设为首页 | 加入收藏| 回到旧版 | 繁体中文  
本公司专业设计制作振动整列送料机,精密铝合金振动送料机。行销以来,产品品质及专业服务已受到业界的高度肯定。
产品搜索:
 
首页       关于我们       企业新闻       产品展示       企业荣誉       下载中心       人才招聘       在线留言       联系我们
 
 
  您当前位置:网站首页 > 当前时间:
 
 
 关于我们
· 企业新闻
· 行业新闻
· 技术文档
· 产品问答
 
  企业新闻  

参数变压器的原理及应用
发布者: 发布时间:2011-3-8 阅读:169

1 参数功率变换器
参看电动力学方程(1),这里传输电能可通过两种途径来达到:①通过磁通耦合;②通过参数耦合。
                   (1)
现在的无源器件:如变压器和铁磁谐振变压器,几乎无例外地依照方程(1)中的磁通耦合项来工作。但是,下面介绍的:
参数变压器(PARA FORMERTM),它却是依照方程(1)中的参数耦合项来工作。(因此,与该器件有关的磁通耦合或互感,实质上等于零。)从这种能量传输概念看来,参数变压器展示出在现有磁通耦合器件中不可能得到的独特工作特性。
2 参数变压器(PARA FORMERTM)
当把参数变压器变成可能做到的器件时,关于参数功率传输的概念就很容易理解了。
最老式的无源功率变换器件就是普通的变压器。(图1):这得回溯至180年前,它是把两个线圈绕在一个叠片铁芯上。这铁芯为相关的磁场提供一种低磁阻回路,在合成的高效电功率传输下,在两个线圈之间发生着强烈的“磁通耦合”。
Dr. sola发明了一种无源功率变换器件——铁磁谐振变压器(Ferroresonant Transformer-FRT)(图2)。
这种器件把两个组件(在普通的变压器中不用)结合起来。①分路磁心;②谐振输出电路。这种器件提供了一种重要的工作特性,这在普通变压器是不能得到的。即:在输入电压变化时,输出电压相对稳定。但是,要注意:电能传输的基本机理,仍然和普通变压器是一样的——“磁通耦合”。
因为普通变压器和铁磁谐振变压器都按照“磁通耦合”或互感来工作,它们在功率传输应用中,至少有一个明显的缺陷——无能力处理输入电压上存在的波形失真和噪声干扰。
这两种器件都会让这种干扰传到各自的输出端上。
而参数变压器(图3),校正了这种缺陷。此外,还具有前面提过的无源功率器件中不能得到的功能:——经过滤波的输出电压,和变压器及铁磁谐振变压器一样,参数变压器也有初级和次级绕组以及叠片铁芯。但是,参数变压器的这两个绕组之间不存在互感。因此,跟输入电压相关的噪声干扰及不规则变化,就不会在输出端重现。
图4为参数变压器的一种设计形式(两个C型铁芯,转90°,组合)。注意:在这种拓朴中,初级绕组中的磁通不和次级绕组的交链,而次级绕组中的磁通也不和初级绕组的交链。(当然,古典的磁通耦合或互感耦合也为零)。但是要注意:初级磁通却能调制同次级绕组相关的磁阻。从而,输入电参数就能调制次级电感量。
借助方程(1)中的“参数耦合项”,就可在把电功率从初级传输到次级时,实现这种调制。进而,这种功率,就维持着次级振荡,并提供传输到负载上的功率。正是这种独特的参数传输功率机理,使得参数变压器成为一种很有用的器件。
表1归纳了参数变压器的某些相关优点(和普通变压器,铁磁谐振变压器比较)。
从表1可看出:参数变压器本身就具有对电网电压的调节能力和对电网电压具有滤波能力。事实上,该器件最有用的特性表现在,它能阻止电网电压上叠加的无规则干扰传到负载端且能阻止负载上无规则的干扰电压反馈到电网上。即是说:参数变压器具有双向滤波功能。
在说明了参数变压器的一些优点后,再来看看它的结构特点,从图3、图4可看出,参数变压器结构是比较简单的。
它是由一个初级绕组和一个次级绕组,一付磁心,一个电容组成。再无其它组件。在仔细的研究了图3及图4后,需再强调申明一点:参数变压器并不是铁磁谐振变压器。它们的能量传输机理根本不同。
表2强调了某些不同点。
在表2中所归纳的观察结果的真实性,在研究了本文第4部份后,就会更明了。即便如此,如果把参数变压器视作功率振荡器——是通过输入端注入参数功率来维持振荡的,那么,对参数变压器的这些测试结果也会相当容易理解的。
测试1#,如果振荡器负载过重,它就会停止振荡。
测试2#,输出端没有电容器,振荡电路根本不存在。
测试3#,如果振荡器接收的功率不足以维持振荡器本身的损耗,和满足负载功率要求,它就会不振荡。
测试4#,和测试2#的状态一样。
测试5#,参看第4部份。
3 参数变压器的特性
下面的几部分归纳了参数变压器的某些重要工作特性。除非另有说明,这里的数据和图片,都是该器件按下列条件工作的。
正常的输入电压  115VAC
正常的输出电压                        115VAC
输入波形                               正弦波
示波器的垂直比例尺  100V/cm
3.1 波形
从参数变压器本质上是个功率振荡器这个事实出发;人们就有把握预知它的输出波形是正弦波。图5中,上面的扫迹线表明在轻载状态下,参数变压器的输出波形,它确证了上述的预见。图5下面的扫迹线表明铁磁谐振变压器在相同的输入电压和负载状态下的波形。
当参数变压器的负载加重时,因功率振荡器的有效功率因子减低,输出波形的失真变得明显了。(图6)但是,有趣的是,注意图11和图20,即使输入电压为方波,输出波形还是正弦波。
3.2 单向工作
如同表2测试4#所表明的,参数变压器本质上不能双向工作。——把电压加到输出端,在输入端不能得到需要的电压。但是,该器件可以做成双向工作。
在它的初级输入侧加入交流电容器变成谐振电路。谐振电路的含义就是它能提供环流(I),这样,方程(1)中的    项,就不会因为缺少这种电流而变为零。
3.3 双向滤波
参数变压器最为独特的一个特性就是它具有滤波能力。图6下面的扫迹线表明加在参数变压器输入端的噪声电压,这是60Hz/115VAC的正弦波,在它上面叠加着高频噪声电压。该噪声信号的幅值是150VP-P。其频率为几个kHz。注意:在输出端上,这种噪声就不明显了(图6上面的扫迹线)
为了比较,给FRT输入端加同样噪声类型的电压,则该噪声电压很容易地传输到FRT的输出端(图7)。
图8-11,图17、图20,所提供的图片证明,参数变压器能够滤除低频和高频噪声。图片10更有趣,它证明输入端波形上明显的电压跌落没有在输出端复现。图11及图20证明,甚至有明显的电压突峰的方波电压,也被轻易地转化为正弦波输出。
在图8 -图10的每幅照片中,上面的扫迹是参数变压器输出,下面的扫迹为参数变压器的输入。
人们从参数变压器的单向性,会产生怀疑,叠加在输出电压上的噪声,同样会被阻止达到输入端。
在110VAC/60Hz参数变压器上作了定量的研究。当噪声频率从50Hz——变到几个MHz时,大约衰减为50dB~100dB。不管噪声被加进输入端,而从输出端测试,或是把噪声电压加到输出端,而从输入端测试,所得结果是相近的。
在这些试验中,对所测的参数变压器绕组没有加电屏蔽。在该器件内部加入这种静电屏蔽,会显著地增加对高频的衰减。
关于随机噪声的幅度,测试证明:参数变压器能够容易地抑制几千伏高的峰值电压,而无差错。之所以能做到这点,直接取决于该参数变压器的能量传输机理。它使初、次级一解耦,次级的就变成零。(参看方程(1)),考虑到这点,对噪声电压幅值的主要限制,就是由参数变压器初级绕组的击穿电压来决定。噪声幅值超过了初级绕组的击穿电压值,就不安全了。
3.4 稳压功能
参数变压器另一个固有的特性,就是具有良好的RMS交流稳压功能。图12为60Hz的器件在满载状态下的典型数值。在其它负载状态包括空载状态,也得到类似的结果。典型情况是:当输入电压变化±10%,则输出电压变化±0.1%。
参照图12,我们还可以说,输入电压在很宽的范围(50VAC~200VAC)变化时,输出电压仍然很稳定。
通过上述,可以总结一下,如果参数变压器在振荡并在产生输出电压,那么,就会发现,该输出电压就一定是稳压的。
图13为典型的负载稳压特性曲线。虽然,不如交流稳压特性好,但在空载到满载的状态下,负载调整(稳压)特性仍然是良好的,一般小于±1.0%。(负载)次级绕组中的IR压降,是输出电压随着负载电流变化的原因。因此,负载电压变化的程度严格地取决于次级绕组所用漆包线线径的大小。
3.5 起动和过载特性:
图14为典型的60Hz参数变压器的导通和截止特性:对于一个功率振荡器,让它大约振荡6个周期,以建立起满幅度。还要注意在电源断开后,储存在谐振电路中的能量,足以维持短时期的振荡。
作为输入电压的函数,一种60Hz参数变压器的典型工作,示于图15。和普通变压器及铁磁谐振型变压器不同,(在输入电压降低时,它们的输出电压也降低),参数变压器当所加的输入电压不足以激励功率振荡,它的输出就维持在零之上。当所加的输入电压足以激励功率振荡时,在这点上,参数变压器调压,给出满输出电压。
还要注意:在图15中,在输入电压很高时,(假定这高压是持续施加着)参数振荡就中止了,在短暂的过压期间,并没有产生这种效果。
这相当于把这种过电压当作噪声处理了,或抑制了,参数变压器会容易地抑制掉几千伏的短暂过电压。
参数变压器另一个独特的性能就是,它的过载特性。正如图16所描述的一样。一旦出现过载就停止振荡,使输出电压电流为零。而铁磁谐振变压器,一旦出现过载,只能把输出电流限制到大约2倍额定电流处。参数变压器在以参数方式传输能量到负载的所有铁心有效工作点上,始终保持良好的调压特性。如果负载连续需要外加功率,这就会使参数功率振荡器事实上过载了。这时,其输出电压和电流一下子就回到零。输出电压的中断,同时,还伴随着使初级激磁电流发生较大的跌落(应该指出,如需要很大的短路持久功率,可以容易地满足,即把这部份功率从谐振电路中分出来)。图16是静态特性曲线,此曲线只适用于连续加载状态。
3.6 相位移
参数振荡器都具有这样的特征,它们的输出电压相对于输入电压,在相位上相差90°。图11、17和图20所复制的示波照片,直观地证明了,参数变压器输入电压和输出电压之间90°的相位关系。
另外的研究证明,参数变压器的输出电压,可以超前或滞后输入电压90°,并且,输出电压相对于输入电压,可被锁相在这个状态。
3.7 频率和功率因子
从参数变压器的输出电路是由LC谐振电路所组成这个事实看来,人们可以推测出;输出电压会是输入电压频率和负载功率因子的函数。和频率有关,输出波形被锁相到输入波形处,从而,输出频率就和输入频率一样。这样,因为谐振电路的L和C都是不变量,人们会发现,正常的输出电压是随着输入频率在变化。在60Hz附近测量结果,其经验数据是输入频率每变化1%,输出电压变化1%-0.5%。
负载功率因子的变化会引起LC谐振电路负载的效能降低,在频率不变时,该结果示于图18。
3.8 倍频工作
毫不奇怪,参数变压器能够做得在供电频率的倍频上振荡。图19表明的参数振荡器输入频率为60Hz,而输出频率是120Hz。注意:在这种情况下,输出波形表明,每个周期只有一次能量传输(泵出),这与图6中60Hz工作状态不同,图6中每个周期有两次能量传输。还应该注意:在倍频工作状态下,输出波形被锁相在输入波形上。
虽然在本例中,输出频率只是2倍,但其它倍乘频率也是可能做到的。
3.9 其它频率
虽然,在本报告中所引证的数据几乎全部是关于60Hz的参数变压器,但在其它频率上(甚至到几个MHz上)已做了大量的工作。图20表明的例子是在10kHz所获得的结果。在这种情况中,输入是被斩波的50VDC方波,输出是110VAC(RMS)正弦波。
除了60Hz的参数变压器外,大量的400Hz参数变压器已被设计制造出来。并把测试结果同60Hz的参数变压器进行了比较。
4 工作原理
基本概念:参数变压器的工作原理是十分复杂的,因为它工作在材料的非线性段,与铁磁材料的非线性特性有关。
但是,人们还是能够对这个原理得到一个基本的理解。——下面来研究图21所示的充着电的电感线圈L:
我们知道,在此电感中所储存的电能是,如果现在用某种方法来增加电感,例如把一个铁芯插入电感L中,那么,所(其中电流得保持不变)储存的电能就增加,在本例中,是把铁心插入电感L线圈,使电感增加,所需要的械机能转换为电能储存起来。这就是参数功率变换的例子。(参看方程(1))
如果按照图22,现在把上述的铁心交替地插进电感线圈L再退出电感线圈L。则此电感就成了振荡槽路的一部份,一个参数振荡器就构成了。与此参数振荡器有关的最严密的关系,涉及到频率。对于图22这样的装置,大家知道,泵入频率(偏心转子转速)应该是谐振槽路谐振频率的2倍。下面的例子证明:这种说法一般来说是正确的。
假定:谐振槽路中的电路是以偏心转子频率的一半振荡(看图23)。
参看图23:如果铁心是在1点插入线圈L。(在一周期内)电感量就增加,在此时间,有大的电流流过线圈L,导致大的参数能量自偏转机构转换到该电路里。此外,如果现在把铁心在机械周期或(电周期)图23的(2)点稍后,退出线圈L。电流就是零,无电能从槽路中汲出。
类似地,在(3)点处,则有附加的参数能量转换。而在(4)点处则无能量转换。这样,通过双倍泵频率,功率可以单方向地,按照方程(1)中的第二项以参数方式传输。
在上述所引证的例子中,采用机械驱动方式。当然,最终是要获得一种简单的无源全电子参数装置,其中倍频泵的作用是该装置的基本部分。参数变压器正是这样的装置。在所有这种无源装置中,其输入量以倍频频率强迫调制次级电感而没有“磁通耦合”到输出端。
结果就是所希望的参数型能量传输变换。再来参考图4的基本拓朴。注意:初级磁通密度是输入电压2倍频率的函数。虽然,初级与次级的磁通并没有耦合,但它们共享着一些磁心材料,由此,与次级绕组相关的磁阻幅值,就受初级磁通密度的调制。从而,次级磁阻就作为输入电压倍频频率的函数而变化,这样就满足了参数能量转换的条件。
滤波作用:为什么参数变压器具有滤波特性;
第一、参数变压器是个功率振荡器,而振荡器型的电路都是固有的良好滤波器。第二、参数型能量变换机制与输入波形的细节无关,因此,在参数变压器的输入和输出之间,根本没有基本波形相关性。(参看图20)第三、对于较大的输入噪声幅值,次级的被激励到零,因此,较大的输入噪声干扰就不会耦合到输出端。(按照方程(1)的第二项),当然趋向零,这样的事实同样与普通铁磁材料的特性有关。
5 应用
基本型或改型参数变压器在电力上的应用是极广泛的,到目前为止,已有下列的装置类型被造出来并且测试过;
(1) 交流电网电压调节器(滤波——调压器)
(2) D.C电源
(3) DC-AC  逆变器
(4) 频率变换器
(5) DC-DC变换器
(6) 多相变换器
5.1 滤波——调压器
参数变压器的滤波调压性能已经讨论过了,但是,在图24中又引出几个附加的考虑(看图24)。
现在来看图24:参数变压器的输入端也构成谐振型(附加电容C)因此,就使它可双向工作。它们还可由多个输入绕组(增加绕组L1)或是多个输出绕组(增加绕组L2)构成。在多绕组情况下,L1是和基本的初级绕组绕在相同的铁心上,而L2是和基本的次级绕组绕在相同铁心上(参看图4)。这样L1和L2就分别和初级及次级绕组发生“磁通耦合”,任何数目的初级或次级绕组都可作适当的调整提供。
到目前,多频率的参数变压器(在整个输入频率范围内设计成滤波调压型)尚未讨论过,不过,这种器件已被作出,并测试过。图25描述了解决这种问题的参数变压器的一般结构。
从图25可清楚看出:在次级谐振电路中增加了一个可调电感。这样,通过控制可变电感中的D.C偏值,就可控制输出LC电路中的有效电感。这样就可依照输入频率,负载电流,负载功率因子等参数来控制输出电压。
这种死循环器件已做出来,并有良好的测试结果。
5.2 D.C电源
已制造出大量的多输入多输出DC电源。这些都是无源滤波型,为串联或并联调压。这类电源的主要优点是:(1)免除了电网噪声电压;(2)具有对电网电压过压保护功能。(3)具有电网开断电压保护功能;(4)可对电网电压作预调压;(5)具有固有的过压保护功能。
开关型电源特别适用参数变压器,这点从下面几部分的叙述中会更明白。
5.3 逆变器:
图11和图20是用参数变压器作DC-AC逆变器的例子。
如果采用常规的技术来完成这种变换,首先必须对直流电压进行斩波,然后经过滤波,滤除掉不希望的谐波频率和在斩波过程中引入的尖峰噪声电压。如果采用参数变压器来完成DC-AC变换,因为它本身就具有滤波调压功能,所以可完成下列功能:
(1) 滤波输出
(2) 使输出变成正弦波
(3) 隔离输出与输入
(4) 变换输出电压、电平
(5) 稳定输出电压
(6) 防止斩波线路过载
(7) 可提供多路输出
从这些应用可知,参数变压器特别适用于开关型电源和IC片MOS管一起使用。
5.4 其它变换器
在已经介绍了参数变压器的滤波调压功能,DC电源,以及逆变器应用后,很明显,参数变压器能够有效地用在下列的变换过程中,(通过把这些应用结合起来)
(1)DC-DC 变换器
(2)频率变换器
5.5 相位变换器
大家知道,给定的两个单相电源其相位彼此相差90°。我们可以把这些结合起来形成一个多相输出按照上面的讨论从参数变压器的输出的电压在相位上,相对于输入的关系,被锁在90°相移处。
这样通过把参数变压器输入侧的电压同其输出侧的电压进行适当的组合,就可能构成许多无源型单相——三相变换器,(三角型、星型连接)以及其它多相变换器。更有趣的是,注意:采用双向参数变压器装置,就可能把这个过程倒转过来,从三相变换成一相等。这种装置已经做出来了,并且进行了测试。
图26的示波扫迹图是60Hz一相到三相的变换结果。(利用参数变压器)。还没有其它组件,无源的或有源的(不同于参数变压器本身)已被用来构成本图所示的变换。
 
 

打印本页 || 关闭窗口

 
  友情链接: MSN中国 | HAO123 | 工信部 | 雅虎 | 网易 | 新浪 | 搜狐 | 百度 | 谷哥 |
名滨机械欢迎您!www.dgmingbin.com  技术支持: 友源传媒