磁饱和稳压原理在广电设备中的应用与检修

磁饱和稳压原理

1.磁饱和稳压原理。磁饱和稳压器是利用铁芯的磁化曲线的非线性特性制成的。它的主要部分是一个饱和变压器,其铁芯截面与一般变压器不同,初级线圈的截面积大,为非饱和线圈;次级线圈的铁芯截面积小,为饱和线圈。当稳压器工作时,随着电源电压的增加,铁芯内磁通也随之增加。当次级铁芯内磁通达到饱和点时,电源电压再增加,增加的磁通只能漏到空气中,而次级铁芯内磁通基本上不再增加,所以次级线圈所产生的输出电压也就基本不变了,起到了稳压作用。

上述稳压器为使线圈达到饱和需要很大的磁化电流,而且电感线圈在交流电路中进行磁电转换的过程中,在电路中形成无效电流,由于电路中有电阻存在,势必增加电源的无功损耗,使稳压器工作效率不高。为解决这一问题,在磁饱和稳压器次级线圈两端并联一个电容器,构成并联谐振回路,构成谐振式磁饱和稳压器。当电源频率与谐振回路的固有频率相等时,即可产生振荡,从理论上讲,谐振回路内电流无限大,因此使饱和铁芯很快饱和。当谐振回路产生振荡时,其阻抗视为无限大,因而谐振电路两端电流很小,减少了电源的供电功率,提高了稳压器的效率。原理图见图1所示:

图中,铁芯面积大的一边为非饱和区,面积较少的为饱和区,L3称为电压补偿绕组。一般来说简单型交流稳压器的缺点为输入电压变化会引起输出电压较大的变化,为此,我们工程上采取将非饱和区的一部分电压与输出电压反向串接,抵消变化部分。L3和L1绕在非饱和铁芯,L3与L2串联,单电压方向相反,从而补偿了输出电压的V0的变化,使之趋于稳定。 我们知道电感上电流比电压相位滞后90°,电容上电流比电压超前90°,如果电感和电容并联,加上同一个电压电感上的支路电流与电容上的支路电流相互抵消,当二者大小相等时,尽管各自数值较大,但是供给该并联回路的总电流却很小,这种现象我们称之为并联谐振。铁磁谐振的最大实用价值在于不要很大的输入电流即可让铁磁回路呈现饱和,从而克服了稳压电源电路需要从电网吸收电流过大的缺点。

因此,我们把具有磁饱和性能的电源变压器称之为磁饱和变压器又叫恒压变压器,它不仅具有交流稳压、抗干扰、电压变换、过流保护等多种功能,而且结构简单、经济可靠,便于维护使用。自它问世以来,就得到了广泛的应用,在工矿企业、医疗卫生、交通、电信、广播电视等设备的电源中均有应用。磁饱和变压器从外观上看是一个单铁芯结构,与普通电源变压器的区别仅在于:磁饱和变压器的初级线圈和次级线圈之间被一个带空气气隙的磁分路分开,另外输出线圈并联一个谐振电容,而且谐振电容线圈可以和输出线圈分开设置,以便利用提高振荡电压的方法来减少所需的电容量,尤其在磁饱和变压器设计用于次级多组低压输出,谐振电容要和次级谐振线圈分开设置。

2.磁饱和变压器的工作特点

1)优点:

(1)结构简单,可靠性高。

(2)电压稳定度高,稳压范围宽。在额定负载的情况下,当输入电压在额定值的±20%的范围内变化时,输出电压稳压精度可限制在±1%范围内,特别值得注意的是磁饱和变压器的稳压范围与输出负荷量有关,当输出负荷减少时,稳定范围可相应加宽, 磁饱和变压器的稳定范围与负荷量有关,这一特点是其他形式的电子稳压器所不具备的,这使得它更适用于电网电压波动大的场合,比如户外,农村山区,工矿等。

(3)磁饱和变压器具有较强的抗干扰的能力,磁饱和变压器的电路形式实际上相当于LC谐振滤波器,具有低通滤波器的特性,可以抵抗几百到几万赫兹频率的干扰。另一方面由于电源中总是含有一定的直流分量,会引起普通变压器饱和,出现涡流损耗,而设计带有磁分路气隙的电容谐振磁饱和变压器,可以最大可能降低这一危害,这点在环形变压器使用中,尤其要注意。

(4)具有普通变压器的功能。磁饱和变压器与普通降压变压器一样,具有初级和次级隔离、变压、多路电压输出等。

(5)输出功率保护。当磁饱和变压器的输出功率超出设计功率时,其输出电压就失去稳压功能,开始出现电压跌落。与此同时输入功率并不增加,但输出短路时,输出电压为零,输出电流小于额定输出电流的1.5-2倍,而输入电流不增加,磁饱和变压器长期短路不会烧毁。这是其最重要的突出特点之一。因此得以在广播电视发射机的灯丝供电广泛应用。

2)缺点:

(1)批量产品一致性差。

(2)输出频率特性差。

(3)输出波形不好,接近方波。

(4)温升高、噪音大。

在广电行业的典型应用与检修

1. 有线电视供电器

当前,放大器通常使用60V交流电源,并通过电缆馈送,供电器就是其中的专用器件。从电压稳定性角度来分,常用供电器有输出近似方波的磁饱和稳压式供电器和输出正弦波的非稳压式普通供电器两大类,从有无过载保护功能来分,供电器可分为具有过载保护功能的自动供电器和没有过载保护的普通供电器两类。而具有稳压功能的电源供电器(也叫磁饱和供电器)成为有线电视网络公司的选用量很大的一种供电器,据了解,我地网络公司以采用该种供电器为主。关键的一点是维护便捷、工作量小,再者性价比高。如图2所示:

图中交流稳压电源变压器的初级线圈L1是绕在截面积较大的铁芯上,在截面积较小的铁芯上绕有次级线圈L2外,还有与次级线圈L2同相位绕制的附加线圈L3,与次级线圈L2反相位绕制的补偿线圈L4两组线圈。其中线圈L3绕组与电容器C组成并联谐振电路,其谐振频率在50HZ ,这样就导致了该电源变压器输出呈感性,提高交流稳压器输出功率因数COS 。补偿线圈L4是起到了调整输出电压稳压值的作用。因为它与次级线圈L2反相位绕制,并且和次级线圈L2串联连接。当因初级电压的大幅度升高而引起L1中电流的大幅度升高,从而导致以处在磁饱和状态的次级线圈两端电压略有升高,因补偿线圈L4两端的电压也同时升高,这样就抵消了因初级线圈两端电压的大幅度升高而引起次级线圈L2中电压的大幅度升高。

1)磁饱和交流稳压器检修

当磁饱和交流稳压器没有电压输出时,通常是稳压电源变压器没有发生谐振,表现为谐振电容器损坏。此电容器是高耐压无极流电容器(450V/15-20 F 国产CBB60/61/65系列等)。在应急修理时可用两只洗衣机(空调器、大功率电动设备的启动电容器等)电机启动电容器串联/并联组成电容器组代换(选用时注意,耐压值最好在630V以上,更换时要尽量和原来一样,过大容易让变压器温升过高,降低电源的安全稳定性,过小则功率不够,电压跌落明显),并在每个电容器两端各并联一个10W以上的500K -750K的均流平衡电阻,避免电容过早损坏。

2)磁饱和交流稳压器调整

如果,变压器检修过,或者重绕线圈,则要重点做好次级输出电压的调校。在交流稳压器的输入端接一个220VAC自耦调压器,输出端接一个与其输出功率相当的假负载,并在其两端并接一块交流电压表。当改变交流稳压器的输入电压时从低到高时候,在输出端会有一个电压跳变升高并稳定在设计的值上,此时的输入电压就是交流稳压器稳压范围内的初级低端稳压值。如果此时输出电压随着输入电压继续升高,说明补偿线圈L4与次级线圈L2连接反了,重新调整接线端子即可。

随着有线电视数字化,双向化改造,自动稳压供电器也会随之发展进步。

2 发射机灯丝供电单元

1)灯丝供电回路的原理

原鞍山广播电视设备有限公司产的GSUF-3-III型3KW分米波电视发射机,我台于上世纪末期购进此型机用于27频道播出,由于,我们维护保养措施得当,多年来较少发生故障,维护量小,运行稳定可靠。其灯丝供电部分为交流磁饱和恒压变压器供电,多年来,灯丝电源始终没有大的毛病。中小功率发射机灯丝电路原理图如下:

从图3中可见,该电路核心是交流恒压谐振式磁饱和变压器T,电阻R (150 / 100W)起降压作用,当继电器 K未闭合时,来自总电源大盒的220 V交流电压经电阻R降压后输入到T的初级,此时次级输出给灯丝的电压约为2VAC,即常说的黑灯丝加压预热状态,此举被证明可有效延长电子管的工作寿命。降压电阻R的大小决定黑灯丝电压的高低,经过30秒延时后,来自灯丝电压调整板的控制电压信号使继电器K吸和,T进入额定的220V市电,同时接入谐振电容产生谐振铁磁饱和,次级输出灯丝电压变为 5.9V全压,该谐振电容C(6 f /630 VAC)同 T的一个绕组构成谐振回路,进入饱和谐振状态,谐振电压为400VAC。而关机后K释放断开,灯丝电压重新回到2V,恢复进入黑灯丝状态。

图4为3KW UHF交流灯丝供电原理图:图中,为分流式磁饱和恒压变压器,当输入电压在额定值的±10%范围内变化,输出稳压精度限制在±1%范围,之所以采用这种供电技术,我想与大功率电子管的灯丝电压要求高有关,一是要求恒压供电,否则过低过高极易造成灯丝提前老化,二是灯丝电流很大,如图的3KW发射机采用国产FC-307(进口的对应型号为法国汤姆逊的TH382)的管子,设计的电流达到146A/AC。工作原理:总开关合上,机器处于黑灯丝慢预热状态,当合上低压空开后,风机启动,风接点接通时,继电器K1吸合,此时次级输出电压为半压,约为2VAC,面板指示灯为红色,此时谐振电容值较小,延时预热90S后,允许灯丝上全压,继电器K2得电吸合,此时变压器处于饱和谐振状态,输出全压。此时的谐振电容容量为10微法。图中的次级灯丝端并接的可调线绕大功率电位器为提高交流灯丝供电电位,采取交流补偿技术以获得较高的低频信杂比(1KHZ),这对于明显改善机器技术指标而造价低廉的措施。比如笔者为了改善自制电子管耳机放大器也采取了类似的技术手段,效果是很明显的,背景噪音极低,几乎听不到。该技术指标一直是机器必备的技术指标检测项目。

具体元件参数为:图中R为100W/100 ,RP为WX-25W-3.3 ,K1、K2为24VDC继电器,C1为CH82-8 f -2000V,C2为CH82-2 f -2000V。

(2)故障检修

例一:图3中1KW分米波电子管发射机在正常发射中,出现发射功率降低。

故障分析:在排除前级等其它因素后,判断原因出在末级。

从面板工作时间长度和值班记录看到,该管工作寿命已到,需更换新管。换新后功率仍偏低,此时测灯丝电压约有4.5V,偏低。

排除过程:首先检查谐振电容,发射机用的一般都是高压油浸铁罐密封电容器,拆下电容C测量,发现已失效,因手头没有6 f/630V电容,用4 f电容代换,但空载电压也只有4.8V。继而怀疑变压器是否出现匝间短路,为了最终判定变压器是否损坏,终于在维修电机门市找到1只拆机6 f/630V电容替换后,灯丝电压5.9V,恢复正常。谐振电容容量异常,首先改变了谐振频率,进而会直接改变谐振电流的大小,最终影响到次级线圈的饱和深度,间接会影响到输出电压的大小。因此更换电容C时一定要保证和原值同样大小,最好是油浸电容,耐压一定不要低于原值。

例二:图4中3KW分米波发射机,在某天夜间出现末级功率掉下来,面板灯丝指示灯亮红灯。

经检查,发现电容C1正常,C2外壳发热,表面布满了油污,测量容量已经很低了,外壳标示为15 f/2KV。看来电容已经坏了,从另一备用机器拆下同规格的电容代换,试机正常,延时90S后灯丝绿灯常亮,依次加高压、激励,整机输出功率正常。

通过以上检修实践,我们觉得分流式磁饱和恒压变压器供电的灯丝电源具有结构简单,稳定可靠,电压稳定度高,工作范围宽,维护很低等特点,另具有输出波形不好,失真较大等不足。为了弥补交流供电引起低频信杂比参数的影响,而引入电子管偏压抬高灯丝与阴极的电位,轻松地改善了这一问题,通过调节灯丝电源盒面板的可调电位器(图中的RP),可以改变整机的低频信杂比。实践证明,用磁饱和变压器做灯丝电源,的确是一种经济可靠、维护简捷的技术方案。