可控硅整流电路变压器、滤波电感噪声问题的分析与对策

摘要：可控硅整流电路应用广泛，但由于其以控制导通角的大小实现调压功能，致使其以非正弦波方式工作，就造成了工作时机器有振动和噪声的问题。本文详细叙述了如何综合治理及找出强振点完满解决这一问题的过程及可采取的对策。
关键词：可控硅　　　振动和噪声 综合治理 强振点

1 引言
2001年6月份在宁波召开的中国电源学会变压器、电感器专业年会上有人提出：“用可控硅电路供电，变压器噪声大如何解决”的问题；当时并未在意，回来后忽然想起几年前我们就经历过解决这种叫声的难题，现特整理出来供业界同仁参考。
2 振动噪声需综合治理
几年前，远在北京的某单位委托我们为其设计、制造48V/10A充电机及三相整流器作为配件装入其机柜中。我们的充电机主回路为单相半控桥式整流电路，以控制可控硅的导通角实现恒压、恒流充电。在调试、考机过程中并未感觉到有多大的振动和噪声；到用户处装入机柜的大多数设备的响声还是可以接受的，个别设备的响声达到了农用拖拉机轰隆、轰隆的响度。对方认为是我们的充电机产生了如此大的声音；我们将发出轰隆、轰隆的响声的那台充电机从机柜中取出，用长电缆转接，通电后提在手中或放在地面就不那么响了，故我们认为是机柜设计、制造得不好引起共振造成的。双方争持不下，最后还是对方做出了‘让步’，说：既然如此，以后机柜也由你们做，你们要保证消除叫声。这下子可好，把全部难题都"转让"给我们了，我们还不好推辞。话又说回来，如果不这样，双方相隔千里，如何协调？也只有如此，我们不得不进行全面而又重点的综合治理，使此问题得到圆满地解决。

3 把预料中的各种振源及共振降至最低
回来后，我们对机柜进行了重新设计，能焊接的零部件绝不用紧固件连接，尽量减少活动连接，铰链、锁件等绝不用三无产品，严谨设计，精确加工，认真装配，消除一切可能松动的因素，杜绝共振条件。
变压器、滤波电感是振动与噪声之源头，更是马虎不得，设计时磁通密度B值应留有余量，装配时，线圈与铁芯间必须塞紧，再将其整体浸渍，使其尽量保持一体化。经过这么一番治理，强烈共振已不再发生。虽然设备在运行中发出的声音与一般电源略有不同，用户已可接受。

4 查出隐藏在角落中的强振点
在电源调试过程中，常常用小起子放在滤波电感的气隙某点，如图-a处，看是否会发出笃、笃、笃的声音，以此即使不看电流表也可判断电感中有无充电电流流过。此事虽经过千百次，但从来也没有和分机、机柜的振动、噪声联系过。一天，突然想到用小起子会发出笃、笃、笃的声音，不妨用一个大起子接触气隙处看看，结果振动强悍无比，并带动整个充电分机发出共振的隆隆声。由此使我们明白了：此处漏磁场十分强大，没放起子未听到笃、笃、笃的声音并不代表其震撼力不存在，只是被周围空气吸收了，或者说其能量储存在空气中了。而隐藏在分机角落与滤波电感气隙相对的底板处，如图-b，底板在此就如同一个更大的起子在受着漏磁场的撞击，其处震撼力已不是小起子接触气隙某点的情况，而是比我们前面所提到的力大许多倍，其能量储存于滤波电感的铁芯和底板之间，多数情况之所以并未感觉到什么振动和声音，只是条件未形成而已，一旦共振条件成熟，必然会发出强烈的振动和噪声。

5 震撼力分析及对策
众所周知电磁拉脱力的概念广泛地应用于继电器、自动装置和气动装置等领域；其实际上就是利用磁力线无始、无终的特性，在磁路中加一气隙通过连接机构产生拉脱力为人们服务，其力大小为：

式中B为工作磁通密度（伏·秒/）
S为磁路的有效截面（）
μ。为真空导磁率μ。=4π×（亨/米）
假如把μ。的代入上式，力的单位用公斤表示则上式可写成

当式中B为工作磁通密度（特斯拉）
S为磁路的有效截面
上式可简化为：

我们的滤波电感虽然没有连接机构，也不希望有什么拉脱力；但因为电感的气隙较大以及气隙旁有铁磁性物质的底板，气隙处的磁力线闭时会因走捷径涉及到了1.5毫米厚的底板，而底板又不能做到相对的纹丝不动，因而不可避免的产生了拉脱力；48V/10A充电机的滤波电感B值为1.35特斯拉，S为12.83;我们不妨计算一下在此条件下可能产生的拉脱力，以此代入上式

这是整个气隙处可能产生的拉脱力。虽然铁磁物质对磁力线有聚集作用，但我们的滤波电感只是某柱边缘与近处铁磁性底板间产生拉脱力，当然应大打折扣。若以1/10计算，其有近10公斤的力。加之我们的电路为单相半控桥式整流电路，其频率为100HZ， 若机箱、机柜不够牢固，所引起的振动又属于有源的能够持续克服阻尼的强迫振动，在振动学中激振力的振幅与频率的平方成正比，一旦共振，当然就会表现为如同农用拖拉机轰隆、轰隆的响度以及具有震撼无比的威力。
对策：
1. 架空空气隙，在气隙附近除铁心外不应再有其他铁磁性物质，安装时应尽量避开机箱底板等结构件；我们用的是GEB30X45型铁心，将滤波电感架高15毫米以避免底板受到磁力线的撞击，结果收到了立竿见影的效果，分机和整套设备再也没有以往的异常的声音。几年来我们已提供了数千台设备，对方从那时起再也没有提出什么振动与噪声问题。
如果滤波电感采用CD型铁心，因气隙在铁心腰部，这时气隙处已不存在大的铁磁性结构件，但箍带为0.2-0.3毫米厚的"钢"带，可以推断“钢”质箍带同样会受着漏磁场的撞击并且发生振动而产生异常的声音；解决方法为：（1）小型CD型铁心电感可整体浸渍3404漆，使“钢”带与铁心和线圈一体化，“钢”带虽受着漏磁场撞击但不再单独振动，即使有可能产生异常的声音，声音的强度也会大大减小；当然，最好不用“钢”带而采用强度较高的磷青铜箍带会收到更好效果。 （2）大型CD型铁心电感除综合治理外，可采用螺栓拉紧铁心的方法解决这个难题。
2. 根据拉脱力与磁通密度的平方成正比的原理，降低铁心的磁通密度可直接收到良好效果；但这需要相应增加滤波电感的体积和重量。■