如果一顿饭,我们已经吃得很多,肚子不能装下更多的东西时,我们称为“饱了”。而在变压器中,也会发生类似的情况。
根据安培定律:任何通有电流的导线,都会在其周围产生磁场。电流(电压)增加,磁场强度也会增加,但这种增加并不是无限的。
当变压器磁场达到一定水平时,电流(电压)的增加无法使得磁场强度继续增加,或者增加比较缓慢时,我们称之为“变压器磁饱和”。
一旦发生磁饱和,变压器将无法继续正常工作,互感作用消失,变压器实际的初次级电压比将会发生变化。次级输出的电压,不再是我们要求的电压,输出电压波形发生畸变,直接影响产品正常工作。
其次,变压器也不能有效地将能量从初级传递到次级,整个变压器效率降低。完全饱和时,变压器相当于一根导线,电流急剧增加,变压器快速发热,很容易就会导致变压器烧毁。
变压器发生磁饱和的原因很多,总体来讲可以分为四类:1.变压器过载;2.电网电压波动或突变;3.电源电压不稳定;4.铁芯饱和。
前面三种主要是外部原因导致,通过调整负载、安装稳压器、调整电网电压可以解决。第四种则与变压器的设计与磁芯选型息息相关,本篇重点讲讲。
在变压器中,电感量与磁通量的关系,可以用以下公式表示:
其中:L代表电感量,μ代表磁导率,N代表圈数,A代表线圈穿过磁芯的有效截面积,Φ代表磁通量,t代表时间。我们发现,当变压器感量越小时,磁通量越小,此时越不容易饱和。因此,变压器可以通过开气隙,来提高变压器的抗饱和能力。气隙越大,电感量越小,变压器的抗饱和能力越强。
在电感量一定的情况下,如果变压器圈数越多,磁通量越小,此时越不容易饱和。这种情况下,可以适当增加变压器的圈数,来提高变压器的抗饱和能力。线圈穿过磁芯的有效截面积越大,变压器越不容易饱和。我们可以选用截面积更大的磁芯,此时相应磁芯的尺寸可能会更大。磁通变化率越快(dΦ/dt),变压器工作的频率越高,我们需要选择磁导率更低的磁芯,才能提高变压器的抗饱和能力。因此,对于高频变压器而言,选择合适的磁芯材料,是防止变压器磁饱和的重要手段。常见的非晶磁芯磁导率较高,多在1.0-1.7T,使用的最高频率在50KHz;锰锌铁氧体磁芯导率在2000~5000之间,使用的频率可以达到100KHz;镍锌铁氧体的磁导率多在20~2000左右,其最高工作频率可达MHz级别。
就电源电路而言,也可以同步通过设置软启动,避免变压器输入电流上升过快,从而达到避免变压器发生磁饱和的目的。