防止開關變壓器鐵芯出現(xiàn)磁飽的解決方案

單擊式開關電源變壓器由于輸入電壓為單極性電壓脈沖，當脈沖幅度和寬度超過變壓器的伏秒容量時，變壓器鐵芯將出現(xiàn)磁飽和。為了防止開關變壓器鐵芯出現(xiàn)磁飽和最簡單的方法是在變壓器鐵芯中留氣隙，或采用反磁場。當在變壓器鐵芯中留有氣隙時，由于空氣的導磁率只有鐵芯導磁率的幾千分之一，磁動勢幾乎都降在氣隙上面;因此，留有氣隙的變壓器鐵芯，其平均導磁率將會大大下降;不但剩余磁通密度也會降低，而且最大磁通密度Bm可以達到飽和磁通密度Bs;從而使磁通增量增大，變壓器鐵芯不再容易出現(xiàn)磁飽和。如圖2-24所示是留有氣隙的變壓器鐵芯的工作原理圖與磁化曲線圖 。

在圖2-24-a中，假設l1 為氣隙長度，變壓器鐵芯磁路的總長度為 lc，則磁路的磁通勢為：

△Hlc=△B(l1-lc)/μc +△Bl1/μ0

上式中， μc為變壓器鐵芯的導磁率; μ0為空氣的導磁率，其值約等于1; lc為變壓器鐵芯磁路的總長度; l1為氣隙的長度; △H為磁場強度增量; △B為磁通密度增量。

由于 lc >>l1 ，μ0≈1 ，所以，( lc-l1 )≈lc ，因此上式可化簡為：

上式中， μa為有氣隙鐵芯的平均導磁率， μc為變壓器鐵芯的導磁率， l1為氣隙的長度， lc為變壓器鐵芯磁路的總長度。

(2-72)式中，由于μc 不是一個常數(shù)，我們不能用求導數(shù)的方法把 l1當成一個變數(shù)來求 μa的最大值;另外，求 μa的最大值也不是我們的主要目的;我們的愿望是在最大磁通密度增量 △B 的條件下，要求平均導磁率 μa也能達到最大。

我們再來看圖2-24-b。在圖2-24-b中，虛線表示變壓器鐵芯沒有氣隙時的磁滯回線，實線表示變壓器鐵芯留有氣隙時的磁滯回線，其中磁化曲線o-a為留有氣隙鐵芯的基本磁化曲線。這里的基本磁化曲線與初始磁化曲線并不完全相同，這里的基本磁化曲線相當于磁化曲線的幾何平均值，以便用于分析磁場強度增量 △H 與磁感應密度增量 △B 的關系。

顯然，對應每一個氣隙長度的取值就有一組相應的磁滯回線;但不管氣隙長度取得多大，鐵芯的最大磁通密度Bm只能達到鐵芯磁飽和時對應的Bs值，它不會隨著氣隙長度l1 的增長而繼續(xù)增長;而鐵芯的剩余磁通密度Br也不會因氣隙長度l1增長而大幅度下降。因此， l1應該有一個最佳值，它應該既要兼顧磁通密度增量 △B的最大，也要兼顧平均導磁率μa 達到最大的條件。

為了求出 的最佳值，我們可以沿著基本磁化曲線o-a不斷地畫切線，如圖中切線o-b;切線與H軸夾角β 的正切值tgβ 就是此點的導磁率;當切線的相切點位于最大磁通密度增量△B 的二分之一位置上時，這點的正切值tgβ 就可以認為等于平均導磁率μa ;由此我們可以看出平均導磁率μa 總是小于或者等于正切值 tgβ 。

如果我們把最大正切值tgβ 對應的磁通密度增量△B 和磁場強度增量△H ，定義為鐵芯的最佳工作點，那么通過切線o-b就可以求出對應的l1最佳值。可以證明通過原點的切線o-b是正切值最大的切線，因為實際中的基本磁化曲線是不存在的，基本磁化曲線相當于磁化曲線的幾何平均值，是一條按電容充電規(guī)律變化的指數(shù)曲線(請參考《2-1-1-9.開關電源變壓器鐵芯磁滯回線測量》章節(jié)的內(nèi)容);另外，所定義的最佳工作點就是氣隙長度l1 最小值對應的工作點。

從圖2-24-b以及(2-72)式可以看出，當 μcl1/lc>>1時，有氣隙鐵芯的平均導磁率μa 基本與氣隙l1 的長度成反比;因此μcl1/lc 的值正好就是對應圖2-24-b中，切線o-b與B軸夾角α 的正切值tgα ; △H代表μcl1 ，△B 代表lc。 μc與l1相乘正好把兩條正交直線H和B的單位進行歸一化，要么它們之間的夾角就沒有意義。

由圖2-24-b可以看出，當 tgα≈1/2時， l1為最佳值，實際上也是l1 的最小值;因為，平均導磁率μa 會隨著 l1增大而減小。因此， l1的最佳值(或最小值)由下式求得：

l1/lc≈2/μc (2-73)

把(2-73)式的結(jié)果代入(2-72)式，可以求得，當 l1為最佳值時，有氣隙鐵芯的平均導磁率μa 正好等于沒有氣隙鐵芯導磁率 的三分之一。

這里特別指出：(2-73)式給出的結(jié)果，是在初步滿足磁通密度增量要求的條件下，求有氣隙鐵芯的平均導磁率μa 最大值的條件;當然是氣隙長度越小，平均導磁率μa 就越大。但在實際工作中， μa的值要小于此值，因為，對氣隙長度要預留一定的余量，變壓器鐵芯的工作點不可能讓永遠工作在最佳值的邊沿;因此，實際工作中的變壓器鐵芯，其最大磁通密度增量△B 和最大磁場強度增量△H 都會超出(2-73)式給出條件的范圍;所以，由(2-73)式求出的氣隙長度l1 也是最低極限值。例如：當沒有氣隙鐵芯的導磁率 μυ=1000時，比值為l1 /lc =