開關電源原理與設計（連載51）

2-1-1-2．變壓器鐵芯的初始磁化曲線

下面我們繼續(xù)對變壓器鐵芯的磁化過程進行詳細分析。圖2-3是多個直流脈沖電壓連續(xù)加到變壓器初級線圈a、b兩端時，輸入脈沖電壓與變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通對應變化的曲線圖。圖2-3-a）為輸入電壓各個直流脈沖之間的相位圖，圖2-3-b）為變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通Φ對應各個輸入直流脈沖電壓變化的曲線圖。圖2-3-c）為變壓器鐵芯中磁場強度H對應磁通密度B或磁通Φ和各個直流脈沖電壓之間變化的曲線圖。

從圖2-3-a）和圖2-3-b）可以看出，每輸入一個直流脈沖電壓，變壓器鐵芯中的磁通密度B或磁通Φ就要線性增長和下降一次（對于純電阻負載，磁通密度下降不是線性的）。在開始輸入直流脈沖電壓的時候，磁通密度B或磁通Φ增長的幅度大于下降的幅度。

圖2－3 多個直流脈沖電壓連續(xù)加到變壓器初級線圈a、b兩端時，輸入脈沖電壓與變壓器鐵芯中磁通密度B或磁通對應變化的曲線圖

這是因為，剛開始工作的時候，磁場強度對變壓器鐵芯進行磁化時還沒有使磁通密度或磁矯頑力達到接近飽和的程度；要經(jīng)過若干個過程以后，磁通密度B或磁通Φ增長的幅度與下降的幅度才會一樣大，這說明變壓器鐵芯中的磁矯頑力已經(jīng)基本達到飽和。這個過程與儲能濾波電容剛開始充電時的過程是很相似的。

從圖2-3-c）中還可以看出，在直流脈沖電壓剛輸入的時候，磁場強度變化的幅度開始是比較小的，隨著直流脈沖輸入的個數(shù)不斷增加，其變化的幅度也在不斷增加，但磁通密度增量ΔB卻基本沒有改變；直到磁通密度達到最大值Bm之后，磁場強度變化的幅度才基本趨于穩(wěn)定；這說明勵磁電流的變化幅度開始的時候也是比較小的，隨后勵磁電流變化的幅度也會隨著磁場強度變化的幅度增加而增加。

當變壓器鐵芯初次被直流脈沖電壓產(chǎn)生的磁場磁化的時候，磁場強度和勵磁電流的變化幅度都要經(jīng)過一個過渡過程，然后才基本趨于穩(wěn)定，并且磁場強度和勵磁電流變化的幅度是由小到大；這個原因，主要是因為變壓器鐵芯開始的時候導磁率比較大，而后，導磁率逐步變小的緣故。圖2-4是變壓器鐵芯導磁率和磁通密度對應磁場強度變化的曲線圖。

圖2－4 變壓器鐵芯導磁率和磁通密度對應磁場強度變化的曲線圖

在圖2-4中，曲線Ｂ為磁通密度對應磁場強度變化的關系曲線，曲線μ為導磁率對應磁場強度變化的關系曲線。由于我們這里把磁場強度作為自變量，而磁通密度和鐵芯導磁率都作為因變量，因此，我們同樣可以把曲線Ｂ和曲線μ統(tǒng)稱為變壓器鐵芯的磁化曲線。

由于圖2-4所示的磁化曲線，只有在開關變壓器鐵芯從來沒有被任何磁場磁化過，僅當在第一次被磁場極化時才會出現(xiàn)；當開關變壓器工作正常之后，這種初始狀態(tài)就會被破壞和不復存在；因此，我們把圖2-4所示的磁化曲線稱為初始磁化曲線。雖然我們在實際應用中，很少碰到如圖2-4所示的磁通密度對應磁場強度變化的初始磁化曲線，但在實際應用中，人們還是習慣于用它來對變壓器鐵芯進行磁化過程分析或對變壓器的參數(shù)進行計算，因此，初始磁化曲線也有人把它稱為基本磁化曲線。

從圖2-4中可以看出，變壓器鐵芯導磁率最大的地方，既不是磁化曲線的起始端，也不是磁化曲線的末端，而是在磁化曲線中間偏左的位置。當磁場強度H繼續(xù)增大時，磁通密度B將會出現(xiàn)飽和；此時，不但磁通密度增量ΔB會下降到0，導磁率μ的值也會下降到接近0。因此，在設計單激式開關變壓器的時候，都有意在變壓器鐵芯中預留出一定的氣隙。

由于空氣的導磁率與鐵芯的導磁率相差成千上萬倍，因此，只要在磁回路中留百分之一或幾百分之一的氣隙長度，其磁阻或者磁動勢將會大部分降在氣隙上，因此磁心也就很難飽和。例如，當氣隙長度達到總磁路長度的百分之一時，變壓器鐵芯的Br與Bm之比，將小于百分之十；同時變壓器鐵芯的最大導磁率μm 也會從5000以上下降到只有幾十至幾百之間。

但變壓器鐵芯導磁率出現(xiàn)0的情況在一些控制電路中也有特殊應用，例如，磁放大器或磁調(diào)制器就是利用導磁材料的導磁率受磁場強度影響的原理來工作的。目前大量使用的50周大功率穩(wěn)壓電源基本上都是使用磁放大器來對輸出電壓進行穩(wěn)定控制。