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陶顯芳老師談開(kāi)關(guān)變壓器的工作原理與設(shè)計(jì)之一——開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量與測(cè)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(guò)開(kāi)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(kāi)關(guān)變壓器質(zhì)量好壞的時(shí)候,一般都只檢查開(kāi)關(guān)變壓器的電感量或漏感大小?,F(xiàn)在,我們能不能也象檢查50周工頻變壓器那樣,檢查開(kāi)關(guān)變壓器的勵(lì)磁電流呢?——很難。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)變壓器一般都是工作于單極性磁化狀態(tài),測(cè)試開(kāi)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(jiǎn)便的方法,即:電流迭加法,來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器進(jìn)行伏秒容量進(jìn)行測(cè)試。電流迭加法就是在開(kāi)關(guān)變壓器線圈中迭加一直流電流,讓開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯進(jìn)行磁化,然后,對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器的電感量進(jìn)行測(cè)量,從而間接測(cè)量開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(cè)試開(kāi)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(cè)試儀,LT是隔離電感,I是電流源,Lx為待測(cè)開(kāi)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(cè)開(kāi)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(lái)介紹圖7的工作原理。
一般進(jìn)行電感測(cè)量的時(shí)候,都是讓電感線圈通過(guò)一個(gè)1KHz或10KHz的交流電,然后通過(guò)測(cè)試流過(guò)電感線圈的電流來(lái)間接測(cè)量電感線圈的阻抗(電感量)。由于流過(guò)電感線圈的電流很小,并且是一個(gè)交流,用這種方法測(cè)試到的電感量與電感線圈工作時(shí)呈現(xiàn)出來(lái)的電感量是有區(qū)別的,并且區(qū)別很大,因?yàn)殚_(kāi)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(cè)試電感流過(guò)一個(gè)可變電流,就可以改變被測(cè)試電感磁化曲線的工作點(diǎn),由此,就可以測(cè)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(cè)量或計(jì)算出開(kāi)關(guān)變壓器的極限伏秒容量VTmax。知道了開(kāi)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(lái)決定開(kāi)關(guān)變壓器的最大伏秒容量VTm 。
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下面我們來(lái)分析,怎么樣定義迭加電流的大小和對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器伏秒容量VT的測(cè)試。
圖8是開(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)變壓器線圈的迭加電流I,Y軸代表開(kāi)關(guān)變壓器線圈的電感L或開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B;L-I為開(kāi)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(kāi)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(cè)得開(kāi)關(guān)變壓器線圈的電感量為L(zhǎng)0,由于開(kāi)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(kāi)關(guān)變壓器線圈的初始電感量L0也比較??;隨著迭加電流I的增加,開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率也會(huì)增加,所以開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度開(kāi)始出現(xiàn)飽和(B = Bs),開(kāi)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(kāi)關(guān)變壓器線圈的電感量是受流過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器線圈的直流分量調(diào)制的。如果我們把流過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器線圈的最大電流Im與開(kāi)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(lái)定義流過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器線圈的最大電流Im和開(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電流I,使開(kāi)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(kāi)關(guān)變壓器線圈的電流,我們稱(chēng)之為極限電流Imax,對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,我們稱(chēng)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(cè)量方法,來(lái)測(cè)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(guò)測(cè)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(kāi)關(guān)變壓器或儲(chǔ)能電感線圈的極限伏秒容量VTmax。在開(kāi)關(guān)變壓器的使用過(guò)程中,任何時(shí)刻,都不能超出開(kāi)關(guān)變壓器的極限伏秒容量VTmax。
反過(guò)來(lái),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(cè)量)開(kāi)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(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈電流的極限值Imax,即用于測(cè)量開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈電感Lx的迭加電流值。
由此可知,開(kāi)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(guò)圖8中的Imax,對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也不能超過(guò)圖8中的Bmax。
上面(8)式是用來(lái)計(jì)算開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)K接通后,其持續(xù)時(shí)間等于 時(shí)刻,流過(guò)開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的工作電壓,V為加于開(kāi)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(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈電感量。
(9)式是用來(lái)計(jì)算開(kāi)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(lái)計(jì)算開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(cè)試時(shí)的極限迭加電流,即:當(dāng)?shù)与娏鱅增加,使開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈或儲(chǔ)能電感線圈的測(cè)量電感Lx等于初始電感量 的0.9倍時(shí),流過(guò)開(kāi)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(guò)開(kāi)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(lái)測(cè)量; 為開(kāi)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(shuō)明, 與Imax,VTm與VTmax在性質(zhì)上基本相同,只是后者用max來(lái)表示它是前者的極限值。