依據(jù)安培環(huán)路定律：磁場(chǎng)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?chǎng)回路中，任一繞行方向上磁通勢(shì)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(chǎng)強(qiáng)度， li為磁路中磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hi 的平均長(zhǎng)度)的代數(shù)和。設(shè)流過變壓器T2初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流為i1，則可求得樣品變壓器鐵芯中的磁化場(chǎng)強(qiáng)為： H = N1i1/l (2-32) 式中： l為變壓器樣品鐵芯的平均

4、磁路長(zhǎng)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(shí)刻取樣電壓u1均與磁場(chǎng)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，用示波器的水平方一直顯示磁場(chǎng)強(qiáng)度H。 我們?cè)賮砜丛鯓訉?duì)磁通密度B進(jìn)行顯示。依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在交變磁場(chǎng)的作用下，變壓器T2次級(jí)線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)e2大小為： e2 =N2d/dt =N2SdB/dt (2-35) (2-35)式中，e2為變壓器T2次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，N2為變壓器T2次級(jí)線圈的匝數(shù)， 為變壓器鐵芯中的磁通，S為變壓器鐵芯的有

5、效導(dǎo)磁截面積。 磁通密度B可以通過對(duì)(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(dòng)勢(shì)是磁通密度對(duì)時(shí)間的微分，那么磁通密度就應(yīng)當(dāng)是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)時(shí)間的積分。因此，對(duì)磁通密度B進(jìn)行顯示必需由一個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度取樣電路輸出電壓的特性(速率)基本全都的時(shí)候，磁滯回線的顯示失真才會(huì)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全都呢?為了簡(jiǎn)潔和便于分析，這里我們把輸入電壓看成是溝通脈沖方波，但對(duì)于正弦波電壓還是同樣有效。 假如忽視取樣電阻R1兩端的電壓降u1，則加到

6、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(jí)線圈的勵(lì)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(jí)線圈兩端的電壓(這里為方波)，或T1變壓器次級(jí)線圈輸出的電壓(方波);L1為變壓器T2初級(jí)線圈的電感，i1(0)為時(shí)間等于零時(shí)變壓器T2初級(jí)線圈中的勵(lì)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(shí)刻對(duì)應(yīng)的充電電壓u2(0)，所對(duì)應(yīng)的磁通密度B(0)，相互對(duì)應(yīng)才有意義，由于它們之間存在相位差。 由(2-38)式可以看出，假如忽視取樣電阻R1兩端的電壓降u1，流過變壓器T2

7、初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流是一個(gè)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(duì)應(yīng)。 我們?cè)賮矸治鯮C積分電路的輸出電壓。假如忽視電路損耗，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(jí)線圈中的勵(lì)磁電流一樣，假如把積分電路的時(shí)間常數(shù)取得足夠大，電阻的阻值也取得足夠大，則在一個(gè)周期內(nèi)電容兩端的充電電壓u2相對(duì)電阻的電壓降是可以忽視的。則(2-39)式可以改寫為： e2 i2R (2-40) 在任一時(shí)刻，電容C的充電電流為： i2 = dq

8、/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(shí)間等于零時(shí)T2變壓器鐵芯中的磁通密度。同樣，B(0)要與同一時(shí)間(即時(shí)間等于零時(shí))變壓器T2初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流i1(0)相互對(duì)應(yīng)才有意義。實(shí)際上i1(0)與B(0)的值不行能同時(shí)為0，假如i1(0)和B(0)同時(shí)為0，示波器所顯示的圖形將是一條斜線(即抱負(fù)磁化曲線)。 由(2-43)式可以看出，磁通密

9、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(chǎng)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，假如忽視積分電容C兩端的電壓降u2，則對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度取樣電路輸出電壓u1的特性(速率)基本全都。假如在分析過程中，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都不能忽視;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)

10、有過很具體的分析，這里不預(yù)備再重復(fù)。實(shí)際上，電壓通過電阻對(duì)電感進(jìn)行充電的過程，與電流通過電阻對(duì)電容充電的過程，是特別相像的，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(shí)間常數(shù)基本全都，它們的變化曲率也將基本全都。因此，用u1和u2分別代表磁場(chǎng)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(duì)電感進(jìn)行充電的時(shí)間常數(shù)=RL，電流通過電阻對(duì)電容進(jìn)行充電的時(shí)間常數(shù)=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(shí)，輸入電壓的幅度比較小，被測(cè)試樣品的磁滯回線面積也比較小;當(dāng)K1選擇“4”的位置時(shí)，輸入電壓的

11、幅度比較大，被測(cè)試樣品的磁滯回線面積也比較大。 圖2-16是測(cè)試樣品在輸入不同幅度的電壓時(shí)，對(duì)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(duì)應(yīng)開關(guān)K1選擇“4”的位置時(shí)，所顯示的磁滯回線圖形;而最內(nèi)一條磁滯回線是對(duì)應(yīng)開關(guān)K1選擇“1”的位置時(shí)，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(chǎng)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(shí)，顯示圖形的水平寬度最窄;當(dāng)K2選擇“4”的位置時(shí)，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(cè)量中是很難看得到的，由于它只能消失一次，不會(huì)重復(fù)消失。 從圖2-1

12、6可以看出，當(dāng)變壓器鐵芯中不存在磁化場(chǎng)時(shí)，H和B均為零，即圖2-16中BH曲線的坐標(biāo)原點(diǎn)0。隨著磁場(chǎng)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增加到肯定值時(shí)，B不再增加(或增加非常緩慢)，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(chǎng)強(qiáng)度和最大磁通密度(對(duì)應(yīng)于圖中a點(diǎn));而把Hs和Bs分別稱為飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度。 假如再使H漸漸退到零，則與此同時(shí)B也漸漸削減。然而H和B對(duì)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(shí)，鐵磁物質(zhì)中仍保留肯定的磁性，這種現(xiàn)象稱為磁滯，Br稱為剩磁。將磁場(chǎng)反向，再漸漸增

13、加其強(qiáng)度，直到H=-Hc，磁通密度消逝，這說明要消退剩磁，必需施加反向磁場(chǎng)Hc。Hc稱為矯頑力。它的大小反映鐵磁材料保持剩磁狀態(tài)的力量。圖2-16表明，當(dāng)磁場(chǎng)按Hm0-Hc-Hm0HcHm次序變化時(shí)，B所經(jīng)受的相應(yīng)變化為BmBr0-Bm-Br0Bm。于是得到一條閉合的BH曲線，稱為磁滯回線。所以，當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場(chǎng)中時(shí)(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(chǎng)強(qiáng)度對(duì)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

14、樣的，因此，不通過測(cè)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(duì)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(gè)打到“3、2、1、0”的位置，最終磁場(chǎng)強(qiáng)度將為0，剩余磁通密度Br也基本為0。由于輸入電壓是溝通電壓，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(shí)的路線圖，在圖2-17中是假設(shè)磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度都是從最大值(即a點(diǎn))開頭的。 順便指出，用于測(cè)試磁滯回線的變壓器鐵芯樣品最好是磁環(huán)，由于，一般的E型變壓器鐵芯多少會(huì)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(zhǎng)度只有總磁路長(zhǎng)度的萬分之一，其對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響也是特