高压大功率脉冲变压器设计

高压大功率脉冲变压器设计 脉冲变压器设计 目 录 前言 ......................................................... 1 1 脉冲变压器设计要求和原始数据 ............................... 3 1.1 脉冲变压器计算程序设计要求 .............................. 3 1.2 计算原始数据: .......................................... 6 2 脉冲变压器的设计 ........................................... 8 2.1 线路的计算 .............................................. 8 2.2 绝缘的设计 ............................................. 11 2.3 铁心和绕组的选择 ....................................... 14 2.3.1铁心的设计要求 ..................................... 14 2.3.2铁心的去磁电路 ..................................... 16 2.3.3 绕组的选择 ......................................... 20 2.4 脉冲变压器的脉冲的计算 ................................. 25 2.4.1 脉冲平顶降落的验算 ................................. 25 2.4.2 脉冲的前沿畸变验算 ................................. 26 2.4.3 脉冲后沿宽度的检查 ................................. 30 2.5 脉冲变压器的整体结构 ................................... 31 2.6 脉冲变压器的温升与经济指标 ............................. 34 2.6.1脉冲变压器的温升和经济指标 ......................... 34 2.6.2 脉冲变压器的温升和经济指标的验算 ................... 35 3 脉冲变压器的试验 .......................................... 38 3.1 脉冲变压器的初次试验 ................................... 38 3.1.1 加压试验 ........................................... 38 3.1.2 改变回路参数的试验 ................................. 39 3.1.3 “+,-极性”的试验 ................................. 39 3.2 脉冲变压器的负荷试验 ................................... 40 3.2.1 脉冲波形的检查 ..................................... 40 3.2.2 漏感和电容 ......................................... 41 3.2.3 变比的测量 ......................................... 42 总 结 ....................................................... 43 致 谢 ...................................................... 45 参考文献 .................................................... 46 1 脉冲变压器设计 前言 脉冲变压器是电子变压器一种特殊类型，它所变换的不是正弦电压，也不是交流方波，而是接近矩形的单极性脉冲;脉冲变压器现已极其广泛地应用于各种电子设备之中。 脉冲变压器与一般普通变压器的区别 所有脉冲变压器其基本原理与一般普通变压器(如音频变压器、电力变压器、电源变压器等)相同，但就磁芯的磁化过程这一点来看是有区别的，分析如下: (1) 脉冲变压器是一个工作在暂态中的变压器，也就是说，脉冲过程在短暂的时间 1 脉冲变压器设计 冲交压器主要应用在自动控制、计算技术、电视设备及工业自动化等方面的线路上。 高压大功率脉冲变压器有自己的特点: 大脉冲的特点(同小功率脉冲变压器(以下简称:小脉冲)相比)虽 然所 有 的大脉冲的工作物理过程大体相同，而与功率无关，但大脉冲与小脉冲各有特点: 电压高，则绝缘要求。高大脉冲一般工作在很高的电压下，脉冲电压达几万伏甚至几十万伏，绝缘成了主要问题，我们要对绝缘材料做充分的分析和测试，如何保证和次级及绕组与铁芯的绝缘可靠，如何引出高压端将是工作重点。 损耗大、散热要求好。脉冲变压器的功率取决于平均功率而不是脉冲功率，为了减少脉冲变压器的体积和重量，就须解决好脉冲变压器的散热问题。 大脉冲要求磁感应增量 B要高大 脉冲 需 要很高的 B，一般需达数千高斯到数万高斯，这是因为 B越高，磁芯体积越小。 由上述儿点可知，大脉冲的体积是由散热情况、材料绝缘性能和磁心的 B值所决定的，一般情况下，使用油浸式以提高大脉冲的绝缘性能和散热性能，而小脉冲的结构既不取决全散热情况也不取决于绝缘强度，而是取决于制造上的可能性， B值对小脉冲也并不重要，大部分情况下，它要求的 B值不超过几十高斯，甚至只有几高斯。 现在为了提高电子设备的技术指标，目前大功率脉冲变压器正向高功率、高压、高变比方向发展。脉冲功率为几十到几百兆瓦;电压一般达到几百干伏，个别达1兆伏;变比可从几十到几百。小功率脉冲变压器正向微型化、组装比、系列化方向发展。与此同时，对脉冲波形的要水边越来越高。脉冲平顶降落一般不超过0.5--2,;前后沿应不超过脉冲宽度的5—15,;不允许有上冲和反峰。此外还希望脉冲变压器重量轻、体积小、效率高。 2 脉冲变压器设计 1 脉冲变压器设计要求和原始数据 1.1 脉冲变压器计算程序设计要求 脉冲变压器的设计和一般变压器的设计基本原理是相同，而脉冲变压器在符合一般变压器的绕组、绝缘、铁芯等要求，还需要检测输入脉冲，脉冲的前沿宽度，平定降落，后沿宽度都有一定具体要求。首先分析脉冲的简化等效电路和理想脉冲的特性。 脉冲变压器的等效电路 图(1-1)脉冲变压器等效电路 u1——脉冲源的脉冲电压(输人电压) u u2 2——换算到初级的负载输出脉冲电压 u2 n2 Ri——脉冲源 r r2 2n2 RL RL 2——换算到初级的次级负载电阻 RL n C1——变压器初级分布电容 C2n2C2C2 ——换算到初级的变压器次级分布电容 CL ——输入电路等效电容; 3 脉冲变压器设计 CLn2CLCL——换算到初级的负载等效电容 LS——变压器等效漏感 LM——变压器有效磁化电感 n——变压比 n N2——变压器次级匝数 N1——变压器初级匝数 脉冲变压器的脉冲波形的特点 N1 N2 理想的脉冲波形是指矩形脉冲波。由于电路的参数影响，实际的脉冲波形与矩形脉冲有所差异。其典型波形如图所示 图1-2脉冲变压器的脉冲波形 1. 峰值脉冲幅度Um 峰值脉冲幅度是相通过脉冲顶部的平滑曲线外推线的愚大值10,的起始“尖峰”或“过冲”。 2. 脉冲持续时间td 4 脉冲变压器设计 脉冲持续时间是指脉冲幅度等于峰值脉冲幅度的50,的最初与最后瞬间相隔的时间。 3. 脉冲上升时间tr 脉冲上升时间是指脉冲幅度最初达到峰值脉冲幅度10,与90,两瞬间相隔的时间。除去波形中不需要或无关的部分。 4. 脉冲下降时间tl 脉冲下降时间是指脉冲幅度达到峰值脉冲幅度90,的最后瞬间与紧接在后面的脉冲幅度降到峰值脉冲幅度10,的瞬间相隔的时间，除去波形中不需要改无关的部分。 当顶降的数值接近峰脉冲幅度的10,时上述定义的下降点可用脉冲幅度达到峰值脉冲幅 度的80,的最后瞬间代替。 5. 顶降 顶阵是指峰值脉冲幅度与脉冲顶部平滑曲线(除去起始“尖峰”或“过冲”)外推线在通过定义 为脉冲下降时间的点的直线上交点的脉冲幅度之差的百分比。 6. 脉冲顶峰 脉冲顶峰是指脉冲的最大幅度。 7. 过冲 过冲是指脉冲顶峰超过蛤值脉冲幅度的数值。过冲以峰值脉冲幅度的百分比表示。 8(反摆 反摆是指反向脉冲的最大幅度，即越过零幅度电平以下的部分，反摆以峰脉冲幅度的百分 比表示 9( 回摆 回摆是在反摆之后回转的最大幅度，回摆以峰值脉冲幅度的百分比表示。 10( 恢复时间 5 脉冲变压器设计 恢复时间是指脉冲下降时间终止与脉冲幅度最后达到峰值脉冲幅度10%瞬间相隔的时间。 在可使用小于10%字的特殊情况下，将此时间间隔称为“x,恢复时间”。 脉冲变压器的设计包括变压器结构、铁心材料、绝缘方式的选取，绕组线径、匝数、铁心 尺寸和绝缘距离的确定等。设计出的脉冲变压器必须满足如下要求: 获得特定的脉冲上升时间;提供合适的脉冲平顶;达到要求的脉冲下降时 和脉冲尾部的 频率响应;为电子管的正确工作创造条件;提供电路的电压变换;保持温度在合理的范围之 U1 V 脉冲振荡器的 R1 Ω 脉冲宽度 TK S 脉冲前沿宽度 TS1 S 脉冲的平顶降落 ΔU1 V 脉冲重复频率 F HZ 初级电路的引线电感 L1M H 初 级电路的引线电容 C1M F 脉冲振荡器的输出 电容 CZ F 输出脉冲的参数: 负载电压 U2 V 6 脉冲变压器设计 负载电阻 R2 Ω 脉冲前沿宽度 ts S 脉冲前沿顶部上冲 δU2 V 脉冲后 沿宽度 tj S 脉冲的平顶降落 ΔU2 V 次级电路的引线电感 L2m H 次级 电路的引线电容 C2m F 负载电容 CF F 速调管的参数如下: 超高频功率 Pst=30MW 效率 nst= 0.4 板压 U2=280KV 灯丝电压 12V 灯丝电流 30A 速调管需要的脉冲宽度为tk=2µs，重复频率为F=50Hz。在0.9电平测得的脉冲前沿宽度 应ts 0.3µs;在0.1电平测得的脉冲后沿宽度应 tj 0.5µs脉冲平顶降落应 U〈2,;前沿顶部不允许有上冲则δU2=0。U 考虑到速调管的效率，脉冲变压器的输出功率应不低于75MW。由于功率大，希望脉冲变压器的效率尽量高，最好为0.9。 脉冲振荡器的内阻为: 电压U2,12kV，R1,1.82Ω 变压器初级电路的寄生参数为:引线电感L1m,0.1µH;振荡器电容与引线电容之和为C1m=2500PF;储能器充电电流的有效值为ICH,1.5A。 7 脉冲变压器设计 2 脉冲变压器的设计 2.1 线路的计算 脉冲变压器的设计从选取绕组线路开始。选取绕组线路的主要根据是变比。脉冲宽度、绕组工作电压、脉冲重复频率等也必须考虑。例如，当脉冲宽度很宽、电压极高时，绕组匝数很多，必须采用多层绕组，尽管它的结构有些复杂。然而，只有经过初步计算之后，才能说明是否有这种必要。因此，在着手设计时，选取绕组线路的唯一根据就是变比。 为了选取脉冲变压器的绕组线路，首先确定变比: U2280 103 n 24 3U1 B12 10 0.95 根据速调管的效率和板压来确定它的等值直流电阻 2U2280 103 R2 nst PST30 106,,2 0.4 10 4 7 RR2N2 1047 242 1.82 tkR1R22 106 1.82 1.82L1 91 10,6 U21.82,1.82 0.02 ,,R1,R2U2 首先检验升压变压器脉冲前沿畸变时简化等值线路 图2-1 分析升压变压器脉冲前沿畸变时所用的变压器简化等值线路 根据脉冲变压器的性质: 8 脉冲变压器设计 假定在x=0时 : Ls ts s, , ,R1,R2C (2-1) 在x=1时 Ls C ts s, ,R,R , 12 在本设计中假定X=0 按照设计要求，前沿顶部上冲应等于零。根据图选取δp,1。在δp,1时，前沿顶部也没 有上冲，然而，这时脉冲前沿宽度加大。利用δp,1的曲线，在0.9 电平处求得前沿相对宽度为3.25 图2-2负载为速调管时脉冲前沿标准无量纲曲线 图示为δ=1时负载为线性电阻时， p为稳定状态下即匹配状态下的 9 脉冲变压器设计 非线性电阻的特性曲线。 电压传输系数为 R21.82 0.5 1.82,1.82R1,R2 允许的漏感和分布电容: LS ,ts , .R1,R2, S 0.3 10,61,1.82,1.82, 3.25 0.575 10,6 0.099 10,6, H C ,6 29.7 10,9 F,9 173 10 下面计算时将舍去较小的漏感，而采用其较大的值;合去较大 的分布电容，而采用其较小的值。 LS 0.575 10,6,H, C 29.7 10,9,F, 为了保证前沿顶部没有上冲，波阻抗应具有如下的数值: LS0.575 10,6 4.4 ,9C29.7 10 按求得的LS和C及任务书规定的初次级电路寄生参数，确定允许的变压器漏感和分布电 容。假定变压器初级绕组的出头引线电感等于初级电 10 脉冲变压器设计 路的引线电感。折算到次级的变压器漏感为初级漏感n2倍，因而，次级绕组的出头引线 电感忽略不计。这时: 脉冲变压器的允许漏感和动态分布电容如下: LSB LS,L1M,LRM 0.575 10,6,0.1 10,6,0.1 10,6 0.375 CB C,C1M,CSTN2 29.7 10,9,2.5 10,9,5 10,24 242 24.3 10,9F 2.2 绝缘的设计 高压脉冲变压器的绝缘包括骨架、绕组与地、层间绝缘、导线的匝间绝缘、灌封材料以及高压引出等。其中任一环节的损坏都将导致变压器的完全失效。因此，优化高压绝缘设计。可以保证或延长其寿命。提高其可靠性架采用有机玻璃制作。将铁心安装在骨架中骨心，高压脉冲从高电压端的中心引出。次级线圈的另一端和初次线圈导线从低电压端引出。重点设计各引线端彼此间的耐压，并在骨架两端做工艺孔。便于灌封材料的注入和排气初次级线圈选择表面质量好。高强度缩醛漆包圆铜导线，以保证导线的匝间绝缘。层间绝缘材料选用绝缘电阻大、电气强度高、介质损耗小、机械强度大和有良好的耐热性的绝缘薄，其厚度根据层间电压差计算膜沿面耐压水平:由灌封材料的长度来决定绝缘强度体绝缘性能:由灌封材料和薄膜厚度来决定绝缘强度将绕制好的高压脉冲变压器进行真空浸油并密封。以提高变压器油的绝缘强度，并在灌封前，对变压器油进行去杂质、去湿等处理 为提高高压脉冲变压器的耐压性能，我们围绕以下几个方面进行绝缘结构设计: (a) 采用有机玻璃制作绝缘筒，将铁心安装在绝缘筒中心，高压绕组引线从高电压端的中心引出、二次绕组的另一端和一次绕组导线从低电压端 11 脉冲变压器设计 引出着重设计好各引线端彼此间的绝缘强度，并在绝缘筒两端留出工艺孔，便于油的注入和排气。 (b) 一二次绕组选择表面质量好、高强度缩醛漆包圆铜导线，以保证导线的匝间绝缘 (c) 要求层间绝缘材料的绝缘电阻大、电气强度高、介质损耗小、机械强度高、耐热性好。绝缘薄膜的厚度则根据层间电压差计算。 (d) 沿面耐压由油的绝缘强度来决定。 (e) 体绝缘由油和薄膜厚度的绝缘强度来决定。 (f) 要保证选用的变压器油质地纯净，绝缘性能稳定，粘度较低。 (g) 对高压脉冲变压器器身进行真空浸油并密封，以提高变压器油的绝缘强度，并在注油前，对变压器油进行去杂质、去湿等处理。 方案的初级电压不算高，可以采用绝缘厚纸或电缆纸作为初级绕组与铁心间的绝缘。然而，考虑到变压器的功率极大，为了改善铁心与绕组的散热，最好初级绕组与铁芯间为纯油间隙初级绕组的绝缘结构如图所示，为了便于对方案的变压器进行比较，为了改善铁心的散热条件，根据60kv的工作电压来选取绝缘距离 1根据变压器油的抗电强度，取其一半，求得绝缘距离 1=0.85cm考虑到铁心表面不光滑，会使绝缘间隙 1中的电场有某些不均匀，以及绝缘支架表面击穿电压较低，还希望铁心和初级绕组有良好的散热条件，因此 1=1cm。用有机玻璃做绝缘骨架。由于初次级绕组间电压极高，并考虑到在脉冲振荡器及脉冲变压器过电压下这调管会发生短时击穿，可能产生火花，因此，初次级绕组间用纯油间照绝缘。 可能短时击穿，采用油绝缘，能自动恢复其绝在故障状态，绝缘间隙 12 缘性能。当油老化时，不必把变压器拆下来就可以换油，这都是采用该种绝缘介质的主要原因。 ，在绝缘结构中，绕组间的电场是非常均匀的。为了确定绝缘距离 12 要考虑变压器油的抗电强度和脉冲宽度、电极距离、电极形状等因素的关 12 脉冲变压器设计 ,2-2.5cm。系。根据允许电场强度为140—160 kV,cm求得绝缘距离 12 等于骨架的厚 ,0.3cm绝缘距离 12考虑到使用过程中油的老化，取此 12 =0.3cm。仍用有机玻璃做骨架。 度，通常此 12 在所选的变压器结构中，绕组的散热条件很好。电流密度可以提高到15——20mm2。然而为了保证变压器有较高的效率，为了防止速调管灯 mm2丝电流在次级绕组中产生过大的电压降，取电流密度为5。降压灯 丝变压器接到次级绕组的I组和II组间，次级绕组始端接交流电网。这时，次级绕组每段的灯丝电流为: UI12 30IDD DD 0.82 U2220 2 按已知的脉冲重复频率及脉冲宽度，脉冲占空系数: q 114 10FtK50 2 10,6 次级绕组每段及初级的有效值电流分别为: IE2 I2 4q U2 4R2q 280 103 4 4 0.67 IE1 IE2n 0.67 24 16 忽略集肌肤负效应时各段的等值电流为: 2IDZ2 IE2KR,2IDD2 0.672 2.8,2 0.82 1.98 2 IDZ1 ICH 1.5 22 IEK, 16 2.8, 27 1R 4 4 22 为了减弱集肤效应，初级绕组用几股线并联绕制。每股的线径和次级绕组一样。初级绕组并联的股数为: N IDZ127 24 IDZ21.98 13 脉冲变压器设计 D1 D2 1.IDZ21.98 1. 0.71mm j5 集肤效应系数为: KZF 1,2.18D tK 1,2.180.71 10,32 10,6 2.1 考虑到集肤效应，把线径增大到0.9mm，这时的电流密度和所取值相差不多确定了匝数和匝间电压之后，选取导线牌号，并确定匝间距离。初步计算叫取匝间距离为1.2mm 2.3 铁心和绕组的选择 2.3.1铁心的设计要求 铁心是脉冲变压器的重要组成部分。脉冲变压器的体积、质量等主要指标都由铁心来确定 脉冲变压器铁心中发生的电磁过程和普通电源变压器一样，都遵循如下的规律; 1(电磁感应定律，该定律确定了变压器绕组电压与铁心磁通变化串之间的关系; 2(全电流定律，该定律确定了铁心中的磁场强度和变压器磁化电流间的关系; 3(磁滞现象，该现象表示铁心中磁感应强度的变化和磁场强度的关系; 4(随时间而变化的磁通穿过铁心时引起的涡流现象; 5(铁心的磁饱和现象。 脉冲变压器的主要特点是:铁心中发生的一切电磁过程都是高速的和不对称的脉冲宽度和重复频率不同，其中电磁过程变化的速度及不对称性都有很大差别。由于涡流和磁通的变化率成比例，因此，脉冲变压器铁心中的涡流是极其显著的。涡流的存在，使铁心损耗激增。有效磁导率大幅度下降。如果不采取有效 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，铁心中电磁过程的不对称性使铁心材料的磁性能得不到充分利用。 14 脉冲变压器设计 脉冲变压器的铁心型式和其他变压器一样，脉冲变压器使用的铁心型式有壳式、心式和环形三种。一般，大功率脉冲变压器使用CD型心式铁心或者具有接近圆截面的心式铁心，当需附加直流偏置时，使用不切开的C形铁心，这种铁心称为矩形铁心。中小功串脉冲变压器使用ED型和环形卷统铁心。铁心尺寸根据提高励磁电感，减小寄生参数，缩小铁心体积这一原则来确定。 脉冲变压器铁心的工作状态和电源变压器不同，对材料的要求也不一样。脉冲变压器的铁心材料必须具备如下特性。 1(在前沿很陡的窄脉冲作用下，磁感应增量的变化率极高，在铁心中将感生强烈的涡流，引起显著的损耗，为了降低这种损耗，确保在窄脉冲情况下能得到高的有效脉冲磁导宰，希望铁心材料的电阻率越高超好。 2(前面已经说过，对于不加去磁磁场的脉冲变压器来说，铁心工作在极限局部磁滞回环上，为了能有较高的ΔB值，铁心材料的饱和磁感应强度越高越好，剩余磁感应强度越低越好 3(为了改善脉冲变压器的技术经济指标，在设计大功率脉冲变压器时，都要外加去磁磁场。对于这种变压器来说，希望铁心材料的矫顽磁力要小，矩形系数要大，饱和磁感应强度要高 4(为了降低脉冲变压器的温升，希望铁心材料的比损耗越小越好。 5(铁心材料还应当具有良好的温度稳定性及耐辐射性等。 脉冲变压器的常用铁心材料有:电工钢、软磁合金、软磁铁氧体、非晶态台金等对于脉冲变压器来说，最常用的铁心材料是冷轧电工钢DGl-DG4。在没有退火的状态下，该材料有较高的饱和磁感应强度和较低的剩余磁感应强度。退火以后，这种材料的磁滞回环有较高的矩形度，有较高的平均脉冲磁导串，加上价格低廉，因而在大小脉冲变压器中都广为采用。 在设计大功率脉冲变压器时，为了得到最小的体积，最轻的重量，希望铁心的磁感应增量和脉冲磁导率越大越好。可见，磁感应增量越高，脉冲磁导率也越高。因而，希望选取比较高的磁感应增量。 15 脉冲变压器设计 然而，磁感应增量越高，铁心的磁滞与涡流损耗将更高。磁感应增量提高几倍，铁心的截面积就减小到原来的几分之一。在磁路长度不变的情况下。随着截面的减小，铁心体积、铁心损耗、绕组平均匝长、绕组损耗 等都下降。 选取冷轧电工钢带DG2为铁心材料。它的价格比软阳合金低，磁性能也比较好。为了降 低铁心损耗，选取带厚为0.05mm.铁心做成带绕式的，形状为C D形，但不切开。先卷绕后退火，以保证磁滞回环有较高的矩形度。为了减小铁心尺寸，取磁感应增量为此 2 s 3T。 2.3.2铁心的去磁电路 要想得到这样高的磁感成增量，必须有去磁磁场。由于人工线的充电电流不够大，必须利用专门的去磁电源，经脉冲变压器的初级绕组去磁。、 铁心去磁电路的计算 图2-3脉冲变压器的直流去磁电路 在图中 IQ是产生去磁电流的电源;IZL是阻流圈用来防止去磁电源对脉冲电压的短路。为了阻流圈对脉冲平顶没有影响，电感量足够大，而分布电容要足够小。电容CP 用来对脉冲进行旁路，防止在去磁电源的内阻上产生脉冲压降。去磁可由下式确定: 16 脉冲变压器设计 HQm IQN1 l (2-2) 采用图2-3所示的去磁电路。去磁磁场的强度应比材料的矫顽磁力略大一些。根据DG2—0.05的矫顽磁力为36A/m 选取去磁磁场强度为HQ,1.25HC,1.25×36,45A/m 根据式2-2可得: IQ HQl N1 45 1.036 9.3A 5 去磁电流沿初级的四段绕组流过，各段的电流密度约增大15,，因而，这是允许的。不需要改变导线直径。对于不同的设计方案来说，去磁电路中阻流圈的电感量也不同，其值分别为: LZ 15L1 148 10,6 15 2220 10,6H 初级电路的总电感满足电参数及平顶降落的要求。为了方便起见，把阻流圈做成单层螺线管式的 从图2-4可见，DG2—0.05的比磁化能为20x10-4J/cm3因而，当脉冲重复频率为50Hz时，单位体积的损耗为0.1w,cm3比损耗相对不高，铁心的温升不会超过允许值。 根据脉冲宽度tk和铁心材料的带厚，按图2-5求得有效脉冲磁导率 e为3000。 假定铁心的制造工艺十分完善，因而，铁心的填充系数为0.85，为了减小绕组的平均匝长，铁心截面做成正方形的，这时ks,1。对于四段并联的锥形绕组来说: 17 脉冲变压器设计 图2-4 3T时铁心材料的比磁化性能和脉冲宽度的关系 图2-5 有效脉冲磁导率和脉冲宽度的关系 18 脉冲变压器设计 FL, K,DK,N, 1 12 12 , 12 4 23P D1,D2 ,3 331 12 1.2 10,1.2 10 0.03 , 0.1 , 4 3 23 3.45 10,3m K 13 12 12 122 ,,FC ,N 4,, N,1 1 23P 12 K 2.23 2.2 12 2 4 , , 0.1 ,24,1, 0.010.0323 20.2 104F 0.1 1 12 2.2 求的系数β为 取 12 2.15 10,9 StKU1LP CP FLFC 1, 1,C L BKTSB B 2.15 10,9 3.25 2 10,6 12 103 3 0.85 0.2 5.4 0.5 3.45 10,3 20.2 104 1, 1, 0.37524.3 1.67 10,9ms 铁心 2 KSS t S 2 2 tS K,DK 2 1.67 10,9 1 1,, 2,6 KS0.3 10 2 0.3 10,60.01,0.03,0.0012,0.0012 1,, ,921.67 10 1 19.2 10,4m2 19.2cm2 为了铁心截面积为正方形，所许的钢带宽度: a S .2 4.4cm 44mm 当成品钢带没有合适的宽度时，可以自己下料。如果不能下料，可选 19 脉冲变压器设计 取20mm宽的钢带，用两个铁心叠起组成一个铁心。在两个铁心间留有一定宽度的油道，从而把铁心散热面积近似提高一倍。然而，这时铁心截面积不是方的。铁心截面的形状也不是最佳的。取油道宽度为0.5cm。铁心截面的相应参数如表所示。 表(2-1)铁心截面的参数 由上表可确定铁心截面s 21.6cm 铁心填充系数KT 0.755 KS 1.00 52 2.3.3 绕组的选择 绕组的设计原则: ?满足规定的绝缘要求; ?大功率脉冲变压器须保证有足够的散热面积和通道; ?尽可能缩短绕组长度，以降低铜损; ?使脉冲变压器体积最小; ?满足允许的漏感和分布电容值，能获得最低值。 减少漏感的方法: ?低压小功牢脉冲变压器，当变压比n,1时，采用双线(对2个绕组)或多线(对多个绕组)并绕能大幅度降低变压器漏感值。当n?l时可将匝数少的绕组夹在匝数多的绕组中绕制。这种方法对环形结构最为合适。 ?减小绕组间绝缘厚度。由于减小绝缘厚度即减小了漏磁面积，故可减小漏感。但此时分布电容增大。 ?增大绕组高度。由于漏感与绕线宽度成反比，增大绕线宽度可减小漏感这相当于增大铁心窗高。绕组高度增大后其厚度可减薄，这可进一步减 20 脉冲变压器设计 小漏感。 ?改变绕组排列，增加漏调磁势组数。由于漏感与漏调磁势组数的平方成反比，可采用交叉绕法来增大其值，以减小漏感。但此时分布电容增大。 ?采用“自藕式”绕法，采用。自藕式”绕法可减小调感。如当n=2。自藕式”绕法的漏感为普通绕法的四分之一。 在此需说明的是，由于减小漏感与减小分布电容之间是相互矛盾的。因此，必须折衷考虑达到最佳的设计。 根据下图要求寄生时间常数小、抗电强度高的线路选定采用变压器式线路,锥形绕组，由上文知n=24，此时寄生时间常数T n 1.变压器式线路，锥形绕组 2。自耦变压器式线路，饼式绕组; 3.M=1的B1 线路; 4。变压器式线路，饼式绕组 图2-6饼式绕组和锥形绕组的寄生时间常数与变比的关系 考虑到次级电压很高，因此应选取寄生时间常数小，抗电强度高的方案。需要采用锥形绕组。 21 脉冲变压器设计 图2-7锥形绕组的结构 为骨架宽度，在图中h为导线的宽度， 1为初级到铁心的距离。 12 为绝缘间隙。 12 采用锥形绕组，不仅可以降低脉冲前沿的畸变，而且能减小铁心体积，使整个变压器的外形尺寸，以及所用的绝缘材料的数员都显著下降。 为了提高变压器的抗电强度，希望初次级绕组都由四段并联组成。这时，变压器的绕组线路如图2.3.5所示。为了结速调管灯丝供电，次级绕组分成对称的两组I和?。尽管次级绕组分别绕在两个不同的铁心往上，速调管灯丝电流所产生的磁场仍能相互补偿。 图2-8脉冲变压器绕组各段连接图 22 脉冲变压器设计 确定了铁心截面积之后，可确定初次级绕组的匝数: U1tK BSKT 2-4 N2 NN1N1 在考虑绕组线路、导线的绝缘及匝间距离的情况下，根据每层匝数和带绝缘线径来确定绕线高度h。当绕组为多层时，层数越多，绕线高度就越短。通常，在保持足够抗电强度的前提下，希望绕线高度越小越好。绕线高度与绝缘距离h’, h"确定了铁心柱的高度。绝缘距离 , k,dk, 确定了铁轭的长度hTe 铁心的平均磁路长度 l 2, h,h ,h ,,2hTe, 2-5 把求得的铁心平均磁路长度代入 4 P2tK e 10,7 U2 2-6 S 21, KTl BU2 检查其是否满足要求。这时，公式中应代入铁心的有效脉冲磁导率， 如果式2-6不成立，则说明求得的铁心截面积不能保证允许的脉冲平顶降落。为了能满足该不等式，需要采取如下措施: 1、采用更好的铁心材料，或把铁心材料的带厚减薄一些，以降低涡流损耗，提高有效脉冲磁导率。由于脉冲磁导率的下降主要是涡流引起的，采用更薄的带料往往能取得良好的效果。 2、适当降低磁感应增量当磁感应增量下降时，铁心截面积和铁心体积都增长，因而，通常不希望采用这种措施。 由表2-1可知S ，KT的值 同时由确定的值 传热系数KK= 2 10,6 B 2 S 3 23 脉冲变压器设计 具体计算如下: U1KK12 103 2 10,6 N1 4.9 ,4 SKT3 21.6 10 0.755 取N1 5 N2 N1N 5 24 120 为了确定绕线高度先求匝间距离，匝间电压为: U2280 103 UZ 2.33KV N2120 匝间电压不算太高，可以采用QZ,2导线。当线径为0.93mm时，它的交流击穿电压为3000 V，两股线可以承受5000V耐压，保证抗电强度有一倍以上的余量。 为了加强匝间绝缘，提高变压器的可靠性，最好采用丝包漆包线SQ等，带绝缘线径1.1mm左右。考虑到排绕系数，认为匝间距离为1.25mm。这时，每段的绕线高度为: h 1.25N2 1.25 120 150mm 铁心窗口的高度 hT 2,h,h , 2,0.15,0.01, 0.32m 不同铁心柱上高压引出头之间的距离取为2cm。这时铁心窗口的宽度为 hTe 2 , K,DK,,0.02 2,0.01,0.03,0.00125,,0.02 0.105m 铁心的平均磁路长度 l 2hT,2hTe,4b 2 0.32,2 0.105,4 0.048 1.036m 假定平顶降落小于2%，铁心截面积由表3.1确定的S=21.6cm2 24 脉冲变压器设计 由下式验算平均磁路长度是否满足要求， 4 P2tK e 10,7 U2S 21.6 1, KTl B2U2 4 75 106 2 10,6 3000 10,7 5.6 103 1,0.05 10,4 0.755 1.036 32 280 103 由结果知符合要求。 2.4 脉冲变压器的脉冲的计算 脉冲变压器的等效分析，可以把脉冲作用分为三个阶段， 即前沿阶段、顶部阶段、后沿阶段，因为在前沿阶段，对于等效高频的电压上升阶段，励磁电感里高阻效高频的电压上升阶段， 励磁电感里高阻抗，我们可以近似忽略 同时由于脉冲变压器绕组间存在漏感及杂散电容，这些杂散参数的存在，使前沿很陡的脉冲变压加到变压器上时及脉冲结束后在变压器电路中将产生复杂的振荡过程， 这些振荡严重时，将会使所变换的波形产生畸变。所以要合适设计阻尼系数，通常认为当负载阻尼状态， 由于脉冲变压器绕组间存在漏成，绕组和变压器其他结构零件间存在分布电容。这些寄生参数的存在，使前沿很陡的脉冲电压加到变压器上时，以及脉冲结束后，在变压器电路中将产生复杂的振荡过程。这种振荡严重影响脉冲变压器的工作，使所变换脉冲的波形发生畸变。因此，分析与研究变压器电路中的振荡过程是极其重要的。这种振荡是寄生参数引起的，在设计脉冲变器时，应尽量减小类似参数。 在脉冲的计算中，需要计算脉冲的平顶降落，脉冲的前沿畸变，脉冲的后沿宽度。 2.4.1 脉冲平顶降落的验算 25 脉冲变压器设计 检查脉冲平顶降落 7 U2,1, ,SKTl B 10 U24 P2tK e 1,0.05, 21.6 10,4 0.755 1.036 32 107, 4 75 106 2 10,6 3000 1.34 10,2 检查脉冲平顶降落应小于0.02，由设计知平顶降落符合要求 2.4.2 脉冲的前沿畸变验算 为了保证前沿顶部没有上冲，按算出LS和C然后按下式确定波阻抗: 所设计脉冲变压器的波阻抗如果等于按上式求得的值，则前沿顶部就不会出现上冲。 在确定铁心截面积时没有考虑这种状配。因此，必须对初步设计出的脉冲变压器进行验算，检查漏感和动态电容之比是否满足要求。 按下式验算波阻抗: (2-7) 初步设计出的脉冲变压器，通常部不满足上式。因此，需要对结构参数进行修正。修正的方法并不复杂通过对按阻抗的验算，调整一下绝缘距离或绕线高度就可以了。如果波阻抗大干所需要的值，应该减小绝缘距离，但必须保证足够的抗电强度。当不允许减小绝缘距离时，就增大绕线高度。如果技阻抗小于所需要的值，则应增大绝缘距离，或减小绕线高度。有时，通过改变磁感应增量，或选取相应的绕组线路，来保证必须的波阻抗。 为了取得不同线路的波阻抗值，最好是调整绝缘距离。因为，绝缘距离的变化对脉冲前沿和铁心截面积部影响不大。增大绕线高度将导致铁心体积和铁心损耗都增长，因而是不希望的。 26 脉冲变压器设计 上述参数中只要有一个发生了变化，都要按式: 2 KSS tS 1 4 P2tK e U2 10,4 (2-8) S 1, lK BUT2 重新计算铁心的截面积。实际上式两边之差在?10,的范围 (2-9) CB FC ,N 10.8 K K ,NFL, KdKN, 和FC 有下面求出。 K 在确定漏感LS和分布电容，计算允许的变压器漏感和动态电容 LLSB LS,L1M,2M LS,LP 2N CB C,C1M,CZ,,C2M,CF,N2 C,CP (2-10) LP L1M,L2M--------------------------------外电路的寄生电感 N2 CP CZ,C1M,,C2M,CF,N2-------------------------------------外电路的寄生电容 为了检查脉冲前沿的畸变，首先根据采用的锥形绕组算出变压器的漏感 ,p为: 和动态电容。绕组平均匝长及比值 12 27 脉冲变压器设计 a,b P 4 , , k,Dk, 2 0.048,0.045 4 ,0.01,0.03,0.00125,0.00125 2 0.356m 120.03 0.0845 p0.356 变压器的漏感: d1,d2 5 10,7N12P 12 12 LSB ,12 , 4h3P 3 5 10,7 52 0.356 4 0.15 120.03 0.00125,0.00125 0.035 , , 230.3563 0.33 10,6 初级绕组的动态电容 4 Ph 10,104 2.2 0.356 0.15 10,10C1B 10.8 110.8 0.01 0.139 10,9F 绕组之间的动态电容 C12B 4 PN 10,10 12 122 3 ,N,1,, 10.8 12 23P 4 2.2 0.356 0.15 10,10 10.8 0.03 2 12 3 , 0.0845 ,24,1, 32.6 10,9F 23 求系数: 28 脉冲变压器设计 X C1B,C1m C1B,C1m,C12B,CFN2 0.139 10,9,2.5 10,9 ,9,9,9,1220.139 10,2.5 10,32.6 10,5 10 24 0.069 通过LSBC1BC12B确定变压器的波阻抗: 3.72 根据求的x和图确定波阻抗 及前沿相对宽度 s 图2-9参数 s，x ，a 的关系 波阻抗已有在第一节所确定的，所要求的数值如下: 4.4 S 3.0 5 设计变压器的波阻抗和所需值有一定差别，可以改变绝缘距离 12 根据计算求的绝缘距离和平均匝长 3.5cm P 37.6cm 12 29 脉冲变压器设计 d1,d2 5 10,7N12P 2 12 LSB ,12 2 , 4h3P 3 5 10,7 52 0.376 4 0.15 120.035 0.00125,0.00125 0.035 , , 230.3763 0.396 10,6 C12B 4 PN 10,10 12 122 3 ,N,1,, 10.8 12 23P 4 2.2 0.376 0.15 10,10 10.8 0.035 2 120.035 3 , 24,1 27.6 10,9F,, 230.376 变压器的漏感和绕组间动态电容 改变绝缘距离 12 脉冲前沿宽度: tS S 3.05 0.5,0.396 10,0.2 10,6,6,,0.139 10,9,27.6 10,5.4 10,9,9, 12 0.303 10,6S 0.303 S 根据要求规定脉冲前沿宽度在0.9电平时不超过0.3 S，计算的结果基本符合要求，可以继续其他的各步设计 2.4.3 脉冲后沿宽度的检查 要想精确地计算出脉冲后沿的宽度是相当困难的。由于速调管的伏安特性是非线性的，当脉冲电压下降时，它的内阻增长。衰减系数δ1也随电压的降低而减小。然而，我们对精确的后沿宽度并不感兴趣。只要能知道后沿宽度不超过允许值就足够了。 计算时认为:速调管电压从额定位降到0.1电平的过程中，衰减系数δ1恒定不变，并等于0.1电平时的值。这样一来，实际的后沿宽度将小于计算值。 30 脉冲变压器设计 当功率为速调管时伏安特性: 3 2S gsU IS 1 US PR2 U2 (2-11) UR2 SP 12 所以由上式可得: PR21.82 R2 5.76 11 US 2,0.1,2 USP 1 2 4.5 δ1大于2计算脉冲后沿宽度。可由近似公式来确定后沿宽度: tj 2.3RC (2-12) ,C1B,C12B,CP, 2.3 5.76,0.139 10,9,27.6 10,95.4 10,9,tj 2.3R2 0.434 s 根据要求脉冲后沿宽度应小于0.5 s，因此计算脉冲后沿宽度符合要求。 2.5 脉冲变压器的整体结构 脉冲变压器绕组的绝缘结构应当满足下列要求: 1、绕组绝缘应当具有足够的抗电强度，在各种可能的过电压下都不应当发生击穿或飞弧; 2、绕组的寄生时间常数应当尽可能小 3、在最高工作温度下及规定的使用期限内，绕组绝缘的电气和机械性能应满足要求。 31 脉冲变压器设计 因此，所用绝缘材料的抗电强度越高越好，介电常数越小越好。电压五十到几百千伏的脉冲变压器都是油浸式的。在这种变压器中，绕组的绝缘结构主要由抗电强度来确定。高压下电场的不均匀性对绝缘结构的抗电强度有极大影响。设计高压脉冲变压器时，应当保证绕组和铁心间及绕组各层之间的电场要尽可能均匀。此外，在设计绝缘系统时要注意有足够的表面爬电距离;图上表示了锥形绕组超高压脉冲变压器的简化结构。 1.铁心 2. 初级绕组 3. 有机玻璃骨架 4.次级绕组 图2-10高压脉冲变压器的结构 初级绕组2绕在铁心l上。由于初级电压退常不超过50kV，因此，初级和铁心洞的绝缘比较简单。高压绕组由四段并联组成，每段都是单层的。各段的始端均在铁获附近，而终端——高压引出头——在铁心柱的正中间。因此，高电位点离铁心很远。由于各段的高压引出头的电位相等，不需要很大的绝缘距离。从铁扼到铁心注正中间，电压是均匀增长蝴从铁心注正中间到另一个铁轭，电压又均匀下降，从而保证绝缘间隙Δ12:中的电场比较均匀。 次级绕组4绕在有机玻璃做成的盒式骨架上。因此，不存在表面放电的平面，自然不会发生类似的击穿。每个骨架都由四块组成，靠次级绕组的导线固定在铁心上。从绕组终端到始端，绝缘距离Δ12逐渐减小、。这 32 脉冲变压器设计 不仅可以降低绕组的寄生时间常数，而且可以提高绝缘系统的机械强度。 在设计脉冲变压器的整体结构时，要特别注意变压器的高压引出头。由于电压极高，灯丝变压器和这调管阴极之间的连线要尽量短。速调管阴极引出头也希望浸在变压器油中。考虑到这些要求而设计出来的脉冲变压器如图所示。在图示中: 1.脉冲变压器 2.3.有机玻璃骨架 4.底板 5.螺杆 6.13.初级高压绝缘子 图2-11 脉冲变压器的整体结构 利用弯角支架和拉紧螺栓把脉冲变压器l固定在顶盖上。变压器下端固定在底板4上。用螺杆5和 33 脉冲变压器设计 止油中微粒沉积到绝缘子表面上去。 箱壳的顶盖上装有扩张器12和初级高压绝缘子13。 为落实在高压状况下的安全运行，变压器制造时必须彻底干燥，完全浸渍 并封密在一个防漏的箱体容器 90?的烘 漏油则必须返工;如果不漏油，就可以油漆容器表面。 2.6 脉冲变压器的温升与经济指标 2.6.1脉冲变压器的温升和经济指标 变压器的温升应不超过允许值。允许温升等于绝缘材料的极限工作温 度与最高环境温度之差。对于变压器油来说，极限工作温度为95?。一 般最高环境温度为40一50?。因此，允许温升为40?左右。为了降低温 升，变压器应当有足够的散热面积 脉冲变压器的经济指标有:效率、功率系数以及有效材料的利用系数 k ，该系数是衡量变压器优劣的重要依据。利用系数表示单位功率消耗 34 脉冲变压器设计 的铁心和绕组材料。 脉冲磁化时的铁心损耗高的效率。影响变压器效率的主要因素是铁心损耗。铁心损耗由磁滞损耗、涡流损耗、磁后效作用引起的损耗、及铁心钢带之间绝缘不良引起的损耗等叠加而成。 经验表明，精确地计算出以上各种损耗是比较困难的。而且，铁心钢带之间绝缘不良引起的损耗由制造工艺来确定，各单位的工艺条件互不相同，因此，这种损耗是无法解析计算的。脉冲变压器的铁心损耗，常根据某些条件下试验得到的曲线，加上必要的计算来确定。铁心的平均脉冲磁导率也用这种方法确定，然而，磁性材料的品种很多，脉冲变压器的工作状态也互不相同，测出所有必须的参数是相当复杂的。此外，测得的这些数据也有一定的局限性。因此，工程实践中通常只考虑磁滞与涡流两种损耗。 在推导磁滞与涡流损耗的公式时，通过某些简化，使导出的公式有一定余量，以补偿磁后效及铁心钢带绝缘不良等因素引起的损耗。当然，这种方法会产生一定的误差。实践表明，其精度是足够的。 2.6.2 脉冲变压器的温升和经济指标的验算 铁心损耗: PT VFW SKTlFW 21.6 10,4 0.755 1.036 50 20 10,4 106 169W 为了计算绕组损耗，先确定绕组的电阻。所选导线为QZ,2 0.93单股线的截面积为 0.68mm2。考虑到并联的股数，绕组电阻为: 35 脉冲变压器设计 N1P r1 3.42 10 1,kR SD ,8 5 0.376 ,3 3.42 10 1, 2.8 14 0.68 10,6 ,8 4.6 10,2 绕组损耗: 2 I 22CHPR 4 r1 Ie1, Ie22,,2IDD, ,r2 4 2 1.5 2 ,222 4 4.6 10 16, 0.67,0.82 ,15.5 4 117W 计算变压器的磁化电感: L1 4 10,7 eN12SKT l 4 10,7 3000 52 21.6 10,4 0.755 1.036 148 10,6H 变压器的无功功率: 2 LSBtKPq 0.5FU C1B,C12B,, 2,R2 ,L1 21 0.5 50 ,12 103,2 ,62 ,9,2 10, 0.139 10,9,27.6 10,9,0.396 10, 1.822148 10,6 625VA 铁心的散热面积 STM 4bl 4 4.8 10,2 1.036 0.199m 1990cm22 铁心表面的比热负荷 36 脉冲变压器设计 PBR P169WT 0.0852 STM1990cm 脉冲变压器的平均功率: p275 106 P2P 7500W 4q10 变压器的效率 B P2P,Pq P2P,Pq,PT,PR 7500,625 0.964 7500,169,117,625 脉冲变压器的效率在0.95-0.98范围内，因而计算结果在符合要求。 变压器的功率系数 PqKg B 1, P2p 625 0.964 1, 0.88 7500 脉冲变压器的功率系数在0.75—0.90。计算结果符合要求。 变压器的利用系数 kB VSKTl P2P2 103.6 75 106 21.6 0.755 ,6cm3 22.5 10W cm3 脉冲变压器的利用系数kB 50 10，可见设计的结果在要求范围内。 W,6 容许的比热负荷为0.25W, 铁心的实际的比热的负荷为允许值的三cm2 分之一，因此该脉冲变压器可以在50HZ的重复频率下使用而绕组的比热负荷也为允许值的三分之一，所以变压器的温升满足要求。 37 脉冲变压器设计 3 脉冲变压器的试验 由于脉冲变压器是根据近似等值线路和近似公式进行计算的，加之设计过程中所采用的有效脉冲磁导率、绝缘材料在脉冲状态下的介电常数不够准确，漏感和动态电容的计算精度不高，设计出来的脉冲变压器必然有一定误差。因此，为了提高设计精度，着手设计之前，最好先测量出铁心材料的脉冲参数 设计大功率脉冲变压器时，希望采用形状相似而尺寸不同的标准线圈，这样能比较精确地确定脉冲变压器的漏感和动态电容。对于高压大功串脉冲变压器来说，由于在额定功率和额定电压下的综合试验比较困难，变压器制造出来以后，最好在低压下进行一些摸底性试验，以初步了解变压器的性能 摸底试验之后，根据试验结果对所设计的脉冲变压器进行必要的修正。然后才能把脉冲变压器装入分机进行全面检查。设计之前，对材料与结构进行一系列摸底试验，利用试验测得的数据不仅可以缩短设计周期，而且能提高设计精度。 3.1 脉冲变压器的初次试验 对制造好的高压脉冲变压器进行加压，改变相关参数和脉冲“+,-极性”的试验。在试验过程中，发现问题，及时调整参数，以便于优化设计，提高变压器的性能和可靠性。 3.1.1 加压试验 将高压脉冲变压器按图所示的试验框图进行加电试验。调节可调高压直流电源对贮能电容器C充电，按动触发器使高压开关K导通，贮能电容器C放电，高压脉冲变压器产生高压脉冲，由分压器取样通过存贮示波器观察波形情况。 38 脉冲变压器设计 图3-1高压脉冲变压器测试框图 在初期的试验过程中，随着电压的升高，层间沿面及体绝缘都发生过高压击穿，同时存在电击穿和气泡击穿现象。经过调整层间、沿面及体绝缘参数，反复试验，较好地解决了高压脉冲变压器的耐压问题，其指标达到设计要求。 3.1.2 改变回路参数的试验 改变变压器的回路参数，研究回路参数对脉冲变压器的输出幅度和脉冲宽度的影响，有助于脉冲变压器的设计和参数的调整。通过改变可以得到不同的输出幅度和脉冲宽度。受篇幅限制，具体试验数据略去。回路参数对脉冲变压器的输出幅度和脉冲宽度是互相影响和互相制约的。增加电容可以增加脉冲宽度;增加初级电容或减少次级电容可以增加变压器的输出幅度;并且，变压器的输出幅度和脉冲宽度随着变压器的耦合参数的增加而增加。 因此，在变压器的耦合参数和变比不变的条件下，常常通过改变二次侧参数来调整脉冲宽度;增加电容来改变变压器的输出能量和幅度。 3.1.3 “+,-极性”的试验 采用真空继电器设计了一种新型的“+,一极性” 转换控制器。利用继电器的触点对储能器、高压脉冲变压器的一次侧、高压开关和地之间进行转接，实现脉冲高压“+,一极性”的自动转换。 39 脉冲变压器设计 3.2 脉冲变压器的负荷试验 脉冲变压器创造好以后，在分机上或专用试验台上进行额定负荷试验，以全面检查变压器的参数。其中主要是测量脉冲电压幅值，变比，漏感和电容，前后沿宽度，平顶降落以及检查变压器的绝缘抗电强度。 3.2.1 脉冲波形的检查 脉冲波形的全面检查只能在分机中或专用试验台上进行。 脉冲的前沿宽度及前沿顶部上冲等，由绕组漏感、动态电容及外电路参数来确定。这种畸变实际上和铁心参数、铁心工作状态、绕组电压高低无关。因此，可以在低压下检查。 为了检查前沿畸变，最好利用ZTC,5型过渡特性测量仪。测 试线路如图所示。电阻R1和R2组成一个分压器，用来使仪表的输出阻抗与变压器相匹配。在某些情况下，还要利用辅助脉冲变压器进行阻抗匹配。图中:CSC 是脉冲信号发生器的输出电容，CF是负载电容;RF是负载电阻。如果脉冲变压器的负载是非线性的，则电阻RF可以用几个支路并联组成。每个支路由一个电阻和一个小功率二极管相串联。 图3-2在低压下测量脉冲前沿宽度的线路 脉冲平顶降落只能在额定电压、额定脉冲宽度及实际负载下进行测 40 脉冲变压器设计 量。因为平顶降落取决于脉冲磁导率，该磁导率和变压器的工作状态有关。然而，如果已知额定工作状态下的脉冲磁导率，就可以精确地算出平顶降落，因此，不需要进行类似地检查。 检查脉冲变压器绝缘抗电强度的常用力法是:把变压器次级开路。提高初级电压，使次级空载电压达到规定值。为了避免铁心饱和，在升高电压的同时，脉冲宽度要成比例地减小。试验电压的高低取决于变压器的用途及对可靠性的要求等，通常为额定电压的1.5-2.5倍。 3.2.2 漏感和电容 脉冲变压器的漏感可以用电桥或电感电容测量仪来测量。测量时，一个绕组短路，另一个绕组接测量仪器。 变压器绕组除具有漏感外，还有分布电容和电阻，因而影响测量精度。由于测量是在100—l000Hz的低频下进行的，通常用电桥比较准确。然而，电桥不能测量10μH以下的电感，当脉冲变压器的漏感小于这个值时，只能采用高频电感电容测量仪。 测量绕组动态电容的方法和测量漏感一样。然而，测得结果包括绕组的静态电容。而且，由于绕组电感的存在，使测量误差十分显著。这里介绍简单而方便的测量方法。其原理在于先确定空载变压器频率特性的提升频率，然后，通过计算而确定出动态电容测量线路如图所示。图中GF是高频正弦信号发生器;DV是电子管伏特计。 图3-3用谐振法测量变压器漏感和动态电容的线路 41 脉冲变压器设计 3.2.3 变比的测量 大功率脉冲变压器的变比可以在工频正弦电压下测量。变压器空载，初级加一个较低的正弦电压，测出次级电压就可以了。 为了避免铁心饱和，初级电压的有效值应当满足下式: (3-1) U1〈4.44BSSKTf(V) 为了得到比较精确的测量结果，希望采用0.5级或1.0级交流电压表。测出电压之后，按下式计算脉冲变压器的变比: n U2 (3-2) U1 式中的U2和U1分别为次级和初级绕组的电压。 由于工频条件下的涡流损耗比脉冲状态下低很多，因而，用这种方法测得的变比偏高。 经过试验设计基本符合要求，但也存在一定的问题，希望老师的指正。 42 脉冲变压器设计 总 结 根据设计结果，基本上达到了要求，在设计中也出现了一些疑惑，下面探索一下出现的过程和原因。 磁芯和匝数确定之后，首先要确定线径，线径越粗。绕组电阻越小，但漏感和线圈尺寸要增大。如果磁化电流很大，而采用很细导线，则变压器的温升将升高，虽然导线细、漏感小，但分布电容却增大，脉冲变压器可靠性降低，绕组容易短路。如增大绝缘厚度，线圈的尺寸又增大。因此，通常采用理论和实践相结合的方法，找一个适中的数值，多半根据工艺因素选取线径。也可根据绕组的等值电流和允许的电流密度来确定线径。 为了减小漏感，除绕组均匀绕在磁芯骨架上外，更有效的方法是采用双线并绕，可以显著的降低漏感，初、次级绕组都是并 绕后串使用。当绕组各层高度不等。相互错开时，漏感也会加大，这是不希望的。通常认为漏感和磁芯的磁导率无关，然而，当 1时，磁芯的存在会使精感增大，所以绕线时特别注意要严格按照工艺纪律执行，注意绕组各层次高度不能塌线，互相错开。 为了减小分布电容，这里采用了绝缘层较厚的丝包漆包线、如采用绝缘层很薄的漆包线乱绕、也可以减小分布电容。但易造成短路且不规则。故不采用。磁芯与绕组绝缘材料的介电常数对分布电容有很大影响。 绕组问除了电感耦合外。还有电容耦台， 这种耦合是绕组问分布电容所引起的， 如果次级绕组是多层的井直接绕在初级之上， 两者之问没有间隙， 则这种电容耦合发生在韧级和次级绕组的第一层之间。 电容耦合的存在，使脉冲波形变坏，因此在初、次级间加了铜箔隔离层作为屏蔽， 并且采用了介电常数较小的聚四氟乙烯薄膜作为绝缘材料(介电常数1.8-2.2)。但是这种薄膜的表面电阻最小。因此。在实际使用时。最好包一层聚四氟乙烯薄膜，包一层电容器纸或电缆纸。两者交替使用更好。 此外，脉冲变压器层问的分布电容使开关电源中的高频噪声很容易在初、次级之问进行传递。变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路，从而使变压器周围产生的电磁场更容易在其它引线脚上耦合形成噪声，此 43 脉冲变压器设计 噪声也不能忽略。 漏感和分布电容在脉冲变压器中能起决定性作用。它能造成损耗增加，严重时会造成开关管损坏， 因此须严加控制。 如何处理脉冲变压器的分布参数和结构参数之间复杂而又矛盾的关系是脉冲变压器设计计算的难点，漏感和分布电容很小时，变换的脉冲波形畸变也最小，若减小漏感和分布电容.就须减少变压器线圈匝数和磁芯截面积，同时，要求变换的脉冲顶降入要小，则须加大磁化电感，也就是说要增加线圈匝数和磁芯截面积，这些参数是相互矛盾的，在设计中只能采用折衷的方法解决，对其取舍应以所要参数的重要性决定。 44 脉冲变压器设计 致 谢 在最近几个月的毕业设计，上官老师和系里刘朝辉学长的辛勤指导下，我在各方面都有了很大的提高。虽然我的这次毕业设计可能做的质量不是很高，或者对脉冲变压器的设计的介绍还不是很彻底很深入，还存在很多的解决不了的问题。但能够发现问题毕竟不是件坏事，有问题说明自己在很多方面还存在不足，在这些方面我还需要继续学习，这为我今后的学习和工作指明了方向。看着自己的劳动成果，心中感到欣喜，毕竟通过了自己的努力取得的成绩是最令人开心的。我感觉我在各个方面都有很大的进步。 我的理论联系实际的问题的能力有了一定的提高。大学四年中学的专业课和基础课很多，无论是专业知识还是基础知识都有了一定的提高, 但对于理论所能解决的什么实际问题却缺少必要的经验和联系实际的能力。通过这次毕业设计，我认识到任何一件产品的设计过程中都要求在一定的步骤下，逐步仔细完成每步的设计要求，才能完成最终的设计。 再次感谢在本次设计中给了我很大指导和关注的上官以及我周围的老师和同学～ 45 脉冲变压器设计 参考文献 [1]王瑞华.脉冲变压器的设计.北京:科学技术出版社,1996. [2]变压器制造技术丛书编审委员会.变压器绕组制造工艺.北京:机械工业出版社,1999. [3]变压器制造技术丛书编审委员会. 变压器试验.北京: 机械工业出版社,1999. [4]Tesla 变压器的应用与发展.张嘉生.1997.2.25 [5]双次级绕组高压脉冲变压器的研制.姚永和.1999.10.7 [6]脉冲变压器的磁学.黄键聪,严思幸,叶治政,王金敏.2000.6.5 [7]胡永林.靶压及靶压变压器的的基本理论和设计. 中物院五所:电子技术参考，No4(1988). [8]王莹.高功率脉冲电源. 北京:原子能源出版社，1991. [9]肖明珠.Tesla变压器的两种工作模式. 高压电器，(1999)No4 [10]丁道宏.电力电子技术. 北京:航空工业出版社，1992.209-214 [11]叶慧贞.杨兴洲。开关温压电源，北京:国防工业出版社，1990.90-93 [12]包满硅.多层工艺的高频平面电源变压器的设计[J].电子变压器技术，1997(1):32-38 [13]脉冲变压器设计、制造、测量[R].首钢总公司冶金研究院鉴定材料，1984 [14]顾绳古.电机及拖动基础( 上册 三年级上册必备古诗语文八年级上册教案下载人教社三年级上册数学 pdf四年级上册口算下载三年级数学教材上册pdf )，机械工业出版社，1980 [15]张德泉，常安碧，张之福.高压脉冲变压器研制,c,.绵阳:中物院应用电子学研究所.1995 [16]《大功率脉冲变压器对磁芯材料的要求及测试》杨德芳，1978年 46