如果一頓飯,我們已經(jīng)吃得很多,肚子不能裝下更多的東西時,我們稱為“飽了”。而在變壓器中,也會發(fā)生類似的情況。
根據(jù)安培定律:任何通有電流的導(dǎo)線,都會在其周圍產(chǎn)生磁場。電流(電壓)增加,磁場強度也會增加,但這種增加并不是無限的。
當(dāng)變壓器磁場達到一定水平時,電流(電壓)的增加無法使得磁場強度繼續(xù)增加,或者增加比較緩慢時,我們稱之為“變壓器磁飽和”。
一旦發(fā)生磁飽和,變壓器將無法繼續(xù)正常工作,互感作用消失,變壓器實際的初次級電壓比將會發(fā)生變化。次級輸出的電壓,不再是我們要求的電壓,輸出電壓波形發(fā)生畸變,直接影響產(chǎn)品正常工作。
其次,變壓器也不能有效地將能量從初級傳遞到次級,整個變壓器效率降低。完全飽和時,變壓器相當(dāng)于一根導(dǎo)線,電流急劇增加,變壓器快速發(fā)熱,很容易就會導(dǎo)致變壓器燒毀。
變壓器發(fā)生磁飽和的原因很多,總體來講可以分為四類:1.變壓器過載;2.電網(wǎng)電壓波動或突變;3.電源電壓不穩(wěn)定;4.鐵芯飽和。
前面三種主要是外部原因?qū)е?,通過調(diào)整負載、安裝穩(wěn)壓器、調(diào)整電網(wǎng)電壓可以解決。第四種則與變壓器的設(shè)計與磁芯選型息息相關(guān),本篇重點講講。
在變壓器中,電感量與磁通量的關(guān)系,可以用以下公式表示:
其中:L代表電感量,μ代表磁導(dǎo)率,N代表圈數(shù),A代表線圈穿過磁芯的有效截面積,Φ代表磁通量,t代表時間。我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)變壓器感量越小時,磁通量越小,此時越不容易飽和。因此,變壓器可以通過開氣隙,來提高變壓器的抗飽和能力。氣隙越大,電感量越小,變壓器的抗飽和能力越強。
在電感量一定的情況下,如果變壓器圈數(shù)越多,磁通量越小,此時越不容易飽和。這種情況下,可以適當(dāng)增加變壓器的圈數(shù),來提高變壓器的抗飽和能力。線圈穿過磁芯的有效截面積越大,變壓器越不容易飽和。我們可以選用截面積更大的磁芯,此時相應(yīng)磁芯的尺寸可能會更大。磁通變化率越快(dΦ/dt),變壓器工作的頻率越高,我們需要選擇磁導(dǎo)率更低的磁芯,才能提高變壓器的抗飽和能力。因此,對于高頻變壓器而言,選擇合適的磁芯材料,是防止變壓器磁飽和的重要手段。常見的非晶磁芯磁導(dǎo)率較高,多在1.0-1.7T,使用的最高頻率在50KHz;錳鋅鐵氧體磁芯導(dǎo)率在2000~5000之間,使用的頻率可以達到100KHz;鎳鋅鐵氧體的磁導(dǎo)率多在20~2000左右,其最高工作頻率可達MHz級別。
就電源電路而言,也可以同步通過設(shè)置軟啟動,避免變壓器輸入電流上升過快,從而達到避免變壓器發(fā)生磁飽和的目的。