直流脈沖對(duì)鐵芯的磁化過(guò)程類似電容器充、放電，不同之處在于當(dāng)電流消失之后鐵芯中存在剩磁。經(jīng)過(guò)N個(gè)直流脈沖之后，磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度以及磁矯頑力三者之間會(huì)形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)，使變壓器鐵芯中的最大磁通密度Bm和剩余磁通密度Br能夠達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。具體分析請(qǐng)看文中圖形。

為了簡(jiǎn)單起見，我們把單激式變壓器開關(guān)電源等效成如圖2-1所示電路，其中我們把直流輸入電壓通過(guò)控制開關(guān)通、斷的作用，看成是一序列直流脈沖電壓，即單極性脈沖電壓，直接給開關(guān)變壓器供電。這里我們特別把變壓器稱為開關(guān)變壓器，以表示圖2-1所示電路與一般電源變壓器電路在工作原理方面還有區(qū)別的。

在一般的電源變壓器電路中，當(dāng)電源變壓器兩端的輸入電壓為0時(shí)，表示輸入端是短路的，因?yàn)殡娫磧?nèi)阻可以看作為0；而在開關(guān)變壓器電路中，當(dāng)開關(guān)變壓器兩端的輸入電壓為0時(shí)，表示輸入端是開路的，因?yàn)殡娫磧?nèi)阻可以看作為無(wú)限大。

在圖2-1中，當(dāng)一組序列號(hào)為1、2、3、…的直流脈沖電壓分別加到開關(guān)變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí)，在開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈中就會(huì)有勵(lì)磁電流流過(guò)，同時(shí)，在開關(guān)變壓器的鐵芯中就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)作用下又會(huì)產(chǎn)生磁通密度為B的磁力線通量，簡(jiǎn)稱磁通，用“ ”表示。

在變壓器鐵芯中，磁通密度B或磁通 受磁場(chǎng)強(qiáng)度H的作用而發(fā)生變化的過(guò)程，稱為磁化過(guò)程；因此，用來(lái)描述磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間對(duì)應(yīng)變化的關(guān)系曲線，人們都把它稱為磁化曲線。圖2-2是單激式開關(guān)變壓器鐵芯被磁化時(shí)，磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間對(duì)應(yīng)變化的關(guān)系曲線圖。

順便指出，在分析變壓器鐵芯的磁化過(guò)程中，經(jīng)常使用磁通密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度這兩個(gè)名稱，這兩個(gè)名稱在本質(zhì)上沒區(qū)別，互相可以通用，不同場(chǎng)合使用不同名稱，只是為了使用方便。

如果開關(guān)變壓器的鐵芯在這之前從來(lái)沒有被任何磁場(chǎng)磁化過(guò)，并且開關(guān)變壓器的伏秒容量足夠大，那么，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)直流脈沖電壓加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí)，在變壓器初級(jí)線圈中將有勵(lì)磁電流流過(guò)，并在變壓器鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)。

在磁場(chǎng)強(qiáng)度H的作用下，變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B將會(huì)按圖2-2中0-1磁化曲線上升；當(dāng)?shù)谝粋€(gè)直流脈沖電壓將要結(jié)束時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到第一個(gè)最大值Hm1，同時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度將會(huì)被磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化到第一個(gè)最大值Bm1 ；由此產(chǎn)生一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ΔB，ΔB = Bm1－ 0 。磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，表示流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行充磁。[page]

當(dāng)序列脈沖電壓加到開關(guān)變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí)，在變壓器鐵芯中會(huì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這磁場(chǎng)完全是由流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的，流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流為：

（2-8）式中， 為流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流，E為加到變壓器初級(jí)線圈兩端的電壓，L1為變壓器初級(jí)線圈的電感量，t為時(shí)間， （0）為初始電流，即t = 0時(shí)流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流。

如果脈沖序列的占空系數(shù)（占空比）滿足磁化電流在后一個(gè)脈沖進(jìn)入前下降為零，即開關(guān)電源工作于電流臨界連續(xù)或不連續(xù)狀態(tài)。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)直流脈沖結(jié)束以后，由于開關(guān)變壓器初級(jí)線圈開路，雖然流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流下降到零，但磁場(chǎng)強(qiáng)度H不會(huì)馬上下降到零；此時(shí)，變壓器的初、次級(jí)線圈會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，由于反電動(dòng)勢(shì)的作用，在變壓器的初、次級(jí)線圈回路中都會(huì)有電流流過(guò)，這種回路電流屬于感應(yīng)電流，或稱感生電流。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)直流脈沖結(jié)束時(shí)，如果開關(guān)變壓器初級(jí)線圈不開路，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)輸入電壓進(jìn)行反充電；如果開關(guān)變壓器初級(jí)線圈是開路的，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)初級(jí)線圈中的分布電容進(jìn)行充放電，從而會(huì)在初級(jí)線圈內(nèi)部產(chǎn)生高頻振蕩。

由反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，使變壓器鐵芯退磁，磁場(chǎng)強(qiáng)度H開始由第一最大值Hm1逐步下降到0；但變壓器鐵芯中的磁通密度B并不是按充磁時(shí)的0-1磁化曲線原路返回，跟隨磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零，而是按另一條新的磁化曲線1-2返回到2點(diǎn)；即：第一個(gè)剩余磁通密度Br1處。因此，人們都習(xí)慣地把磁通密度位于2點(diǎn)的值，稱為剩余磁通密度，或簡(jiǎn)稱“剩磁”。變壓器鐵芯有剩磁說(shuō)明變壓器鐵芯有記憶特性，這是鐵磁材料的基本特性。
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磁場(chǎng)強(qiáng)度H下降到零，但變壓器鐵芯中的磁通密度不能跟隨磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零，而只能下降到某個(gè)磁通密度剩余值，這種現(xiàn)象稱為變壓器鐵芯具有磁矯頑力，簡(jiǎn)稱矯頑力，用Hc表示。變壓器鐵芯具有磁矯頑力，這是鐵磁材料或磁性材料最基本的性質(zhì)。

同理，當(dāng)?shù)诙€(gè)直流脈沖加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端時(shí)，變壓器鐵芯中的磁通密度B將按圖2-2中新的磁化曲線2-3上升，磁通密度被磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化到第二個(gè)最大值Bm2，使磁通密度產(chǎn)生一個(gè)增量ΔB，ΔB = Bm2－Br1 。

第二個(gè)直流脈沖結(jié)束以后，流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流下降到零，變壓器初、次級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，又會(huì)使磁通密度按另一條新的退磁化曲線3-4返回到第二個(gè)剩余磁通密度Br2處；當(dāng)然，Br2同樣也只是變壓器鐵芯被退磁時(shí)磁通密度變化過(guò)程中的又一個(gè)臨時(shí)剩余值。

其余依次類推，第3、4個(gè)直流脈沖電壓同樣也會(huì)讓磁通密度增加一個(gè)增量ΔB ，即：

（2-9）式中，ΔB為磁通密度增量；只要作用于開關(guān)變壓器線圈上的脈沖電壓的幅度U和脈沖寬度τ不變，則變壓器鐵芯片的磁化過(guò)程就會(huì)在磁通密度增量為常數(shù)（?B = 常數(shù)）的條件下進(jìn)行。

但在直流脈沖的幅度和寬度不變的情況下，磁通密度的增量ΔB不改變，并不意味著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增量可以保證不變，這是磁強(qiáng)度度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的一個(gè)重要區(qū)別。

經(jīng)過(guò)n個(gè)直流脈沖電壓之后，變壓器鐵芯中的最大磁通密度Bm和剩余磁通密度Br才能基本穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值之上，即：脈沖序列的作用達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，磁化過(guò)程將沿原始曲線上某一固定局部磁滯回線n點(diǎn)重復(fù)；這時(shí)剩余磁通密度為Br n(Br n= Br)，磁通密度變化無(wú)論磁場(chǎng)強(qiáng)度增長(zhǎng)或降低，其ΔB值基本不變。

顯然，局部磁滯回線固定于什么位置，對(duì)某種材料來(lái)說(shuō)只取決于?B值的大小。如果?B足夠大，則局部磁滯回線的最低點(diǎn)位于最大局部磁滯回線的剩余磁通密度點(diǎn)Br點(diǎn)處。此時(shí)Br對(duì)應(yīng)每個(gè)輸入直流脈沖的起點(diǎn)，Bm對(duì)應(yīng)每個(gè)直流脈沖的終點(diǎn)。

磁通密度達(dá)到最大值Bm后不再繼續(xù)增加是可以理解的，因?yàn)?，磁通密度和磁?chǎng)強(qiáng)度既可以是勢(shì)能也可以是位能，兩者可以互相轉(zhuǎn)換，它們與電容充放電的過(guò)程是很相似的。例如：當(dāng)電源電壓對(duì)電容充電時(shí)，電容兩端的電壓會(huì)上升；當(dāng)電源斷開的時(shí)候，電容就會(huì)對(duì)負(fù)載放電，其兩端電壓就會(huì)下降；當(dāng)電容充電的電荷與放電的電荷完全相等的時(shí)候，電容兩端電壓紋波就會(huì)穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值之上。

用?H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度增量，它在固定局部磁滯回線上磁通密度增量?B相對(duì)應(yīng)，即它們之間可用下面關(guān)系式表示：


（2-10）式稱為磁場(chǎng)強(qiáng)度增量?H與磁通密度增量?B的脈沖靜態(tài)特性關(guān)系。在直流狀態(tài)條件下，（2-10）式不成立。
磁場(chǎng)強(qiáng)度增量?H和磁通密度增量?B的對(duì)應(yīng)關(guān)系還可以用下式表示：


本上都是固定的，并且是單極性脈沖，其磁滯回線的面積相對(duì)來(lái)說(shuō)很小，因此，鐵芯的脈沖導(dǎo)磁率幾乎可以看成是一個(gè)常數(shù)；而開關(guān)變壓器輸入脈沖電壓的幅度以及寬度都不是固定的，其磁滯回線的面積相對(duì)來(lái)說(shuō)變化比較大，鐵芯導(dǎo)磁率的變化范圍也很大，特別是雙激式開關(guān)變壓器，因此，只能用平均導(dǎo)磁率 的概念來(lái)描述。
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勵(lì)磁電流或磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行磁化時(shí)也具有類似電容器充、放電的特點(diǎn)：當(dāng)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行磁化時(shí)，磁通密度就會(huì)增加，相當(dāng)于對(duì)電容器充電；當(dāng)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流為零時(shí)，變壓器初、次級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，其感應(yīng)產(chǎn)生的電流就會(huì)產(chǎn)生反向磁場(chǎng)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁，使磁通密度下降，與充電電容器對(duì)負(fù)載放電的情況很類似。

當(dāng)變壓器鐵芯被磁化時(shí)產(chǎn)生的磁通密度增量與變壓器鐵芯被退磁時(shí)產(chǎn)生的磁通密度增量（負(fù)值）完全相等的時(shí)候，變壓器鐵芯中的最大磁通密度Bm和剩余磁通密度Br就會(huì)分別穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值之上。

此時(shí)，我們可稱，變壓器鐵芯磁化過(guò)程已經(jīng)進(jìn)入了基本穩(wěn)定狀態(tài)，即：每輸入一個(gè)直流脈沖電壓，變壓器鐵芯中的磁通密度都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁通密度增量ΔB，ΔB = Bm－Br ，當(dāng)直流脈沖結(jié)束以后，磁通密度又從最大值Bm回到剩余磁通密度Br的位置。這樣，我們把磁化曲線所對(duì)應(yīng)的Br值稱為剩磁（或剩余磁通密度），而磁化曲線所對(duì)應(yīng)的Bm值稱為磁通密度的最大值。
不過(guò)，變壓器鐵芯磁化曲線中最大磁通密度Bm以及剩余磁通密度Br的值不是一成不變的，它們會(huì)隨著輸入脈沖電壓的幅度以及脈沖寬度的改變而改變；只有在輸入脈沖電壓的幅度以及脈沖寬度基本保持不變的情況下，變壓器鐵芯磁化曲線中的最大磁通密度Bm以及剩余磁通密度Br的值才會(huì)基本保持不變。

至于要經(jīng)過(guò)多少個(gè)直流脈沖電壓之后，開關(guān)變壓器鐵芯中的磁通密度才達(dá)到最大值Bm，這個(gè)與直流脈沖電壓的幅度有關(guān)，而且與直流脈沖電壓的脈沖寬度還有關(guān)，即與開關(guān)變壓器的伏秒容量大小有關(guān)。開關(guān)變壓器的伏秒容量越大，對(duì)應(yīng)每個(gè)直流脈沖產(chǎn)生的磁通密度增量ΔB數(shù)值就越小，因此，需要直流脈沖的個(gè)數(shù)就越多；反之，變壓器的伏秒容量越小，需要直流脈沖的個(gè)數(shù)也越少。當(dāng)變壓器的伏秒容量很小時(shí)，可能只需要一個(gè)直流脈沖，就可以使磁通密度達(dá)到最大值Bm ，甚至?xí)棺儔浩麒F芯出現(xiàn)磁飽和。

變壓器的伏秒容量對(duì)磁化曲線的影響非常大，變壓器的伏秒容量越大，對(duì)應(yīng)每個(gè)直流脈沖電壓產(chǎn)生的磁通密度增量ΔB相對(duì)也越小，磁通密度的最大值Bm也越?。煌瑯右环N變壓器鐵芯材料，選取不同的變壓器的伏秒容量，對(duì)應(yīng)的Bm值和Br值也是不一樣的。因此，變壓器的伏秒容量對(duì)于變壓器設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的參數(shù)。

如果變壓器的伏秒容量取得比較小，而加到變壓器初級(jí)線圈a、b兩端的直流脈沖電壓幅度又比較高，且脈沖寬度也比較寬，則流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流將很大；此時(shí)，變壓器鐵芯中的磁通密度將很容易出現(xiàn)飽和。當(dāng)變壓器鐵芯中的磁通密度出現(xiàn)飽和的時(shí)候，磁通密度B或磁通 將不會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度或勵(lì)磁電流的增加而增加，此時(shí)的最大磁通密度一般稱為飽和磁通密度，用Bs表示，對(duì)應(yīng)的磁通密度增量用ΔBs表示。

這里還需補(bǔ)充說(shuō)明：變壓器鐵芯充磁和退磁的過(guò)程雖然與電容器充放電的過(guò)程很相似，但還是有很大區(qū)別的。電容器充滿電后，如果電源斷開，不再對(duì)電容器繼續(xù)充電，則電容器會(huì)對(duì)負(fù)載放電，并且放電過(guò)程將會(huì)一直進(jìn)行下去，直到電容器存儲(chǔ)的電荷全部釋放光為止；而變壓器鐵芯被磁化到磁通密度的最大值Bm后，變壓器初、次級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，以及其感應(yīng)電流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁，卻不能使磁通密度由最大值Bm退回到零，而只能退回到剩余磁通密度Br 。

當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H下降到零時(shí)，變壓器鐵芯中的磁通密度不能跟隨返回到零，而只能退回到剩余磁通密度Br 。這種現(xiàn)象稱為變壓器鐵芯具有磁矯頑力，簡(jiǎn)稱矯頑力，用Hc表示；這同時(shí)也說(shuō)明變壓器鐵芯鐵芯的磁化過(guò)程是不可逆的。變壓器鐵芯存在磁矯頑力這是鐵磁材料或磁性材料最基本的性質(zhì)；不同性質(zhì)的磁性材料，其具有的磁矯頑力大小也不同；一般變壓器鐵芯都選用磁矯頑力較小的鐵磁物質(zhì)為制造材料。

變壓器鐵芯的磁矯頑力Hc與剩余磁通密度Br的概念是不一樣的，從磁矯頑力的定義來(lái)說(shuō)，磁矯頑力Hc就是變壓器鐵芯退磁時(shí)，由最大剩余磁通密度Brm下降到0，對(duì)應(yīng)所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度，不過(guò)這里的最大剩余磁通密度Brm是指變壓器鐵芯達(dá)到磁飽和時(shí)所產(chǎn)生的剩余磁通密度Br ，因?yàn)橐话阋饬x的剩余磁通密度Br都是對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)最大磁通密度來(lái)說(shuō)的。

但我們不要理解為，只有變壓器鐵芯達(dá)到磁飽和后，才會(huì)有磁矯頑力；在變壓器鐵芯被磁化的過(guò)程中，磁矯頑力從始至終都是存在的，只不過(guò)與習(xí)慣上定義的Hc在數(shù)值上不一樣。磁矯頑力與導(dǎo)磁率一樣，也是人們用來(lái)掩蓋住人類至今還沒有完全揭示的，磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁通密度之間內(nèi)在關(guān)系的概念。

因此，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，磁矯頑力也是隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度H大小改變的，它與磁通密度一樣，會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增大，而趨于飽和。這就是為什么，變壓器鐵芯中的最大磁通密度Bm和剩余磁通密度Br最終能夠分別穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值之上的主要原因。

由圖2-2我們可以看出，隨著磁通密度的增加，需要磁場(chǎng)強(qiáng)度增加更大，因?yàn)殍F芯的導(dǎo)磁率會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大反而變小，而鐵芯的磁矯頑力也不會(huì)因磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，它總會(huì)有一個(gè)極限值；當(dāng)變壓器線圈中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁時(shí)，鐵芯的導(dǎo)磁率和磁矯頑力的增量反而會(huì)向增大的方向變化，因此，對(duì)于每輸入一個(gè)脈沖電壓，總可以在磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度以及磁矯頑力三者之間找到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)，使變壓器鐵芯中的最大磁通密度Bm和剩余磁通密度Br能夠達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。