脉冲变压器磁心的能量损耗分析
在设计脉冲变压器时,如何确定其效率的最佳值、极限工作频率和其它一些能量参数,是需要解决的重要问题。影响这些量值的基本因素是脉冲变压器的磁心损耗,尤其是窄脉冲时,只有在脉冲延续很长时间,铜损才起主要作用。
有关计算反复磁化损耗的方法很多,但其中的一些方法没有注意到磁化曲线的非线性特征。设计师们都清楚,精确地计算磁心中的能量损耗只能以实际的磁化曲线为基础,因为反复磁化损耗是由反复磁化动态曲线的内部面积所决定的。
脉冲变压器磁心的基本工作状态是在电流脉冲串或电压脉冲串作用下的单极磁化。磁心在正脉冲作用下时,将在磁滞曲线“顶部”即在剩余磁感应强度Br到饱和磁感应强度Bs之间反复磁化。在这个区域中主要发生的是可逆磁化过程,同时采用坐标系(BΔ、H)描述。这里的BΔ是可逆的磁感应强度分量。
BΔ=BΔ(t)=B(t)-Br
在设计脉冲变压器中,工程师所遇到的大多数实际情况是,脉冲变压器磁心被周期性的脉冲串磁化,其结果是产生了反复磁化的动态曲线。在坐标系(BΔ、H)中,该曲线是闭合曲线L,其参数方程式为:
BΔ=BΔ(t);H=H(t)
所以,确定单位能量损耗就是求出闭合曲线L所包围的平面面积。磁心的损耗计算式为:
将曲线积分化为另一确定的表达式为:
(1)
式中,tk——磁化脉冲的周期。
为了具体使用方程式(1),必须求解函数BΔ(t)和dBΔ(t)/dt。在对磁心进行反复磁化时,若没有涡流产生或者生成的涡流很小,则磁感应强度BΔ(t)在动态情况下可由下式求得:
(2)
式中,ΔBs=Bs-Br;Rmo——引入的动态电阻的初始值;μo=4π10-7H/m——真空磁导率;wp=Rmo/μΔo——可逆过程的驰预频率;μΔ——在点(H=0, B=+Br)上可逆过程的磁导率。
函数dBΔ(t)/dt由方程式(2)对时间微分得到。
为此,根据方程式(1)、(2)可以求出磁心在给定连续函数H(t)作用下反复磁化的单位能量损耗。
然而,在大多数实际情况中,磁化脉冲并不能描述为一个连续函数H(t)。为了定义外部影响,不得不使用分段连续函数的形式(即认为to=0)。
(3)
式中,i=1, 2……, k。
这里的表达式(1)表征为:
(4)
从方程式(2)中,得到的磁感应强度可逆分量BΔ(t)的计算公式为:
(5)
由方程式(5)中,得到磁感应强度可逆分量的变化率为:
(6)
方程式(4)~(6)的计算非常复杂,它们的解析解只有脉冲变压器磁心在一串振幅为Hm和脉宽为tn的理想脉冲场磁化时才能求得。
(7)
方程式(7)描述了脉冲变压器磁心单位能量损耗对磁感应强度BΔ和脉冲宽度tn的依赖关系。也就是说,在计算脉冲变压器工作状态时,必须了解这些依赖关系。在给定脉冲宽度的条件下,按方程式(7)计算得到的单位能量损耗可能是最大的值。
我们在上面所研究描述的情况是理想的脉冲变压器。实际上最经常遇到的情况是脉冲变压器磁心是受梯形脉冲串作用下的磁化。作为例子,在图1中,我们给出了单位能量损耗PΔ=f(BΔ, tn, tφ/tn)的关系曲线。计算中使用的磁心型号是1100HMu,并有以下参数:Bs=0.35T;Br=0.17T;Hc=23.4A/m;μΔ=1300;Rmo=42000Ω/m。计算时,假设磁心受前后沿相同的tφ连续梯形脉冲场的作用。磁化脉冲参数以分数形式表示。分子为tn,单位为μs;分母为tφ/tn。
分析结果表明:单位能量损耗本质上依赖于脉冲宽度和脉冲前后沿。随着脉宽减小,损耗随之增大;损耗与脉冲前后沿成反比关系,即损耗随着脉冲前后沿增长而减少。
图1中同时给出了tn=1时和0.3μs时的试验数据(图中虚线所示)。对试验数据和计算数据进行精确的比较是困难的。因为图中没有规定磁化脉冲的前后沿数据,而损耗实际是受此制约的。但从图1中可见,PΔ=f(BΔ, tn, tφ/tn)的计算值和试验实质上是一致的。不仅如此,单位损耗值在两种情况下互相近似。
因此,方程式(1)~(7)可以用来计算脉冲变压器磁心在任意形状的周期性脉冲串作用下反复磁化时的单位能量损耗,并且能被用来确定效率,极限工作频率以及其它的能量参数。
(参考文献略)
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