逆變電源變壓器偏磁原因分析

　　與普通變壓器的工作狀況不同，逆變電源變壓器容易出現(xiàn)偏磁問題，偏磁是逆變電源變壓器的特有現(xiàn)象。這是由于當(dāng)變壓器鐵心中的磁感應(yīng)強度存在直流分量時，磁感應(yīng)強度的波形正負(fù)半波不對稱，或向上偏或向下偏，這種現(xiàn)象稱為變壓器的偏磁現(xiàn)象。偏磁嚴(yán)重時會導(dǎo)致變壓器鐵心出現(xiàn)磁飽和。變壓器磁飽和對整個電源系統(tǒng)的正常運行將產(chǎn)生極其不利的影響，表現(xiàn)在以下幾個方面：

　?。?）變壓器飽和時，由于勵磁電流很大，將導(dǎo)致逆變器開關(guān)器件的電流過大，可能使過流保護(hù)動作或開關(guān)器件損壞;

　?。?）變壓器飽和時，由于勵磁電流中含有大量的諧波成分，諧波電流在變壓器漏感上的諧波壓降將導(dǎo)致輸出電壓波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變;

　?。?）變壓器飽和時，由于勵磁電流很大，將使變壓器的發(fā)熱及噪聲增加。

　　于是對逆變電源變壓器偏磁產(chǎn)生原因進(jìn)行深入研究，并提出有效的抗偏磁措施顯得尤其必要，本文將在下面進(jìn)行探討。

　　設(shè)I1、I2分別表示逆變電源變壓器原邊、副邊的電流，H表示鐵心中的磁場強度。NI，N2分別表示變壓器原邊·副邊繞組匝數(shù)。L為變壓器鐵心的磁路長度。由安培環(huán)路定律得：

　　H*L==I1*N1+I2*N2（2.19）

　　設(shè)u1dc、i1dc分別表示u1、i1中的直流分量。Hdci2dc分別表示H，i2中的直流分量。R1表示變壓器原邊繞組的電阻。由（2.19）式知，變壓器中直流分量產(chǎn)生的磁場強度為：

　　Hdc=1/L（N1*u1dc/R1+i2dc*N2）（2.20）

　　由（2.20）式知，造成逆變電源變壓器出現(xiàn)偏磁的原因有兩個：

　?。?）變壓器原邊電壓中存直流分量;（2）變壓器副邊電流存在直流分量。

　　在逆變電源系統(tǒng)中，如果給定的正弦波或者三角載波中存在直流分量，或反饋所用的霍爾元

　　件存在零點漂移，或開關(guān)管驅(qū)動信號的死區(qū)時間不一致等都會導(dǎo)致變壓器初級電壓中存在直流分量;當(dāng)逆變電源的負(fù)載是單相半整流負(fù)載時，變壓器次級電流中也將出現(xiàn)直流分量。

　　逆變器變壓器偏磁校正方法介紹

　　1、前言

　　在SPWM開關(guān)型變換器中，主變壓器的偏磁可以說是一種通病。只是在各種應(yīng)用場合中，表現(xiàn)的程度不同而已。偏磁的后果是十分嚴(yán)重的，輕則會使變壓器和功率半導(dǎo)體模塊的功耗增加，溫升加劇，變壓器的機械噪聲增大（當(dāng)開關(guān)頻率或調(diào)制頻率在聽覺范圍內(nèi)時），嚴(yán)重時還會損壞功率器件，使逆變器不能正常工作。因此，抗偏磁是開關(guān)型逆變電源的的關(guān)鍵問題之一。

　　本文在比較分析了PWM和SPWM變壓器鐵心的不同磁化過程的基礎(chǔ)上，提出了SPWM型逆變電源抑制變壓器偏磁的新方法，即以逆變橋各橋臂中點電壓作為反饋來抑制直流偏磁。并已成功應(yīng)用在400Hz單、三相系列變頻電源中，驗證了該方法的實用性和可靠性。

　　2、變壓器鐵心的磁化過程及抑制偏磁方法比較

　　開關(guān)型逆變電源主變壓器鐵心的電磁過程與普通變壓器一樣均滿足電磁感應(yīng)定律，為方便分析可認(rèn)為繞組電阻，漏感，變壓器分布電容等都等于零。這樣，加到變壓器初級繞組的電壓u1和繞組感應(yīng)電勢相平衡。因此，

　　式中：B為鐵心的磁感應(yīng)強度；

　　S為鐵心截面積；

　　N1為初級繞組匝數(shù)；

　　kT為鐵心面積的有效系數(shù)；

　　φ為變壓器主磁通。

　　由式（1）可得磁感應(yīng)強度

　　式中：Br為t=0時鐵心中的磁感應(yīng)強度。

　　為分析方便將式（2）寫為增量形式并考慮到在PWM和SPWM型逆變器中，u1為幅值恒定的脈沖量，因而磁感應(yīng)增量變成

　　從而磁感應(yīng)增量ΔB（t）成為時間的線性函數(shù)。對于全橋PWM型逆變電路，正常情況下，變壓器正、反方向的方波“伏－秒”面積相等，鐵心的磁感應(yīng)強度與方波脈寬成正比，變化如圖1（a）所示，且磁化曲線對原點對稱。而SPWM型逆變電路中各個脈沖的寬度不一樣，而且隨載波比的變化而變化，ΔB（t）的大小與SPWM脈沖寬度成正比關(guān)系，其電壓波形和鐵心中的磁感應(yīng)強度的波形如圖1（b）所示。此時，磁化曲線在一基波周期對原點對稱。

　?。╝）PWM型變壓器鐵心磁感應(yīng)強度

　　（b）SPWM型變壓器鐵心磁感應(yīng)強度

　　圖1變壓器原邊電壓及磁感應(yīng)強度

　　當(dāng)變壓器原邊含有直流成分時，PWM型變換電路的正、反方向的方波“伏－秒”面積不再相等，磁通將向某一方向逐漸增加，最終導(dǎo)致變壓器鐵心磁感應(yīng)強度超過飽和磁感應(yīng)強度而飽和，磁化曲線將不再對原點對稱。在SPWM型變換電路中，當(dāng)含有直流成分時，將在變壓器鐵心中產(chǎn)生恒定的磁鏈。從而使得變壓器磁通在基波周期將不再是正、反方向相同的正弦波，其范圍將由正常時的±Δφ1m變?yōu)椋う?m＋φd～＋Δφ1m＋φd，變壓器磁感應(yīng)強度變動范圍也由正常時的－B1m～＋B1m變?yōu)锽d－B1m～Bd＋B1m，磁化曲線也將不再對原點對稱，導(dǎo)致半導(dǎo)體開關(guān)管損壞。

　　不少科技工作者根據(jù)自己的工程實踐，提出了一些減小偏磁的辦法，并取得了較好的效果其中有些辦法僅適用PWM型直流變換器可以采用校正每個開關(guān)周期的脈寬來消除偏磁，不存在對輸出波形的影響。而SPWM正弦波逆變器的每個開關(guān)周期脈寬本來就不相同，采用此方法會導(dǎo)致嚴(yán)重地偏離SPWM模式，產(chǎn)生調(diào)制失真，最終使輸出波形發(fā)生畸變。對于SPWM正弦波逆變器。