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三谐振高压脉冲变压器

时间:2018/3/8 10:26:00来源:本网添加人:admin

  (中国工程物理研宄院应用电子学研宄所,高功率微波技术。图中,C1为初级储能电容,初级电压为U0;C2为调谐电容,其电压为U2;C3为负载电容,一般为形成线负载或传输线负载电容,其电压为U2;L1为空芯变压器初级绕组电感;L2为空芯变压器次级绕组电感;M为空芯变压器互感。此电路所具有3个本征频率为及。当能量传输效率为100%,也即电容器C1存贮的能量100%地传递到负载电容C3上时,电路发生谐振。此时,电容器C1及C2上的电压、电流为零而C3上的电压达到最大值,电流为零。这种情况只能在3个本征频率(假设<奶<)满足,男,博士,从事脉冲功率技术研究;aeplm163.com,各电容的电压的表达式为典型的波形如所示,其中了为周期。由可以看出,U2和U3最大值的比为0. 36:1.00,也就是说空芯变压器上最大所承受的电压仅为负载上最大电压的36%,即理论上可以将空芯变压器的输出电压提高到原电压的2.77倍,这样就大大减小了空芯变压器高压线圈上的耐压,而相对于变压器高压线圈来说,因不用考虑磁场耦合等因素,调谐电感的绝缘更容易满足要求,这样就增强了整个装置的稳定性。

  2三谐振脉冲变压器设计本文在负载不变的情况下,将己有350kV空芯变压器设计成三谐振脉冲变压器,一方面验证理论及模拟结果的正确性,另一方面验证将任意一台双谐振脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器的可行性。

  2.1参数设计本文的设计目标是将一台现有的空芯变压器改造成三谐振脉冲变压器,对于给定的空芯变压器而言,己确定的参数为空芯变压器的初次级电感及耦合系数、初级回路杂散电感及电阻、负载电容值等,还需要设计的参数为初级电容值、调谐电感及调谐电容。

  然而,对于任意一台双谐振变压器改造而成的三谐振脉冲变a'4,uL压器,其3个固有频率比不可能正好是1:2:3,而且需要考虑各种杂散参数。由理论分析可知,很难直接通过计算得到各个参数的确定值,因此,本文提出了迭代模拟法进行求解,具体设计思路1为:1)假定所设计的三谐振脉冲变压器的3个固有频率比为1:3,根据理论分析所得的参数关系,得到一组理论设计值;(2)然后将理论设计值输入Pspce程序,进行电路模拟,模拟时要考虑己Fg.3erutoftrpleeoaneple知的各种电路参数,模拟电路图如所示,图中,i1和私分别为初级和次级回路电阻,包括初级和次级绕组的电阻、导线及开关三谐振变压器模拟电路的电阻,风为调谐电感L的电阻,Lk1为初级回路杂散电感,包括初级漏感及导线和开关的电感,LS2为二级回路杂散电感;3)再根据理论分析所得各参数变化的规律进行判定,调整调谐电感、调谐电容及初级电容的数值,再次进行电路模拟,最终使三谐振脉冲变压器输出电压达到最大值时,初级电容和空芯变压器高压绕组上的电压近似为零,从而确定所设计的各参数的值。其流程图如所示。

  己有空芯变压器的参数为:初级电感L1=330nH,次级电感L2=128.0mH,耦合系数L=. 597;负载电容为80pF.按表1计算可得各参数的理论设计值为(计算时假定L=. 67):初级电容C根据实际电容的大小,确定初级电容0=60pF.取Lkl=110nH,Ri=30mn,初级电容充电1kV时,模拟所得三谐振脉冲变压器的波形如(a)所示。由图可以看出,当三谐振脉冲变压器输出电压Uc3达到最大时,空芯变压器高压绕组有负的剩余电压存在,故应该增大调谐电容C2的值;此外,1/.2第2个波峰的时间超前于Uc3达到最大值的时间,故应该增大调谐电感L3的值。

  按照上述方法,经过反复迭代模拟,最后确定的三谐振脉冲变压器设计参数为:初级储能电压U=1kV,变压器工作电压R= 500kV,初级储能电容C1=60PF,调谐电容C2=180pF,初级线圈电感L1=330nH,次级线圈电感L2=128.0mH,负载电容C3=80pF,调谐电感L3=248.0mH,初级附加电感Lk1=110nH,互感M=121.8pH,初级加路电阻=30mn,费合系数々m=0.597.当初级电容充电1kV时,模拟所得三谐振脉冲变压器的波形如(b)所示。由图可知,负载电压最大时(最大电压为521.8kV)初级电容上的电压和空芯变压器次级输出电压基本为0,说明此组参数基本满足三谐振条件。此时,空芯变压器次级上的最大电压为203.8kV,负载最大电压为其的2. 56倍,与理想的三谐振变压器相当,三谐振脉冲变压器能量传输效率为36. 3%.由此可知,将任意一台双谐振脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器在理论上是可行的。

  2.2结构设计三谐振脉冲变压器结构示意图如所示。在图中,调谐电容器放置于空芯变压器高压绕组内部,这样调谐电容器不用单独占用空间,使装置结构紧凑,另外也便于连线和绝缘设计;周谐电感因为绝缘的需要,单独放置于一个腔体内。为了测量的需要,在调谐电容与调谐电感之间加入一段测量段来测量空芯变压器高压绕组上的电压,此测量段对变压器的工作性能没有影响。空芯变压器高压绕组输出电压波形及负载电容上电压波形的测量均采用电容分压器加二级电阻分压来实现。

  调谐电容设计根据总体结构设计的要求,为了将调谐电容放置于锥形高压绕组内部,就要求调谐电容总体长度略大于绕组骨架的长度,而且必须小于外筒的长度。另外,为了不影响锥形高压绕组的工作状态,要求调谐电容的径向尺寸尽量小,且要满足绝缘要求。最终选择用陶瓷电容器串联组合成所需的调谐电容,其结构示意图如所示。调谐电容由11个2.1nF/50kV的陶瓷电容器串联而成,整体装配于有机玻璃筒中,两端连接铜电极,设计总电容值为190. 1pF,理论上调谐电容的最大耐压值为550kV,考虑到电容串联后电压分布的不均匀性,整个电容器组可以耐受300kV的设计电压。

  调谐电感设计调谐电感L设计值为200mH,耐压要求大于650kV,此高压大电感是设计的难点之一。经综合考虑,采用多层空芯线圈绕制此电感,其结构示意图如所示。调谐线圈用尼龙做骨架,共5层,每层尼龙的厚度为20mm,两层之间有4mm的间隙作为油道,层间耐压大于200kV.电感采用线径1mm的聚氨酯漆包铜圆线QZ-3,其有效击穿电压为7.1kV,每层匝数约为450匝,总匝数为2 250匝。按每层耐压200kV计算,匝间平均电压为0.44kV,于是匝间电压的安全因子高达7. 1/0.44=16,满足匝间绝缘要求。

  3.空芯变压器输出电压最大值U2为194.6kV,负载电压第2峰U32为279.6kV,U32/U2=1.44,第3峰为U33为311.8kV,U33/U2=1.60由图可知,调谐电感分布电容为50卩时,尺1=1.48,尺2=1.7,与,初级电容充电1 300V时,空芯变压器输出电压最大值U2为310kV,负载电压最大值为620.1kV,负载电压的最大值和锥形绕组输出电压的最大值的比值最大为2.0,此时调谐电感的调谐电容约为18.7pF,根据0可知,负载电压的最大值和锥形绕组输出电压的最大值的比值为2.23,和实验结果基本一致。

  4结论本文设计了基于空芯变压器的三谐振脉冲变压器,并进行了实验研究。实验结果表明,所研制的三谐振脉冲变压器输出电压的峰值最大可以达到锥形高压绕组输出电压的2倍,系统最大工作电压可达600kV.实验和理论的结果都说明,将任意一台双谐振脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器具有可行性。

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