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陶顯芳老師談開關變壓器的工作原理與設計之一——開關變壓器的伏秒容量與測量
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以前我們在檢查50周工頻變壓器質量好壞的時候，一般都要檢查50周工頻變壓器在最高輸入電壓之下，流過開關變壓器初級線圈的勵磁電流，或漏電流。但目前很多人在檢查開關變壓器質量好壞的時候，一般都只檢查開關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，檢查開關變壓器的勵磁電流呢？——很難。因為開關變壓器一般都是工作于單極性磁化狀態(tài)，測試開關變壓器的勵磁電流需要一個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便的方法，即：電流迭加法，來對開關變壓器進行伏秒容量進行測試。電流迭加法就是在開關變壓器線圈中迭加一直流電流，讓開關變壓器鐵芯進行磁化，然后，對開關變壓器的電感量進行測量，從而間接測量開關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是指開關變壓器鐵芯達到飽和時對應的VT值；而最大伏秒容量VTm 則表示實際應用中，開關變壓器的伏秒容量VT不應該超出的最大值。
圖7是采用電流迭加法測試開關變壓器電感量或伏秒容量的工作原理圖。圖7中，M是電感測試儀，LT是隔離電感，I是電流源，Lx為待測開關變壓器的初級電感。LT的電感量必須遠遠大于被測開關變壓器初級線圈的電感量，如果電流源I是一個理想的恒流源，那么隔離電感LT可以省去。下面我們來介紹圖7的工作原理。
一般進行電感測量的時候，都是讓電感線圈通過一個1KHz或10KHz的交流電，然后通過測試流過電感線圈的電流來間接測量電感線圈的阻抗（電感量）。由于流過電感線圈的電流很小，并且是一個交流，用這種方法測試到的電感量與電感線圈工作時呈現(xiàn)出來的電感量是有區(qū)別的，并且區(qū)別很大，因為開關變壓器鐵芯的導磁率不是一個常數(shù)。
如果讓被測試電感流過一個可變電流，就可以改變被測試電感磁化曲線的工作點，由此，就可以測試磁化曲線上任何一點的導磁率或者電感量，并且可以根據(jù)電感量的變化，找出磁飽和時的工作點，根據(jù)磁飽和工作點就可以進一步測量或計算出開關變壓器的極限伏秒容量VTmax。知道了開關變壓器的極限伏秒容量VTmax ，就可以根據(jù)使用者的實際應用情況來決定開關變壓器的最大伏秒容量VTm 。
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下面我們來分析，怎么樣定義迭加電流的大小和對開關變壓器伏秒容量VT的測試。
圖8是開關變壓器鐵芯留有氣隙的電流-電感或電流-磁感應強度函數(shù)曲線圖，在圖8中，X軸代表流過開關變壓器線圈的迭加電流I，Y軸代表開關變壓器線圈的電感L或開關變壓器鐵芯中的磁感應強度B；L-I為開關變壓器線圈電感L對應于迭加電流I的變化曲線，B-I為開關變壓器鐵芯的磁感應強度B對應于迭加電流I的變化曲線（初始磁化曲線）。
當?shù)与娏鱅 = 0時，測得開關變壓器線圈的電感量為L0，由于開關變壓器鐵芯初始磁化的時候，導磁率比較小，所以開關變壓器線圈的初始電感量L0也比較?。浑S著迭加電流I的增加，開關變壓器鐵芯的導磁率也會增加，所以開關變壓器線圈的電感量也隨著迭加電流I的增加而增加，當?shù)与娏鱅達到某個值（I = Ib）的時候，開關變壓器線圈的電感量達到最大值Lmax；隨后，隨著迭加電流I的增加，開關變壓器線圈的電感量反而減小，并迅速下降，當?shù)与娏鱅 = Is時，開關變壓器鐵芯的磁感應強度開始出現(xiàn)飽和（B = Bs），開關變壓器線圈的電感量將減小到差不多等于0。
實際上，圖8中改變迭加電流I的大小，其作用就相當于圖2-b)中的鋸齒電流 ，即：開關變壓器線圈的電感量是受流過開關變壓器線圈的直流分量調制的。如果我們把流過開關變壓器線圈的最大電流Im與開關變壓器鐵芯的最大磁感應強度Bm對應，那么，我們可以用圖8來定義流過開關變壓器線圈的最大電流Im和開關變壓器鐵芯的最大磁感應強度Bm。
由于最大磁感應強度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新概念：一個為極限磁感應強度Bmax，另一個為極限電流Imax。
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于此相對應，我們還定義：當流過開關變壓器初級線圈的電流I，使開關變壓器初級線圈的電感L下降到初始電感L0的90%時，此時流開關變壓器線圈的電流，我們稱之為極限電流Imax，對應開關變壓器鐵芯中的磁感應強度B，我們稱之為極限磁感應強度Bmax。
任何一個帶鐵芯的電感線圈都可以用圖7表示的測量方法，來測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。通過測量電感量，以及與其對應的極限電流值Imax，就可以計算出開關變壓器或儲能電感線圈的極限伏秒容量VTmax。在開關變壓器的使用過程中，任何時刻，都不能超出開關變壓器的極限伏秒容量VTmax。
反過來，我們還可以在特定的情況下，比如：在工作電壓最高、負載最重的情況下，先定義（或測量）開關電源的占空比或輸出電壓的脈沖寬度 ，然后計算出開關變壓器初級線圈電流的最大值Im，最后給最大值Im乘以一個安全系數(shù)K（K=1.43），其結果就是流過開關變壓器初級線圈電流的極限值Imax，即用于測量開關變壓器初級線圈電感Lx的迭加電流值。
由此可知，開關變壓器（反激式）在任何情況下，其初級線圈的工作電流都不能超過圖8中的Imax，對應的磁感應強度也不能超過圖8中的Bmax。
上面（8）式是用來計算開關變壓器初級線圈或儲能電感線圈電流的公式，式中 為流開關變壓器初級線圈或儲能電感線圈電流的最大值，即：當圖1中的開關K接通后，其持續(xù)時間等于 時刻，流過開關變壓器初級線圈或儲能電感線圈電流的瞬時值；E為開關電源的工作電壓，V為加于開關變壓器初級線圈兩端的輸入電壓（直流脈沖電壓），L1為開關變壓器初級線圈電感量。
（9）式是用來計算開關變壓器或儲能電感線圈伏秒容量VT的公式，與（8）式和（10）、（11）式對應。
（10）式是用來計算開關變壓器或儲能電感線圈的極限伏秒容量VTmax的公式。式中：VTmax開關變壓器或電感線圈或儲能電感線圈的極限伏秒容量，V為加于開關變壓器初級線圈兩端直流脈沖的幅度（單位：伏），Tmax為加于開關變壓器初級線圈或儲能電感線圈兩端直流脈沖的極限時間（寬度，單位：秒）；
Imax就是根據(jù)圖7對開關變壓器初級線圈或儲能電感線圈電感Lx進行測試時的極限迭加電流，即：當?shù)与娏鱅增加，使開關變壓器初級線圈或儲能電感線圈的測量電感Lx等于初始電感量 的0.9倍時，流過開關變壓器初級線圈或儲能電感線圈的迭加電流值。也可以把Imax看成是流過開關變壓器初級線圈或儲能電感線圈的極限電流值，此電流可以采用圖7和圖8定義的方法來測量； 為開關變壓器初級線圈或儲能電感線圈初始電感 下降到90%時的值。
這里順便說明， 與Imax，VTm與VTmax在性質上基本相同，只是后者用max來表示它是前者的極限值。
