磁飽和變壓器原理和特點

磁飽和穩(wěn)壓原理在廣電設備中的應用與檢修字數(shù)：3188

字號:大中小磁飽和穩(wěn)壓原理

1.磁飽和穩(wěn)壓原理。磁飽和穩(wěn)壓器是利用鐵芯的磁化曲線的非線性特性制成的。它的主要部分是一個飽和變壓器,其鐵芯截面與一般變壓器不同,初級線圈的截面積大,為非飽和線圈;次級線圈的鐵芯截面積小,為飽和線圈。當穩(wěn)壓器工作時,隨著電源電壓的增加,鐵芯內(nèi)磁通也隨之增加。當次級鐵芯內(nèi)磁通達到飽和點時,電源電壓再增加,增加的磁通只能漏到空氣中,而次級鐵芯內(nèi)磁通基本上不再增加,所以次級線圈所產(chǎn)生的輸出電壓也就基本不變了,起到了穩(wěn)壓作用。

上述穩(wěn)壓器為使線圈達到飽和需要很大的磁化電流,而且電感線圈在交流電路中進行磁電轉(zhuǎn)換的過程中,在電路中形成無效電流,由于電路中有電阻存在,勢必增加電源的無功損耗,使穩(wěn)壓器工作效率不高。為解決這一問題,在磁飽和穩(wěn)壓器次級線圈兩端并聯(lián)一個電容器,構(gòu)成并聯(lián)諧振回路,構(gòu)成諧振式磁飽和穩(wěn)壓器。當電源頻率與諧振回路的固有頻率相等時,即可產(chǎn)生振蕩,從理論上講,諧振回路內(nèi)電流無限大,因此使飽和鐵芯很快飽和。當諧振回路產(chǎn)生振蕩時,其阻抗視為無限大,因而諧振電路兩端電流很小,減少了電源的供電功率,提高了穩(wěn)壓器的效率。原理圖見圖1所示:

圖中,鐵芯面積大的一邊為非飽和區(qū),面積較少的為飽和區(qū),L3稱為電壓補償繞組。一般來說簡單型交流穩(wěn)壓器的缺點為輸入電壓變化會引起輸出電壓較大的變化,為此,我們工程上采取將非飽和區(qū)的一部分電壓與輸出電壓反向串接,抵消變化部分。L3和L1繞在非飽和鐵芯,L3與L2串聯(lián),單電壓方向相反,從而補償了輸出電壓的V0的變化,使之趨于穩(wěn)定。我們知道電感上電流比電壓相位滯后90°,電容上電流比電壓超前90°,如果電感和電容并聯(lián),加上同一個電壓電感上的支路電流與電容上的支路電流相互抵消,當二者大小相等時,盡管各自數(shù)值較大,但是供給該并聯(lián)回路的總電流卻很小,這種現(xiàn)象我們稱之為并聯(lián)諧振。鐵磁諧振的最大實用價值在于不要很大的輸入電流即可讓鐵磁回路呈現(xiàn)飽和,從而克服了穩(wěn)壓電源電路需要從電網(wǎng)吸收電流過大的缺點。

因此,我們把具有磁飽和性能的電源變壓器稱之為磁飽和變壓器又叫恒壓變壓器,它不僅具有交流穩(wěn)壓、抗干擾、電壓變換、過流保護等多種功能,而且結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟可靠,便于維護使用。自它問世以來,就得到了廣泛的應用,在工礦企業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、交通、電信、廣播電視等設備的電源中均有應用。磁飽和變壓器從外觀上看是一個單鐵芯結(jié)構(gòu),與普通電源變壓器的區(qū)別僅在于:磁飽和變壓器的初級線圈和次級線圈之間被一個帶空氣氣隙的磁分路分開,另外輸出線圈并聯(lián)一個諧振電容,而且諧振電容線圈可以和輸出線圈分開設置,以便利用提高振蕩電壓的方法來減少所需的電容量,尤其在磁飽和變壓器設計用于次級多組低壓輸出,諧振電容要和次級諧振線圈分開設置。

2.磁飽和變壓器的工作特點

1)優(yōu)點:

(1)結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高。

(2)電壓穩(wěn)定度高,穩(wěn)壓范圍寬。在額定負載的情況下,當輸入電壓在額定值的±20%的范圍內(nèi)變化時,輸出電壓穩(wěn)壓精度可限制在±1%范圍內(nèi),特別值得注意的是磁飽和變壓器的穩(wěn)壓范圍與輸出負荷量有關(guān),當輸出負荷減少時,穩(wěn)定范圍可相應加寬,磁飽和變壓器的穩(wěn)定范圍與負荷量有關(guān),這一特點是其他形式的電子穩(wěn)壓器所不具備的,這使得它更適用于電網(wǎng)電壓波動大的場合,比如戶外,農(nóng)村山區(qū),工礦等。

(3)磁飽和變壓器具有較強的抗干擾的能力,磁飽和變壓器的電路形式實際上相當于LC諧振濾波器,具有低通濾波器的特性,可以抵抗幾百到幾萬赫茲頻率的干擾。另一方面由于電源中總是含有一定的直流分量,會引起普通變壓器飽和,出現(xiàn)渦流損耗,而設計帶有磁分路氣隙的電容諧振磁飽和變壓器,可以最大可能降低這一危害,這點在環(huán)形變壓器使用中,尤其要注意。

(4)具有普通變壓器的功能。磁飽和變壓器與普通降壓變壓器一樣,具有初級和次級隔離、變壓、多路電壓輸出等。

(5)輸出功率保護。當磁飽和變壓器的輸出功率超出設計功率時,其輸出電壓就失去穩(wěn)壓功能,開始出現(xiàn)電壓跌落。與此同時輸入功率并不增加,但輸出短路時,輸出電壓為零,輸出電流小于額定輸出電流的1.5-2倍,而輸入電流不增加,磁飽和變壓器長期短路不會燒毀。這是其最重要的突出特點之一。因此得以在廣播電視發(fā)射機的燈絲供電廣泛應用。

2)缺點:

(1)批量產(chǎn)品一致性差。

(2)輸出頻率特性差。

(3)輸出波形不好,接近方波。

(4)溫升高、噪音大。

在廣電行業(yè)的典型應用與檢修

1.有線電視供電器

當前,放大器通常使用60V交流電源,并通過電纜饋送,供電器就是其中的專用器件。從電壓穩(wěn)定性角度來分,常用供電器有輸出近似方波的磁飽和穩(wěn)壓式供電器和輸出正弦波的非穩(wěn)壓式普通供電器兩大類,從有無過載保護功能來分,供電器可分為具有過載保護功能的自動供電器和沒有過載保護的普通供電器兩類。而具有穩(wěn)壓功能的電源供電器(也叫磁飽和供電器)成為有線電視網(wǎng)絡公司的選用量很大的一種供電器,據(jù)了解,我地網(wǎng)絡公司以采用該種供電器為主。關(guān)鍵的一點是維護便捷、工作量小,再者性價比高。如圖2所示:

圖中交流穩(wěn)壓電源變壓器的初級線圈L1是繞在截面積較大的鐵芯上,在截面積較小的鐵芯上繞有次級線圈L2外,還有與次級線圈L2同相位繞制的附加線圈L3,與次級線圈L2反相位繞制的補償線圈L4兩組線圈。其中線圈L3繞組與電容器C組成并聯(lián)諧振電路,其諧振頻率在50HZ,這樣就導致了該電源變壓器輸出呈感性,提高交流穩(wěn)壓器輸出功率因數(shù)COS。補償線圈L4是起到了調(diào)整輸出電壓穩(wěn)壓值的作用。因為它與次級線圈L2反相位繞制,并且和次級線圈L2串聯(lián)連接。當因初級電壓的大幅度升高而引起L1中電流的大幅度升高,從而導致以處在磁飽和狀態(tài)的次級線圈兩端電壓略有升高,因補償線圈L4兩端的電壓也同時升高,這樣就抵消了因初級線圈兩端電壓的大幅度升高而引起次級線圈L2中電壓的大幅度升高。

1)磁飽和交流穩(wěn)壓器檢修

當磁飽和交流穩(wěn)壓器沒有電壓輸出時,通常是穩(wěn)壓電源變壓器沒有發(fā)生諧振,表現(xiàn)為諧振電容器損壞。此電容器是高耐壓無極性交流電容器(450V/15-20F國產(chǎn)CBB60/61/65系列等)。在應急修理時可用兩只洗衣機(空調(diào)器、大功率電動設備的啟動電容器等)電機啟動電容器串聯(lián)/并聯(lián)組成電容器組代換(選用時注意,耐壓值最好在630V以上,更換時要盡量和原來一樣,過大容易讓變壓器溫升過高,降低電源的安全穩(wěn)定性,過小則功率不夠,電壓跌落明顯),并在每個電容器兩端各并聯(lián)一個10W以上的500K-750K的均流平衡電阻,避免電容過早損壞。

2)磁飽和交流穩(wěn)壓器調(diào)整

如果,變壓器檢修過,或者重繞線圈,則要重點做好次級輸出電壓的調(diào)校。在交流穩(wěn)壓器的輸入端接一個220VAC自耦調(diào)壓器,輸出端接一個與其輸出功率相當?shù)募儇撦d,并在其兩端并接一塊交流電壓表。當改變交流穩(wěn)壓器的輸入電壓時從低到高時候,在輸出端會有一個電壓跳變升高并穩(wěn)定在設計的值上,此時的輸入電壓就是交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓范圍內(nèi)的初級低端穩(wěn)壓值。如果此時輸出電壓隨著輸入電壓繼續(xù)升高,說明補償線圈L4與次級線圈L2連接反了,重新調(diào)整接線端子即可。

隨著有線電視數(shù)字化,雙向化改造,自動穩(wěn)壓供電器也會隨之發(fā)展進步。

2發(fā)射機燈絲供電單元

1)燈絲供電回路的原理原鞍山廣播電視設備有限公司產(chǎn)的GSUF-3-III型3KW分米波電視發(fā)射機,我臺于上世紀末期購進此型機用于27頻道播出,由于,我們維護保養(yǎng)措施得當,多年來較少發(fā)生故障,維護量小,運行穩(wěn)定可靠。其燈絲供電部分為交流磁飽和恒壓變壓器供電,多年來,燈絲電源始終沒有大的毛病。中小功率發(fā)射機燈絲電路原理圖如下:

從圖3中可見,該電路核心是交流恒壓諧振式磁飽和變壓器T,電阻R(150/100W)起降壓作用,當繼電器K未閉合時,來自總電源大盒的220V交流電壓經(jīng)電阻R降壓后輸入到T的初級,此時次級輸出給燈絲的電壓約為2VAC,即常說的黑燈絲加壓預熱狀態(tài),此舉被證明可有效延長電子管的工作壽命。降壓電阻R的大小決定黑燈絲電壓的高低,經(jīng)過30秒延時后,來自燈絲電壓調(diào)整板的控制電壓信號使繼電器K吸和,T進入額定的220V市電,同時接入諧振電容產(chǎn)生諧振鐵磁飽和,次級輸出燈絲電壓變?yōu)?.9V全壓,該諧振電容C(6f/630VAC)同T的一個繞組構(gòu)成諧振回路,進入飽和諧振狀態(tài),諧振電壓為400VAC。而關(guān)機后K釋放斷開,燈絲電壓重新回到2V,恢復進入黑燈絲狀態(tài)。

圖4為3KWUHF交流燈絲供電原理圖:圖中,為分流式磁飽和恒壓變壓器,當輸入電壓在額定值的±10%范圍內(nèi)變化,輸出穩(wěn)壓精度限制在±1%范圍,之所以采用這種供電技術(shù),我想與大功率電子管的燈絲電壓要求高有關(guān),一是要求恒壓供電,否則過低過高極易造成燈絲提前老化,二是燈絲電流很大,如圖的3KW發(fā)射機采用國產(chǎn)FC-307(進口的對應型號為法國湯姆遜的TH382)的管子,設計的電流達到146A/AC。工作原理:總開關(guān)合上,機器處于黑燈絲慢預熱狀態(tài),當合上低壓空開后,風機啟動,風接點接通時,繼電器K1吸合,此時次級輸出電壓為半壓,約為2VAC,面板指示燈為紅色,此時諧振電容值較小,延時預熱90S后,允許燈絲上全壓,繼電器K2得電吸合,此時變壓器處于飽和諧振狀態(tài),輸出全壓。此時的諧振電容容量為10微法。圖中的次級燈絲端并接的可調(diào)線繞大功率電位器為提高交流燈絲供電電位,采取交流補償技術(shù)以獲得較高的低頻信雜比(1KHZ),這對于明顯改善機器技術(shù)指標而造價低廉的措施。比如筆者為了改善自制電子管耳機放大器也采取了類似的技術(shù)手段,效果是很明顯的,背景噪音極低,幾乎聽不到。該技術(shù)指標一直是機器必備的技術(shù)指標檢測項目。

具體元件參數(shù)為:圖中R為100W/100,RP為WX-25W-3.3,K1、K2為24VDC繼電器,C1為CH82-8f-2000V,C2為CH82-2f-2000V。

(2)故障檢修

例一:圖3中1KW分米波電子管發(fā)射機在正常發(fā)射中,出現(xiàn)發(fā)射功率降低。

故障分析:在排除前級等其它因素后,判斷原因出在末級。

從面板工作時間長度和值班記錄看到,該管工作壽命已到,需更換新管。換新后功率仍偏低,此時測燈絲電壓約有4.5V,偏低。

排除過程:首先檢查諧振電容,發(fā)射機用的一般都是高壓油浸鐵罐密封電容器,拆下電容C測量,發(fā)現(xiàn)已失效,因手頭沒有6f/630V電容,用4f電容代換,但空載電壓也只有4.8V。繼而懷疑變壓器是否出現(xiàn)匝間短路,為了最終判定變壓器是否損壞,終于在維修電機門市找到1只拆機6f/630V電容替換后,燈絲電壓5.9V,恢復正常。諧振電容容量異常,首先改變了諧振頻率,進而會直接改變諧振電流的大小,最終影響到次級線圈的飽和深度,間接會影響到輸出電壓的大小。因此更換電容C時一定要保證和原值同樣大小,最好是油浸電容,耐壓一定不要低于原值。

例二:圖4中3KW分米波發(fā)射機,在某天夜間出現(xiàn)末級功率掉下來,面板燈絲指示燈亮紅燈。

經(jīng)檢查,發(fā)現(xiàn)電容C1正常,C2外殼發(fā)熱,表面布滿了油污,測量容量已經(jīng)很低了,外殼標示為15f/2KV?？磥黼娙菀呀?jīng)壞了,從另一備用機器拆下同規(guī)格的電容代換,試