高頻變壓器應(yīng)用技術(shù)

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1、高 頻 變 壓 器 應(yīng) 用 技 術(shù) 第 一 章 磁 學(xué) 基 礎(chǔ) 小 結(jié) 。磁 路 及 氣 隙變 壓 器 基 本 模 型電 磁 基 本 定 律磁 學(xué) 基 本 物 理 量?jī)?nèi)容提要 1.1 磁 的 基 本 現(xiàn) 象 自 然 界 中 有 一 類(lèi) 物 質(zhì) ， 如 鐵 ， 鈷 ， 鎳 等 ， 在 一 定 情 況下 能 相 互 吸 引 ， 這 種 性 質(zhì) 我 們 稱(chēng) 他 們 具 有 磁 性 ， 使 他 們 具有 磁 性 的 過(guò) 程 稱(chēng) 為 磁 化 ， 能 夠 被 磁 化 或 能 被 磁 性 物 質(zhì) 所 吸引 的 物 質(zhì) 稱(chēng) 為 磁 介 質(zhì) 。 如 果 將 兩 個(gè) 磁 極 靠 近 ， 磁 極 間 會(huì) 產(chǎn) 生 作

2、 用 力 。 磁 極 之 間的 作 用 力 是 在 磁 極 周 圍 空 間 傳 遞 的 ， 磁 極 間 存 在 的 磁 力 作用 的 特 殊 物 質(zhì) ， 我 們 稱(chēng) 之 為 磁 場(chǎng) 。 1.1 磁 的 基 本 現(xiàn) 象 永 磁 體 產(chǎn) 生 的 磁 場(chǎng) 1.2 電 流 與 磁 場(chǎng) 一 直 導(dǎo) 線(xiàn) 周 圍 磁 場(chǎng) 的 方 向 可 以 用 “ 右 手 定 則 ”來(lái) 判 斷 ： 當(dāng) 用 右 手 抓 住 導(dǎo) 體 ， 拇 指 的 指 向 是 電 流流 動(dòng) 方 向 時(shí) ， 其 它 手 指 的 指 向 就 是 磁 力 線(xiàn) 的 方 向 。 1.2 電 流 與 磁 場(chǎng)磁 場(chǎng) 的 增 強(qiáng) ：當(dāng) 電 流 流 過(guò) 一 個(gè)

3、 導(dǎo) 線(xiàn) 時(shí) ， 在 其 周 圍 建 立 起 磁 場(chǎng) ， 如 果 載 有 相 同 方 向 電流 的 導(dǎo) 體 離 開(kāi) 相 當(dāng) 大 的 距 離 ， 則 產(chǎn) 生 的 磁 場(chǎng) 沒(méi) 有 相 互 的 影 響 。 如 果 同意 的 兩 個(gè) 導(dǎo) 體 被 放 置 的 很 靠 近 ， 則 磁 場(chǎng) 將 加 強(qiáng) ， 其 強(qiáng) 度 加 倍 。 1.3 磁 學(xué) 的 基 本 物 理 量一 、 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 是 表 示 磁 場(chǎng) 空 間 某 點(diǎn) 的 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 弱 和 方 向 的 物 理 量 。 在 磁 場(chǎng)中 一 點(diǎn) 放 一 段 長(zhǎng) 度 為 l電 流 強(qiáng) 度 為 I并 與 磁 場(chǎng) 方 向 垂 直 的 導(dǎo)

4、體 ， 如 導(dǎo) 體所 受 電 磁 力 為 F ， 則 該 點(diǎn) 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 的 大 小 為FB IlB 的 SI單 位 ： 特 斯 拉 (T)B的 CGS單 位 ： 高 斯 （ Gs) B lI 電 磁 力 F， 電 流 I,和 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度B三 者 是 正 交 關(guān) 系 ， 符 合 左 手 定 則 。 1.3 磁 學(xué) 的 基 本 物 理 量二 、 磁 通垂 直 通 過(guò) 一 個(gè) 截 面 的 磁 力 線(xiàn) 總 量 稱(chēng) 為 該 截 面 的 磁 通 量 ， 簡(jiǎn) 稱(chēng) 磁 通 。 用來(lái) 表 示 。在 一 般 的 鐵 芯 變 壓 器 和 電 感 中 ， 在給 定 結(jié) 構(gòu) 截 面 上 ， 或 端 面

5、 積 相 等 的氣 隙 斷 面 間 的 磁 場(chǎng) B基 本 上 是 均 勻 的 ，磁 通 通 常 可 以 表 示 為 ： 的 SI單 位 ： 韋 伯 (Wb)的 CGS單 位 ： 麥 克 斯 韋 （ Mx) 1.3 磁 學(xué) 的 基 本 物 理 量三 、 磁 導(dǎo) 率電 流 產(chǎn) 生 磁 場(chǎng) ， 但 電 流 在 不 同 的 介 質(zhì) 中 產(chǎn) 生 的 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 是 不 同 的 。為 了 表 征 這 種 特 征 ， 將 不 同 的 磁 介 質(zhì) 用 一 個(gè) 系 數(shù) 來(lái) 考 慮 ， 稱(chēng) 為 介 質(zhì)的 磁 導(dǎo) 率 ， 表 征 物 質(zhì) 的 導(dǎo) 磁 能 力 。在 介 質(zhì) 中 ， 越 大 ， 介 質(zhì) 中 磁

6、感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B越 大 。真 空 中 的 磁 導(dǎo) 率 一 般 用 0來(lái) 表 示 。材 料 的 磁 導(dǎo) 率 相 對(duì) 于 真 空 磁 導(dǎo) 率 的 比 值 稱(chēng) 為 相 對(duì) 磁 導(dǎo) 率 r。 工 程 上 通常 采 用 相 對(duì) 磁 導(dǎo) 率 來(lái) 描 述 鐵 磁 性 材 料 的 導(dǎo) 磁 能 力 。 70 4 10 H/m 1.3 磁 學(xué) 的 基 本 物 理 量四 、 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 外 磁 場(chǎng) 通 常 是 由 電 流 產(chǎn) 生 的 ， 為 了 反 映 外 磁 場(chǎng) 和 電 流 之 間 的 關(guān) 系 ，引 入 一 個(gè) 輔 助 矢 量 H即 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 。 在 任 何 介 質(zhì) 中 ， 磁 場(chǎng) 中 某 點(diǎn) 的 B

7、與該 點(diǎn) 的 的 比 值 定 義 為 該 點(diǎn) 的 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 H， 注 意 ： 某 點(diǎn) 的 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 大 小 ， 并 不 代 表 該 點(diǎn) 磁 場(chǎng) 的 強(qiáng) 弱 ， 代 表 磁 場(chǎng)強(qiáng) 弱 的 是 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B， 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 H應(yīng) 當(dāng) 是 外 加 的 磁 化 強(qiáng) 度 。 引 入 H主 要 是 為 了 便 于 磁 場(chǎng) 的 分 析 計(jì) 算 。 1.3 磁 學(xué) 的 基 本 物 理 量五 、 鐵 磁 性 物 質(zhì) 的 磁 化 曲 線(xiàn)1. 初 始 磁 化 曲 線(xiàn) 將 完 全 無(wú) 磁 狀 態(tài) 的 鐵 磁 物 質(zhì) 進(jìn) 行 磁 化 ， 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 從 零 逐 漸 增 加 ，測(cè) 量 鐵 磁

8、物 質(zhì) 的 磁 通 密 度 ， 得 到 磁 通 密 度 和 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 之 間 的 關(guān) 系 ，并 用 B-H曲 線(xiàn) 表 示 ， 該 曲 線(xiàn) 稱(chēng) 為 磁 化 曲 線(xiàn) 。 H=0， B=0開(kāi) 始 磁 化 的 曲 線(xiàn) ， 稱(chēng) 為 初 始 磁 化 曲 線(xiàn) 。 初 始 磁 化 曲 線(xiàn) 在 原 點(diǎn) 的 斜 率 ， 稱(chēng) 為 初 始 磁 導(dǎo) 率 。 HB， O B1a 2a 3a2H1H 3H 1.3 磁 學(xué) 的 基 本 物 理 量五 、 鐵 磁 性 物 質(zhì) 的 磁 化 曲 線(xiàn)2. 磁 滯 回 線(xiàn) 磁 滯 回 線(xiàn) ： 鐵 磁 性 物 質(zhì) 在 反 復(fù) 磁 化 過(guò) 程 中 的 B-H關(guān) 系 （ 在 +Hm 和

9、-Hm 間 ， 近 似 對(duì) 稱(chēng) 于 原 點(diǎn) 的 閉 合 曲 線(xiàn) ） 。 B HO mHmH mBrB bb aa cH 當(dāng) H 由 零 增 加 到 +Hm ， 使鐵 磁 性 物 質(zhì) 達(dá) 到 飽 和 ， 對(duì) 應(yīng) 的 磁感 應(yīng) 強(qiáng) 度 為 Bm ， 之 后 ， 將 H 減小 ， B 要 由 Bm沿 著 比 起 始 磁 化曲 線(xiàn) 稍 高 的 曲 線(xiàn) ab下 降 。 H 降 為 零 而 B 不 為 零 ， 這 種B 的 改 變 落 后 于 H 的 改 變 的 現(xiàn) 象稱(chēng) 為 磁 滯 。 1.3 磁 學(xué) 的 基 本 物 理 量2. 磁 滯 回 線(xiàn) 磁 滯 回 線(xiàn) 對(duì) 應(yīng) 的 基 本 參 數(shù) ：（ 1） 飽

10、 和 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 ： 磁 化 曲 線(xiàn) 達(dá) 到 接 近 水 平 時(shí) ， 不 再 隨 外 磁 場(chǎng) 增 大 而 明 顯 增 大 所 對(duì) 應(yīng)的 B值 。（ 2） 剩 余 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 Br ：鐵 磁 物 質(zhì) 磁 化 后 ， 在 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 下 降 到 零 時(shí) ，鐵 磁 物 質(zhì) 中 殘 留 的 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 。（ 3） 矯 頑 磁 力 Hc 如 要 消 去 剩 磁 ， 需 將 鐵 磁 性 物 質(zhì) 反 向 磁 化的 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 （ Hc ） B HO mHmH mBrB bb aa cH 1.3 磁 學(xué) 的 基 本 物 理 量3. 磁 滯 損 耗 磁 滯 損 耗 ： 鐵 磁 性 物

11、 質(zhì) 在 反 復(fù) 磁 化 過(guò) 程 中 ， 消 耗 并 轉(zhuǎn) 變 為 熱 能 而 耗 散 的 能 量 。 磁 化 磁 芯 一 周 期 ， 單 位 體 積 磁 芯 損 耗 的 能 量 正 比 于 靜 態(tài) 磁 滯 回 線(xiàn)包 圍 的 面 積 。 每 磁 化 一 個(gè) 周 期 ， 就 要 損 耗 與 磁 滯 回 線(xiàn) 包 圍 面 積 成 正 比 的 能 量 ，頻 率 越 高 ， 損 耗 越 多 ； 磁 感 應(yīng) 擺 幅 越 大 ， 包 圍 面 積 越 大 ， 損 耗 也越 大 。 1.4 電 磁 基 本 定 律一 、 電 磁 感 應(yīng) 定 律1. 法 拉 第 定 律 當(dāng) 通 過(guò) 線(xiàn) 圈 的 磁 通 發(fā) 生 變 化

12、 時(shí) ， 在 線(xiàn) 圈 兩 端 就 要 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 。感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 的 大 小 正 比 于 磁 通 的 變 化 率 。對(duì) 于 1匝 線(xiàn) 圈 ， 有 ：對(duì) 于 N匝 線(xiàn) 圈 ， 有 ： 對(duì) 于 N匝 線(xiàn) 圈 ， 其 總 磁 通 =N 稱(chēng) 為 磁 鏈 1.4 電 磁 基 本 定 律一 、 電 磁 感 應(yīng) 定 律2. 楞 次 定 律 在 電 磁 感 應(yīng) 過(guò) 程 中 ， 感 生 電 流 所 產(chǎn) 生 的 磁 通 總 是 阻 止 磁 通 的 變化 。 即 感 生 電 流 總 是 試 圖 維 持 原 磁 通 不 變 。 法 拉 第 定 律 和 楞 次 定 律 總 稱(chēng) 為 電 磁 感 應(yīng)

13、定 律 。 1.4 電 磁 基 本 定 律二 、 環(huán) 路 安 培 定 律 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 矢 量 H沿 任 何 閉 合 路 徑 的 線(xiàn) 積 分 等 于 穿 過(guò) 此 路 徑 所 圍成 的 面 的 電 流 代 數(shù) 和 。 以 環(huán) 形 線(xiàn) 圈 為 例 ： 由 此 可 見(jiàn) ： H只 與 電 流 大 小 、 匝 數(shù) 和 閉 合 路 徑 有 關(guān) ， 而 與 材 料 無(wú) 關(guān) 。 3.1 變 壓 器 基 本 模 型一 、 簡(jiǎn) 單 變 壓 器 通 過(guò) 共 同 的 磁 通 耦 合 的 線(xiàn) 圈 ， 構(gòu) 成 了 簡(jiǎn) 單 的 變 壓 器 。 3.1 變 壓 器 基 本 模 型二 、 變 壓 器 的 基 本 模 型由 于

14、 磁 芯 和 線(xiàn) 圈 都 不 是 理 想 的 ， 存 在 許 多 寄 生 參 數(shù) 。（ 1） 由 于 磁 芯 不 是 無(wú) 限 大 ， 存 在 一 定 電 感 量 ， 即 激 磁 電 感 。（ 2） 初 、 次 級(jí) 線(xiàn) 圈 不 是 完 全 耦 合 ， 存 在 漏 感 抗（ 3） 初 次 級(jí) 線(xiàn) 圈 具 有 電 阻 。 3.1 變 壓 器 基 本 模 型三 、 變 壓 器 參 數(shù) 的 測(cè) 量1、 激 磁 電 感 ： 將 所 有 二 次 繞 組 開(kāi) 路 ， 測(cè) 量 一 次 繞 組 電 感 量 。2、 漏 感 ： 將 所 有 二 次 繞 組 短 路 ， 測(cè) 量 一 次 繞 組 電 感 量 。四 、 變

15、 壓 器 數(shù) 量 關(guān) 系對(duì) 于 變 比 為 n:1的 變 壓 器 ， 電 壓 關(guān) 系 為 ：1 2u nu2 1i ni 4.1 磁 路一 、 磁 路 的 基 本 概 念 凡 是 磁 通 經(jīng) 過(guò) 的 閉 合 路 徑 均 稱(chēng) 為 磁 路 。二 、 磁 路 的 歐 姆 定 律 磁 路 的 計(jì) 算 滿(mǎn) 足 基 爾 霍 夫 基 本 定 律 。 根 據(jù) 基 爾 霍 夫 第 一 定 律 ， （ 高 斯 定 理 ） 磁 路 中 任 意節(jié) 點(diǎn) 的 磁 路 之 和 和 等 于 零 。 基 爾 霍 夫 第 二 定 律 ， （ 磁 路 的 歐 姆 定 律 ） 沿 某 一 方 向 的 任 意 閉 合 回 路 的 磁

16、勢(shì) 的 代 數(shù) 和 等 于 磁 壓 降的 代 數(shù) 和 。 4.2 磁 芯 磁 場(chǎng) 和 磁 路一 、 無(wú) 氣 隙 磁 芯 磁 場(chǎng)如 果 電 路 中 兩 點(diǎn) 之 間 有 電 位 差 ， 就 可 能 在 兩 點(diǎn) 之 間 產(chǎn) 生 電 流 ； 在 磁 路中 兩 點(diǎn) 之 間 有 磁 位 差 ， 在 兩 點(diǎn) 之 間 就 可 能 產(chǎn) 生 磁 通 。 等 截 面 均 勻 繞 線(xiàn) 環(huán) 形 磁 芯 磁 位 分 布 圖 和 等 效 磁 路 4.2 磁 芯 磁 場(chǎng) 和 磁 路二 、 有 氣 隙 磁 芯 磁 場(chǎng)當(dāng) 磁 芯 有 氣 隙 時(shí) ， 整 個(gè) 路 徑 的 磁 阻 幾 乎 將 全 部 在 空 氣 隙 中 ， 因 為

17、空 氣隙 的 磁 阻 率 比 磁 性 材 料 的 磁 阻 率 大 得 多 。 在 實(shí) 用 場(chǎng) 合 ， 我 們 都 是 通 過(guò)控 制 空 氣 隙 的 大 小 來(lái) 控 制 磁 阻 的 。在 磁 動(dòng) 勢(shì) 一 定 的 情 況 下 ， 氣 隙 可 以 控 制 磁 通 密 度 。 4.2 磁 芯 磁 場(chǎng) 和 磁 路三 、 空 氣 隙 的 類(lèi) 型氣 隙 有 兩 種 基 本 類(lèi) 型 ： 塊 狀 的 和 分 散 的 。氣 隙 填 充 材 料 的 放 置 對(duì) 于 保 持 磁 芯 在 結(jié) 構(gòu) 上 的 平 衡 是 很 關(guān) 鍵 的 。圖 中 a,c,d是 一 般 的 氣 隙安 排 ， b所 示 的 是 較 好 的氣 隙

18、 安 排 。 4.2 磁 芯 磁 場(chǎng) 和 磁 路四 、 邊 緣 磁 通在 大 多 數(shù) 情 況 下 ， 氣 隙 相 對(duì) 端 面 尺 寸 較 大 ， 磁 通 不 僅 經(jīng) 過(guò) 磁 芯 的 端 面 ，而 且 還 通 過(guò) 氣 隙 的 邊 緣 、 尖 角 、 氣 隙 附 近 的 磁 芯 側(cè) 表 面 ， 這 些 磁 通 通常 稱(chēng) 為 邊 緣 磁 通 。 1， 如 果 靠 在 氣 隙 上 或 緊 靠 氣 隙 的 是 鐵 磁 材 料 ， 則 它 使 得 磁 場(chǎng) 導(dǎo) 通 ， 這 被 稱(chēng) 為 “ 氣 隙 短 路 ” 2， 如 果 材 料 是 金 屬 ， 但 不 是 鐵 磁 性 的 ， 它 將 不 使 氣 隙 短 路 。 邊 緣 磁 通 將 在 靠 近 的 鐵 磁 性 物 質(zhì) 中 感 應(yīng) 出 渦 流 引 起 局 部 發(fā) 熱 。