・118・
第33卷第10期2007年 10月
高 电 压 技 术
High Voltage Engineering
Vol. 33No. 10
Oct. 2007
部分磁芯的带绕式脉冲变压器的研制
李士忠1, 刘金亮2
(1. 北京特种机电研究所, 北京100012;2. 国防科技大学光电科学与工程学院, 长沙410073)
摘 要:针对空芯变压器传输效率低的缺点, 采取了在带绕式空芯变压器中加入部分磁芯以提高其性能的改进措施。通过比较选择, 最终确定用铁基非晶带材料作为磁芯材料, 用计算机软件仿真确定只加内磁芯的圆环式结构并根据分析结果制作了初级电感311μH 、次级电感29817μH 、耦合系数0187的高功率带绕式脉冲变压器。理论计算和模拟试验得到变压器的变比相一致, 部分磁芯变压器是空芯变压器变比的112倍, 压器的输出电压>635kV , 满足设计和实验要求。
关键词:磁芯材料; 带绕式脉冲变压器; 铁基非晶; 空芯; 中图分类号:TM417文献标志码:A 2() 2ransformer with Magnetic Core
L I Shi 2zhong 1, L IU Jin 2liang 2
(1. Beijing Instit ute of Special Elect romechanical Technology , Beijing 100012, China ; 2. College of Science National University of Defense Technology , Changsha 410073, China )
Abstract :For the air 2core pulse transformer has no magnetic material to form the magnetic loop , its coupling coeffi 2cient and energy efficiency is lower. In order to improve its properties , a partial magnetic material is inserted in air 2core spiral strip transformer. The influence of performance of the transformer is investigated when the part magnetic core is assembled to an air 2core spiral strip pulse transformer. On the basis of comparing many kinds magnetic mate 2rials , the amorphous iron material is acted as magnetic core of high power spiral strip pulse transformer. According to the previous simulated results , an inner cylindrical magnetic core is used in the air 2core spiral strip pulse trans 2former. A high power strip magnetic 2core pulse transformer with primary inductance 3. 1μH , second inductance 298. 7μH , coupling coefficient 0. 87has been constructed. Its output voltage is more than 635kV . Compared with the air 2core spiral strip pulse transformer of the same dimension , the output voltage ratio is increased by 20percent. The characteristics of transformer satisfied the requirements of experiment and design.
K ey w ords :magnetic material ; strip pulse transformer ; amorphous iron material ; air 2core ; coupling coefficient ; in 2ductance
0 引 言
脉冲变压器理论和试验的进一步研究具有重要的理论和实践意义。
本文设计的脉冲变压器主要用于连接暴磁压缩发生器和虚阴极二极管之类的高阻抗负载。变压器初级作为暴磁压缩发生器的输出端, 变压器的初级电感不能过小, 否则不能从暴磁压缩发生器中耦合
出能量, 一般要求初级电感>3μH , 但又不能太大, 否则会增加变压器的漏磁, 且变压器的体积也会相应地增大。变压器输出通过能量压缩后驱动真空二极管, 所以要求变压器输出电压>500kV , 在实验室现有条件下, 变压器输出一般为四五十kV , 所以要求变压器的变比约为10倍。一般空芯带绕式脉冲变压器的耦合系数在017～018之间[5], 为提高变压器能量传输效率, 要求设计的变压器耦合系数>0185。1 变压器的设计
在相对论电子加速器领域, 常常将脉冲的电压
升高后给脉冲形成线充电。传统的方法是用Marx 发生器, 但其体积庞大, 很难实现加速器的重复频率运行, 而脉冲变压器具有结构简单, 重频运行能力强和能量转换效率高等优点[1], 因而在脉冲功率系统中得到广泛应用。
空芯变压器没有软磁材料为其提供磁回路, 因而变压器耦合系数较小, 能量传输效率较低[2,3]。在空芯带绕式脉冲变压器中加部分磁芯材料为其提供磁回路以提高变压器耦合系数, 进而提高其能量传输效率, 此方法弥补了空芯变压器耦合系数低的缺点, 并且可以使变压器小型化[4], 因此对部分磁芯
基金资助项目:国家863计划项目。
Project Supported by National High Technology Research and Development of China (863Program ) .
脉冲变压器对磁芯材料的要求为:①高饱和磁
2007年10月高 电 压 技 术第33卷第10期・119・
感应强度B S 值; ②高脉冲磁导率; ③低剩余磁感应
强度B r ; ④损耗小。铁氧体材料虽然适合作为高频变压器的磁芯材料, 但其B S 值很低[6,7]; 硅钢片饱和磁感应强度很高, 但损耗很大, 磁导率较低; 铁基纳米晶材料满足高功率脉冲变压器的要求, 但价格昂贵, 所以本实验最终选定铁基非晶态材料作为高功率带绕式脉冲变压器的磁芯, 其饱和磁感应强度
Ωcm , 居里温度为410°115T , 电阻率130μC , 最大相对导磁率>5×104, 剩余磁感应强度很低, 且实验
采用单次脉冲时, 剩余磁感应强度会慢慢降低至接近于0。另外铁基非晶态材料还具有很好的温度稳定性、时效稳定性、[8, 在ΔB =t S c 冲值U m 取40kV , 脉宽t d 取3, N 取2175, S c 为所需铁心截面积。对于铁基非晶态磁性材料, B S 取115T , 单次脉冲下取B r 为0, 所以ΔB =B S -B r =115T , 可得S c =U m t d /N ΔB =229cm 2, 由计算结果可见, 所需磁芯截面积比较大, 所以为尽量增加磁芯截面积, 其形状设计为圆环。即便如此, 变压器内部空间仍不能满足所需的磁芯截面积。为使用较小截面积的磁芯而不致磁芯达到磁饱和, 设计时在闭合磁路中加入气隙, 可以增加漏磁, 部分磁通经过圆环截面内部的油隙导磁, 在闭合磁路中加入气隙还可以改善磁芯材料的不良性能(不稳定、非线性和损耗) [7]。最终确定磁芯为两个圆柱筒的形状, 内磁芯内直径为80mm , 外直径为150mm , 外磁芯的内直径为280mm , 外直径为320mm , 长度均为250mm 。
经理论分析及计算机模拟仿真[10], 外磁芯对变压器的耦合系数影响不是很大, 并且外磁芯很重, 体积也大, 不利于装置的小型化、轻型化, 所以最终确定在变压器中单独加内磁芯导磁。
内筒磁芯圆环柱与高压绕组之间用高分子材料来绝缘, 高分子材料的机械性能比较好, 可以为绕组和薄膜结构提供支撑, 其抗电强度为50kV/mm , 设计的绝缘圆环筒厚度为20mm , 能承受的电压为1000kV , 高压绕组的电压输出一般
初级用厚015mm , 次级用厚012mm , 宽200mm 的铜带绕制。绕组间的绝缘用聚酯薄膜聚酯纤维非织布柔软复合材料,0115mm 厚的此绝缘薄膜的抗电强度>7kV , 初级用5层, 耐压强度为35kV , 而初级的每层电压为16167kV , 初级绝缘薄膜满足绝缘强度并留有一定的裕度。带绕式变压器(见图1) 的线匝相互交叠, 匝间耦合电容很小,
初次
strip pulse transformer
, 所以绕组的动态电容
很小, 绕组电压近似均匀分布[11]。次级每匝间用3层绝缘膜绝缘, 每匝间的耐压强度为21kV , 次级输出电压为500kV , 每层电压为1215kV , 次级绝缘薄膜满足其绝缘强度并留有一定的裕度[12216]。
最终确定变压器参数为初级绕组2175匝, 次级绕组40匝, 变压器内腔长度370mm , 外径320mm 。制作变压器是一个非常复杂的过程[5], 首先要设计内外筒及支撑器件进行加工, 铜带要经过打磨除毛刺等程序, 并用棉布浸汽油擦洗, 力求使铜带洁净, 无棱角毛刺, 因为铜带毛刺和棱角会引起电场畸变, 局部电场过高而引起打火。
最后变压器还要在一定温度下进行真空浸油, 祛除变压器内部的气泡和水分, 以提高其绝缘性能。制作完成后测量变压器的基本参数, 与空芯变压器的基本参数进行比较, 结果见表1。
表1 变压器参数的比较
T ab. 1 R esults of transformer ’s parameters 参数空芯变压器部分磁芯变压器
初级电感/μH 次级电感/μH 互感/μH 耦合系数
2. 553. 14
213. 5298. 9
17. 926. 7
0. 770. 87
空芯变压器的初级电感较小, 仅为2155μH , 加
磁芯后变压器的初级电感增加到3114μH , 可以从爆磁压缩装置中提取更多的能量。空芯变压器的耦合系数为0177, 相同尺寸的带磁芯的脉冲变压器的耦合系数达到0187, 耦合系数增加了1314%。
增加了磁芯材料后, 变压器的耦合系数增加, 但在高频情况下, 由于磁心材料有磁滞效应[6,13], 会影响其能量传输效率, 所用的铁基非晶带材最佳频率使用范围为10Hz ～30k Hz , 变压器输入信号的频率在铁基非晶带材磁心材料的上限, 所以采用圆环形磁心, 并在磁心回路中加入很大的气隙, 从而不至于使磁心材料工作在饱和状态, 能量传输效率比空芯变压器有较大提高。
・120・Oct. 20072 变压器对电容充电的实验
High Voltage Engineering Vol. 33No. 10
脉冲变压器在脉冲功率系统中起着及其重要的作用, 变压器性能的改变对脉冲功率系统的输出产生很大影响。以下通过具体实验研究磁芯对高功率带绕式脉冲变压器性能的影响, 进而研究变压器对脉冲功率系统输出的影响。
实验装置主要由初级储能电容器、高功率脉冲变压器、触发开关、充电电容、去离子水处理系统和电压测量系统组成。初级储能电容器上储有U 0的初始电压后, 触发开关, 通过脉冲变压器升压后对同轴电容进行充电(外筒接地, , 量, 见图2。
, 将水介质电容器中水介质进行水循环, 用DDS 211A 型电导率仪测其水的电阻率, 直到水的电阻率>10M Ωcm , 以保证水介质电容放电时间与充电时间很长[14]。调节触发开关中氮气的气压, 以保证开关能够正常触发。
给初级储能电容上充10kV 的电压, 通过触发装置触发充气开关, 使初级储能电容上的电压给脉冲变压器初级供电, 然后用示波器通过水阻分压器测量脉冲变压器次级的电压波形和变压器输入波形进行比较, 取波形的最大值和脉宽进行数据记录, 然后给初级储能电容充15kV 的电压, 重复上述试验, 最高充电电压为20kV , 结果记录如下表2; 图3为15kV 时变压器输入和输出波形。
将磁芯加入带绕式空芯脉冲变压器中, 两边设计挡板固定磁芯的位置, 加入时要避免铜带和绝缘薄膜暴露于空气中, 因为气泡进入绝缘薄膜将会大大降低其绝缘强度, 造成变压器击穿。
将带磁芯的带绕式脉冲变压器连接到脉冲功率系统中, 重复以上试验, 结果见表3, 图4为输入15kV 时的输入和输出波形。
图
2the circuit
图3 15kV 时空芯变压器的波形图
Fig. 3 Output voltage w aveform
with 15kV input voltage
of air 2core transformer
图4 15kV 时部分磁芯变压器的波形图
Fig. 4 Output voltage w aveform of m agnetic
core transformer
带磁芯带绕式脉冲变压器变比的平均值12189,
比同尺寸结构空芯变压器变的比平均值10170有很大提高。按照理论计算变比N =k
2/L 1, 根据
输入
表3 部分铁心变压器实验数据记录
(输入衰减3200倍; 输出衰减187×322. 3倍) T ab. 3 T est results of m agnetic core transformer 变压器输入波形变压器输出波形
变比
电压测量幅值/V 实验电压/V 测量幅值/V 实验电压/V
10kV 15kV 20kV
2. 884. 325. 60
[1**********]920
1. 842. 763. 60
[***********]
12. 8712. 8812. 94
表1中空芯和部分磁芯变压器的测量数据, 可以分
表2 空芯变压器实验数据记录
(输入衰减3200倍; 输出衰减200×32213倍) T ab. 2 T est results of air 2core transformer 输入
变压器输入波形变压器输出波形
变比
电压测量幅值/V 实验电压/V 测量幅值/V 实验电压/V
10kV 15kV 20kV
3. 685. 365. 92
[**************]
1. 922. 923. 16
[***********]
10. 510. 910. 7
别计算出空芯变压器的变比为7101, 部分磁芯变压器的变比为8148, 为空芯变压器的112倍。理论计算的变压器变比是在理想情况下, 而试验过程中变
2007年10月高 电 压 技 术第33卷第10期・121・
压器的初级和次级均接入电容, 形成L C 振荡回路,
所以试验时变压器的输出电压幅值较高, 试验得出的变压器变比比理论计算值大[15]。从试验测量的对同一电容充电电压幅值可以得出, 部分磁芯变压器的变比大约是空芯变压器的112倍, 与理论计算值相基本一致。从试验结果可以看出, 部分磁芯变压器的性能比空芯变压器的性能有很大提高, 在输入电压幅值相同时, 部分磁芯变压器的输出电压比空芯变压器的输出电压提高20%。3 变压器耐压试验
图5kV 55kV input voltage
pulse transformer iron core [J].Jiangsu Apparatus , 2001(5) :28229.
[7]V. W. 卡姆普曲克, E 勒斯. 铁氧体磁芯[M ].北京:科学出版
开始, 每隔5, 额定电压为60, 55kV , 此时输出电压为635kV , 图5是输出波形图。
经过连续多次实验, 连接触发开关与变压器初级的电缆多次烧断, 但变压器并无异常现象, 且温升不大, 部分磁芯变压器所能承受的电压>635kV 。4 结 语
社, 1986.
[8]李士忠. 高功率带绕式脉冲变压器的研究[D ].长沙:国防科技
大学, 2006.
[9]王瑞华. 脉冲变压器设计[M ].北京:科学出版社, 1987. [10]李士忠, 刘金亮, 杨建华, 等. 带磁芯的高功率带绕式脉冲变压
器的初步研究[C].首届强流加速器会议. 成都, 中国, 2005.
[11]李名加, 阮江军, 康 强, 等. 脉冲变压器锥形绕组电压分布数
值分析[J].高电压技术,2004,30(6) :51253.
L I Ming 2jia , RUAN Jiang 2jun , KAN G Qiang , et al. Numerical calculation of the voltage distribution on pulse transformer ’staper windings[J].High Voltage Engineering , 2004,30(6) :51253. [12]姚永和. 双次级绕组高压脉冲变压器的研制[J].高压电器,
2000,36(2) :46248.
[13]易敬曾. 磁场计算与磁路设计[M ].成都:成都电讯工程学院
设计的带磁芯的脉冲变压器比相同结构尺寸的空芯带绕式脉冲变压器的耦合系数有很大提高, 提高了1314%, 达到了0187, 经过对电容的充电实验对比, 在相同输入电压下, 带磁芯的带绕式脉冲变压器的充电电压幅值增加20%, 变压器的变比有很大提高。通过耐压实验可以看出, 实验设计的带磁芯的带绕式脉冲变压器的耐受电压>635kV , 满足实验要求, 可很好地应用在脉冲功率系统中。
参考
文
献
出版社,1987.
[14]张自成. 水介质耐高电压击穿技术的进一步研究[D ].长沙:
国防科技大学, 2004.
[15]贺元吉, 张亚洲. 非共振态下空心变压器的理论分析与实验研
究[J].高电压技术,2003, 29(10) :11212, 34.
H E Yuan 2ji , ZHAN G Ya 2zhou. Theoretical analysis and ex 2perimental study of off 2resonance air core transformer [J ].High Voltage Engineering , 2003, 29(10) :11212, 34.
[16]常安碧, 张德泉, 张之福, 等. 600kV 高压大电流脉冲变压器的
[1]Rohwein GJ. A t hree megavolt transformer for PFL pulse char 2
ging[J].IEEE Transaction on Nuclear Science , 1979, 26(3) :421124213.
[2]Liu Jinliang. A spiral strip transformer 2type electron 2beam ac 2
celerator [C ].The Third International Symposium on Pulsed Power and Plasma Applications. Mianyang , China , 2002. [3]James P O ’Loughlin ,J ack D Sidler , Gerry J Rohwein. Air core
pulse transformer design [C ].18t h IEEE Power Modulator Symposium. Hilton Head SC , USA , 1988.
[4]Rohwein G J , Lawson R N , Clark M C. A compact 200kV
pulse t ransformer system[C].18t h Power Modulator Symposi 2um. San Dieqo , USA , 1998.
[5]刘金亮, 张建德, 李永忠, 等. 一种给脉冲形成线充电的带绕式
研制[J].强激光与粒子束,1998, 10(3) :4622466.
CHAN G An 2bi , ZHAN G De 2quan , ZHAN G Zhi 2fu , et al. De 2velopment of a 600kV high voltage and high current pulse transformer[J].High Power Laser &Particle Beams , 1998, 10(3) :4622
466.
李士忠 1980—, 男, 助工, 研究方向为脉
冲功率技术。电话:(010)
66714890;
E 2mail :
lish 2
高压脉冲变压器[J].强激光与粒子束, 2003,15(4) :3942396.
L IU Jin 2liang , ZHAN G Jian 2de , L I Y ong 2zhong , et al. High voltage pulse transformer for PFL charging[J].High Power La 2ser &Particle Beams , 2003, 15(4) :3942396.
[6]陈 燕. 脉冲变压器铁心的研究[J].江苏电器, 2001(5) :282
29.
李士忠
收稿日期 2007206206 编辑 卫李静
・118・
第33卷第10期2007年 10月
高 电 压 技 术
High Voltage Engineering
Vol. 33No. 10
Oct. 2007
部分磁芯的带绕式脉冲变压器的研制
李士忠1, 刘金亮2
(1. 北京特种机电研究所, 北京100012;2. 国防科技大学光电科学与工程学院, 长沙410073)
摘 要:针对空芯变压器传输效率低的缺点, 采取了在带绕式空芯变压器中加入部分磁芯以提高其性能的改进措施。通过比较选择, 最终确定用铁基非晶带材料作为磁芯材料, 用计算机软件仿真确定只加内磁芯的圆环式结构并根据分析结果制作了初级电感311μH 、次级电感29817μH 、耦合系数0187的高功率带绕式脉冲变压器。理论计算和模拟试验得到变压器的变比相一致, 部分磁芯变压器是空芯变压器变比的112倍, 压器的输出电压>635kV , 满足设计和实验要求。
关键词:磁芯材料; 带绕式脉冲变压器; 铁基非晶; 空芯; 中图分类号:TM417文献标志码:A 2() 2ransformer with Magnetic Core
L I Shi 2zhong 1, L IU Jin 2liang 2
(1. Beijing Instit ute of Special Elect romechanical Technology , Beijing 100012, China ; 2. College of Science National University of Defense Technology , Changsha 410073, China )
Abstract :For the air 2core pulse transformer has no magnetic material to form the magnetic loop , its coupling coeffi 2cient and energy efficiency is lower. In order to improve its properties , a partial magnetic material is inserted in air 2core spiral strip transformer. The influence of performance of the transformer is investigated when the part magnetic core is assembled to an air 2core spiral strip pulse transformer. On the basis of comparing many kinds magnetic mate 2rials , the amorphous iron material is acted as magnetic core of high power spiral strip pulse transformer. According to the previous simulated results , an inner cylindrical magnetic core is used in the air 2core spiral strip pulse trans 2former. A high power strip magnetic 2core pulse transformer with primary inductance 3. 1μH , second inductance 298. 7μH , coupling coefficient 0. 87has been constructed. Its output voltage is more than 635kV . Compared with the air 2core spiral strip pulse transformer of the same dimension , the output voltage ratio is increased by 20percent. The characteristics of transformer satisfied the requirements of experiment and design.
K ey w ords :magnetic material ; strip pulse transformer ; amorphous iron material ; air 2core ; coupling coefficient ; in 2ductance
0 引 言
脉冲变压器理论和试验的进一步研究具有重要的理论和实践意义。
本文设计的脉冲变压器主要用于连接暴磁压缩发生器和虚阴极二极管之类的高阻抗负载。变压器初级作为暴磁压缩发生器的输出端, 变压器的初级电感不能过小, 否则不能从暴磁压缩发生器中耦合
出能量, 一般要求初级电感>3μH , 但又不能太大, 否则会增加变压器的漏磁, 且变压器的体积也会相应地增大。变压器输出通过能量压缩后驱动真空二极管, 所以要求变压器输出电压>500kV , 在实验室现有条件下, 变压器输出一般为四五十kV , 所以要求变压器的变比约为10倍。一般空芯带绕式脉冲变压器的耦合系数在017～018之间[5], 为提高变压器能量传输效率, 要求设计的变压器耦合系数>0185。1 变压器的设计
在相对论电子加速器领域, 常常将脉冲的电压
升高后给脉冲形成线充电。传统的方法是用Marx 发生器, 但其体积庞大, 很难实现加速器的重复频率运行, 而脉冲变压器具有结构简单, 重频运行能力强和能量转换效率高等优点[1], 因而在脉冲功率系统中得到广泛应用。
空芯变压器没有软磁材料为其提供磁回路, 因而变压器耦合系数较小, 能量传输效率较低[2,3]。在空芯带绕式脉冲变压器中加部分磁芯材料为其提供磁回路以提高变压器耦合系数, 进而提高其能量传输效率, 此方法弥补了空芯变压器耦合系数低的缺点, 并且可以使变压器小型化[4], 因此对部分磁芯
基金资助项目:国家863计划项目。
Project Supported by National High Technology Research and Development of China (863Program ) .
脉冲变压器对磁芯材料的要求为:①高饱和磁
2007年10月高 电 压 技 术第33卷第10期・119・
感应强度B S 值; ②高脉冲磁导率; ③低剩余磁感应
强度B r ; ④损耗小。铁氧体材料虽然适合作为高频变压器的磁芯材料, 但其B S 值很低[6,7]; 硅钢片饱和磁感应强度很高, 但损耗很大, 磁导率较低; 铁基纳米晶材料满足高功率脉冲变压器的要求, 但价格昂贵, 所以本实验最终选定铁基非晶态材料作为高功率带绕式脉冲变压器的磁芯, 其饱和磁感应强度
Ωcm , 居里温度为410°115T , 电阻率130μC , 最大相对导磁率>5×104, 剩余磁感应强度很低, 且实验
采用单次脉冲时, 剩余磁感应强度会慢慢降低至接近于0。另外铁基非晶态材料还具有很好的温度稳定性、时效稳定性、[8, 在ΔB =t S c 冲值U m 取40kV , 脉宽t d 取3, N 取2175, S c 为所需铁心截面积。对于铁基非晶态磁性材料, B S 取115T , 单次脉冲下取B r 为0, 所以ΔB =B S -B r =115T , 可得S c =U m t d /N ΔB =229cm 2, 由计算结果可见, 所需磁芯截面积比较大, 所以为尽量增加磁芯截面积, 其形状设计为圆环。即便如此, 变压器内部空间仍不能满足所需的磁芯截面积。为使用较小截面积的磁芯而不致磁芯达到磁饱和, 设计时在闭合磁路中加入气隙, 可以增加漏磁, 部分磁通经过圆环截面内部的油隙导磁, 在闭合磁路中加入气隙还可以改善磁芯材料的不良性能(不稳定、非线性和损耗) [7]。最终确定磁芯为两个圆柱筒的形状, 内磁芯内直径为80mm , 外直径为150mm , 外磁芯的内直径为280mm , 外直径为320mm , 长度均为250mm 。
经理论分析及计算机模拟仿真[10], 外磁芯对变压器的耦合系数影响不是很大, 并且外磁芯很重, 体积也大, 不利于装置的小型化、轻型化, 所以最终确定在变压器中单独加内磁芯导磁。
内筒磁芯圆环柱与高压绕组之间用高分子材料来绝缘, 高分子材料的机械性能比较好, 可以为绕组和薄膜结构提供支撑, 其抗电强度为50kV/mm , 设计的绝缘圆环筒厚度为20mm , 能承受的电压为1000kV , 高压绕组的电压输出一般
初级用厚015mm , 次级用厚012mm , 宽200mm 的铜带绕制。绕组间的绝缘用聚酯薄膜聚酯纤维非织布柔软复合材料,0115mm 厚的此绝缘薄膜的抗电强度>7kV , 初级用5层, 耐压强度为35kV , 而初级的每层电压为16167kV , 初级绝缘薄膜满足绝缘强度并留有一定的裕度。带绕式变压器(见图1) 的线匝相互交叠, 匝间耦合电容很小,
初次
strip pulse transformer
, 所以绕组的动态电容
很小, 绕组电压近似均匀分布[11]。次级每匝间用3层绝缘膜绝缘, 每匝间的耐压强度为21kV , 次级输出电压为500kV , 每层电压为1215kV , 次级绝缘薄膜满足其绝缘强度并留有一定的裕度[12216]。
最终确定变压器参数为初级绕组2175匝, 次级绕组40匝, 变压器内腔长度370mm , 外径320mm 。制作变压器是一个非常复杂的过程[5], 首先要设计内外筒及支撑器件进行加工, 铜带要经过打磨除毛刺等程序, 并用棉布浸汽油擦洗, 力求使铜带洁净, 无棱角毛刺, 因为铜带毛刺和棱角会引起电场畸变, 局部电场过高而引起打火。
最后变压器还要在一定温度下进行真空浸油, 祛除变压器内部的气泡和水分, 以提高其绝缘性能。制作完成后测量变压器的基本参数, 与空芯变压器的基本参数进行比较, 结果见表1。
表1 变压器参数的比较
T ab. 1 R esults of transformer ’s parameters 参数空芯变压器部分磁芯变压器
初级电感/μH 次级电感/μH 互感/μH 耦合系数
2. 553. 14
213. 5298. 9
17. 926. 7
0. 770. 87
空芯变压器的初级电感较小, 仅为2155μH , 加
磁芯后变压器的初级电感增加到3114μH , 可以从爆磁压缩装置中提取更多的能量。空芯变压器的耦合系数为0177, 相同尺寸的带磁芯的脉冲变压器的耦合系数达到0187, 耦合系数增加了1314%。
增加了磁芯材料后, 变压器的耦合系数增加, 但在高频情况下, 由于磁心材料有磁滞效应[6,13], 会影响其能量传输效率, 所用的铁基非晶带材最佳频率使用范围为10Hz ～30k Hz , 变压器输入信号的频率在铁基非晶带材磁心材料的上限, 所以采用圆环形磁心, 并在磁心回路中加入很大的气隙, 从而不至于使磁心材料工作在饱和状态, 能量传输效率比空芯变压器有较大提高。
・120・Oct. 20072 变压器对电容充电的实验
High Voltage Engineering Vol. 33No. 10
脉冲变压器在脉冲功率系统中起着及其重要的作用, 变压器性能的改变对脉冲功率系统的输出产生很大影响。以下通过具体实验研究磁芯对高功率带绕式脉冲变压器性能的影响, 进而研究变压器对脉冲功率系统输出的影响。
实验装置主要由初级储能电容器、高功率脉冲变压器、触发开关、充电电容、去离子水处理系统和电压测量系统组成。初级储能电容器上储有U 0的初始电压后, 触发开关, 通过脉冲变压器升压后对同轴电容进行充电(外筒接地, , 量, 见图2。
, 将水介质电容器中水介质进行水循环, 用DDS 211A 型电导率仪测其水的电阻率, 直到水的电阻率>10M Ωcm , 以保证水介质电容放电时间与充电时间很长[14]。调节触发开关中氮气的气压, 以保证开关能够正常触发。
给初级储能电容上充10kV 的电压, 通过触发装置触发充气开关, 使初级储能电容上的电压给脉冲变压器初级供电, 然后用示波器通过水阻分压器测量脉冲变压器次级的电压波形和变压器输入波形进行比较, 取波形的最大值和脉宽进行数据记录, 然后给初级储能电容充15kV 的电压, 重复上述试验, 最高充电电压为20kV , 结果记录如下表2; 图3为15kV 时变压器输入和输出波形。
将磁芯加入带绕式空芯脉冲变压器中, 两边设计挡板固定磁芯的位置, 加入时要避免铜带和绝缘薄膜暴露于空气中, 因为气泡进入绝缘薄膜将会大大降低其绝缘强度, 造成变压器击穿。
将带磁芯的带绕式脉冲变压器连接到脉冲功率系统中, 重复以上试验, 结果见表3, 图4为输入15kV 时的输入和输出波形。
图
2the circuit
图3 15kV 时空芯变压器的波形图
Fig. 3 Output voltage w aveform
with 15kV input voltage
of air 2core transformer
图4 15kV 时部分磁芯变压器的波形图
Fig. 4 Output voltage w aveform of m agnetic
core transformer
带磁芯带绕式脉冲变压器变比的平均值12189,
比同尺寸结构空芯变压器变的比平均值10170有很大提高。按照理论计算变比N =k
2/L 1, 根据
输入
表3 部分铁心变压器实验数据记录
(输入衰减3200倍; 输出衰减187×322. 3倍) T ab. 3 T est results of m agnetic core transformer 变压器输入波形变压器输出波形
变比
电压测量幅值/V 实验电压/V 测量幅值/V 实验电压/V
10kV 15kV 20kV
2. 884. 325. 60
[1**********]920
1. 842. 763. 60
[***********]
12. 8712. 8812. 94
表1中空芯和部分磁芯变压器的测量数据, 可以分
表2 空芯变压器实验数据记录
(输入衰减3200倍; 输出衰减200×32213倍) T ab. 2 T est results of air 2core transformer 输入
变压器输入波形变压器输出波形
变比
电压测量幅值/V 实验电压/V 测量幅值/V 实验电压/V
10kV 15kV 20kV
3. 685. 365. 92
[**************]
1. 922. 923. 16
[***********]
10. 510. 910. 7
别计算出空芯变压器的变比为7101, 部分磁芯变压器的变比为8148, 为空芯变压器的112倍。理论计算的变压器变比是在理想情况下, 而试验过程中变
2007年10月高 电 压 技 术第33卷第10期・121・
压器的初级和次级均接入电容, 形成L C 振荡回路,
所以试验时变压器的输出电压幅值较高, 试验得出的变压器变比比理论计算值大[15]。从试验测量的对同一电容充电电压幅值可以得出, 部分磁芯变压器的变比大约是空芯变压器的112倍, 与理论计算值相基本一致。从试验结果可以看出, 部分磁芯变压器的性能比空芯变压器的性能有很大提高, 在输入电压幅值相同时, 部分磁芯变压器的输出电压比空芯变压器的输出电压提高20%。3 变压器耐压试验
图5kV 55kV input voltage
pulse transformer iron core [J].Jiangsu Apparatus , 2001(5) :28229.
[7]V. W. 卡姆普曲克, E 勒斯. 铁氧体磁芯[M ].北京:科学出版
开始, 每隔5, 额定电压为60, 55kV , 此时输出电压为635kV , 图5是输出波形图。
经过连续多次实验, 连接触发开关与变压器初级的电缆多次烧断, 但变压器并无异常现象, 且温升不大, 部分磁芯变压器所能承受的电压>635kV 。4 结 语
社, 1986.
[8]李士忠. 高功率带绕式脉冲变压器的研究[D ].长沙:国防科技
大学, 2006.
[9]王瑞华. 脉冲变压器设计[M ].北京:科学出版社, 1987. [10]李士忠, 刘金亮, 杨建华, 等. 带磁芯的高功率带绕式脉冲变压
器的初步研究[C].首届强流加速器会议. 成都, 中国, 2005.
[11]李名加, 阮江军, 康 强, 等. 脉冲变压器锥形绕组电压分布数
值分析[J].高电压技术,2004,30(6) :51253.
L I Ming 2jia , RUAN Jiang 2jun , KAN G Qiang , et al. Numerical calculation of the voltage distribution on pulse transformer ’staper windings[J].High Voltage Engineering , 2004,30(6) :51253. [12]姚永和. 双次级绕组高压脉冲变压器的研制[J].高压电器,
2000,36(2) :46248.
[13]易敬曾. 磁场计算与磁路设计[M ].成都:成都电讯工程学院
设计的带磁芯的脉冲变压器比相同结构尺寸的空芯带绕式脉冲变压器的耦合系数有很大提高, 提高了1314%, 达到了0187, 经过对电容的充电实验对比, 在相同输入电压下, 带磁芯的带绕式脉冲变压器的充电电压幅值增加20%, 变压器的变比有很大提高。通过耐压实验可以看出, 实验设计的带磁芯的带绕式脉冲变压器的耐受电压>635kV , 满足实验要求, 可很好地应用在脉冲功率系统中。
参考
文
献
出版社,1987.
[14]张自成. 水介质耐高电压击穿技术的进一步研究[D ].长沙:
国防科技大学, 2004.
[15]贺元吉, 张亚洲. 非共振态下空心变压器的理论分析与实验研
究[J].高电压技术,2003, 29(10) :11212, 34.
H E Yuan 2ji , ZHAN G Ya 2zhou. Theoretical analysis and ex 2perimental study of off 2resonance air core transformer [J ].High Voltage Engineering , 2003, 29(10) :11212, 34.
[16]常安碧, 张德泉, 张之福, 等. 600kV 高压大电流脉冲变压器的
[1]Rohwein GJ. A t hree megavolt transformer for PFL pulse char 2
ging[J].IEEE Transaction on Nuclear Science , 1979, 26(3) :421124213.
[2]Liu Jinliang. A spiral strip transformer 2type electron 2beam ac 2
celerator [C ].The Third International Symposium on Pulsed Power and Plasma Applications. Mianyang , China , 2002. [3]James P O ’Loughlin ,J ack D Sidler , Gerry J Rohwein. Air core
pulse transformer design [C ].18t h IEEE Power Modulator Symposium. Hilton Head SC , USA , 1988.
[4]Rohwein G J , Lawson R N , Clark M C. A compact 200kV
pulse t ransformer system[C].18t h Power Modulator Symposi 2um. San Dieqo , USA , 1998.
[5]刘金亮, 张建德, 李永忠, 等. 一种给脉冲形成线充电的带绕式
研制[J].强激光与粒子束,1998, 10(3) :4622466.
CHAN G An 2bi , ZHAN G De 2quan , ZHAN G Zhi 2fu , et al. De 2velopment of a 600kV high voltage and high current pulse transformer[J].High Power Laser &Particle Beams , 1998, 10(3) :4622
466.
李士忠 1980—, 男, 助工, 研究方向为脉
冲功率技术。电话:(010)
66714890;
E 2mail :
lish 2
高压脉冲变压器[J].强激光与粒子束, 2003,15(4) :3942396.
L IU Jin 2liang , ZHAN G Jian 2de , L I Y ong 2zhong , et al. High voltage pulse transformer for PFL charging[J].High Power La 2ser &Particle Beams , 2003, 15(4) :3942396.
[6]陈 燕. 脉冲变压器铁心的研究[J].江苏电器, 2001(5) :282
29.
李士忠
收稿日期 2007206206 编辑 卫李静