超声清洗设备输出变压器偏磁分析与控制

　　在大功率超声波清洗设备中,输出变压器是超声电源的关键部件[1-5],它不像电源变压器那样只考虑本身的效率,也不像脉冲变压器那样只要不失真地传递原边的脉冲波形.它的主要功能是电压变换、功率传递和实现输入与输出间的电气隔离以及阻抗匹配.其性能不只涉及本身的效率、发热等,还将影响设备的技术性能,甚至会影响功率放大管的寿命.目前国内外大功率超声电源普遍采用全桥或半桥功率放大电路,优点是电路结构简单,输出功率大,效率高.但这种电路容易造成输出变压器偏磁积累,产生直流偏磁,使磁芯严重饱和,导致输出变压器励磁电流急剧增加[6-11],变压器瞬间严重发热,最终使超声清洗系统的工作状态和性能急剧变坏,甚至烧坏功率放大管.本文深入分析引起变压器产生偏磁的原因及主要因素,旨在提出抑制和预防磁饱和的方法和措施.

　　1 变压器磁化过程分析和偏磁现象

　　在大功率超声波清洗设备中,超声电源的功放电路广泛采用如图1所示的全桥功率放大电路,BG1-BG4为大功率开关晶体管并组成桥路,u1、u2为两路基级方波驱动信号,T为输出变压器,L为换能器匹配电感, D1-D4为高压保护二级管,RL为换能器等效负载.在基极方波信号u1、u2的作用下两桥交替通断,其输出方波信号经变压器T耦合至换能器等效负载RL,输出功率为几百瓦至几千瓦不等.由于大功率超声波清洗设备大多工作于20~80kHz之间,所以输出变压器T传送的是高频方波,在忽略变压器漏感、绕组电阻及分布电容等因素情况下,可把变压器看作为铁心线圈.所以变压器初上施加的电压u和工作磁通5及磁感强度B的关系为

　　式中u为变压器原边电压,N1为变压器初级绕组匝数,S为变压器铁芯有效载面积.

　　由(1)式可得磁感强度为

　　(2)式中U为功放电路直流母线电压,Br为t=0时铁芯中的磁感强度,ton为开通时间.从(2)式可以看出,在每个单一脉冲时间内磁感强度的增量ΔB(t)为

　　从(3)式可以看出,磁感增量ΔB(t)与电压U和开通时间ton成线性函数,即加于变压器初级的正向和反向方波信号的脉冲宽度(t1=t2)、脉冲振幅相等(U1=U2)时,如图2a所示的平衡状态磁感强度从最大值Bm经零到达最小值Bn或相反.在共同休止期,磁感强度保持方波结束时的数值,正反向最大工作磁感强度相等,磁芯工作点沿着磁滞回线对称地往复移动,无磁偏存在,此时励磁电流im沿着中点往复移动.而在图2b、c所示的不平衡状态,磁通在一个周期终了不能返回到起始点,而在一个方向将渐渐增大,最终产生直流偏磁,使工作区域偏向某一象限.下个周期内,如果正反向脉冲的伏秒积的差不再增加,此时偏磁不会增加,但也不会自动消除.如果伏秒积的差一直存在,则偏磁不断积累,磁芯初渐进入深度磁饱和.图3是磁芯进入偏磁时磁化特性与励磁电流及磁通的示意图,由于变压器一般采用软磁材料,其磁滞回线细窄,图中忽略了磁滞而用起始磁化曲线.在图3中实线表示无直流偏磁时的磁化电流曲线,可以看出,磁化曲线始终处于近似线性工作区,励磁电流只有很小的基频电流.点画线则表示有直流偏磁时的磁化电流曲线,流经变压器绕组的直流电流ic成为励磁电流的一部分,该直流电流使变压器铁心偏磁,改变了变压器的工作点,使原来磁化曲线工作区的一部分移至铁芯非线性区ab段,其变化斜率增大,磁化电流迅速增高,总的励磁电流增加为直流偏磁电流ic、正常基频励磁电流ib和磁饱和附加励磁电流ia之和,远大于无偏磁时的基频励磁电流,即流过变压器的励磁电流急剧上升,变压器温度也急剧升高,导致功率放大管承受大的电流电压而损坏.偏磁电流越大,电流畸变越严重,此时变压器原、副边电流的比值关系不再符合正常工作时的比例关系.