脈沖變壓器設(shè)計

1、目目 錄錄 前言.1 1 脈沖變壓器設(shè)計要求和原始數(shù)據(jù).3 1.1 脈沖變壓器計算程序設(shè)計要求 .3 1.2 計算原始數(shù)據(jù)： .6 2 脈沖變壓器的設(shè)計.8 2.1 線路的計算 .8 2.2 絕緣的設(shè)計 .11 2.3 鐵心和繞組的選擇 .14 2.3.1 鐵心的設(shè)計要求.14 2.3.2 鐵心的去磁電路.16 2.3.3 繞組的選擇 .20 2.4 脈沖變壓器的脈沖的計算 .25 2.4.1 脈沖平頂降落的驗算 .25 2.4.2 脈沖的前沿畸變驗算 .26 2.4.3 脈沖后沿寬度的檢查 .30 2.5 脈沖變壓器的整體結(jié)構(gòu) .31 2.6 脈沖變壓器的溫升與經(jīng)濟指標 .34 2.6.1

2、脈沖變壓器的溫升和經(jīng)濟指標.34 2.6.2 脈沖變壓器的溫升和經(jīng)濟指標的驗算 .35 3 脈沖變壓器的試驗.38 3.1 脈沖變壓器的初次試驗 .38 3.1.1 加壓試驗 .38 3.1.2 改變回路參數(shù)的試驗 .39 3.1.3 “+-極性”的試驗 .39 3.2 脈沖變壓器的負荷試驗 .40 3.2.1 脈沖波形的檢查 .40 3.2.2 漏感和電容 .41 3.2.3 變比的測量 .42 總 結(jié).43 致 謝.45 參考文獻.46 前言前言 脈沖變壓器是電子變壓器一種特殊類型，它所變換的不是正弦電壓， 也不是交流方波，而是接近矩形的單極性脈沖；脈沖變壓器現(xiàn)已極其廣 泛地應(yīng)用于各種電子

3、設(shè)備之中。 脈沖變壓器與一般普通變壓器的區(qū)別 所有脈沖變壓器其基本原理與一般普通變壓器(如音頻變壓器、電力 變壓器、電源變壓器等)相同，但就磁芯的磁化過程這一點來看是有區(qū)別 的，分析如下: (1) 脈沖變壓器是一個工作在暫態(tài)中的變壓器，也就是說，脈沖過 程在短暫的時間內(nèi)發(fā)生，是一個頂部平滑的方波，而一般普通變壓器是 工作在連續(xù)不變的磁化中的，其交變信號是按正弦波形變化. (2) 脈沖信號是重復(fù)周期，一定間隔的，且只有正極或負極的電壓，而 交變信號是連續(xù)重復(fù)的，既有正的也有負的電壓值。 (3) 脈沖變壓器要求波形傳輸時不失真，也就是要求波形的前沿，頂降 都要盡可能小，然而這兩個指標是矛盾的， 脈

4、沖變壓器的主要用途是： 脈沖變壓器廣泛用于雷達、變換技術(shù)；負載電阻與饋線特性阻抗的 匹配；升高或降低脈沖電壓；改變脈沖的極性；變壓器次級電路和初級 電路的隔離應(yīng)用幾個次級繞組以取得相位關(guān)系；隔離電源部分的直流成 分；在晶體管(或電子管)脈沖振蕩器中使集電極(陽極)和基極(柵極)間 得到強藕合；采用若干個次級繞組，以便得到幾個不同幅值的脈沖，使 電子管的板極回路和柵極回路，或晶體管的集電極與基極間形成正反饋， 以便產(chǎn)生自激振蕩；作為功率合成及變換元件等。 在不同的脈沖設(shè)備中，廣泛地應(yīng)用著各種各樣的脈沖變壓器它們的 參數(shù)包括：脈沖電壓從幾伏到幾百干伏；脈沖電流從若干從毫微秒到數(shù) 百毫秒；重復(fù)頻率從

5、幾赫到幾十干赫。其中高壓大功率脈沖變壓器主要 應(yīng)用在雷達、高能物理、量子電子學、變換技術(shù)等領(lǐng)域的設(shè)備中。低壓 小功率脈沖交壓器主要應(yīng)用在自動控制、計算技術(shù)、電視設(shè)備及工業(yè)自 動化等方面的線路上。 高壓大功率脈沖變壓器有自己的特點： 大脈沖的特點(同小功率脈沖變壓器(以下簡稱:小脈沖)相比)雖 然 所 有 的大脈沖的工作物理過程大體相同，而與功率無關(guān)，但大脈沖與 小脈沖各有特點: 電壓高，則絕緣要求。高大脈沖一般工作在很高的電壓下，脈沖電 壓達幾萬伏甚至幾十萬伏，絕緣成了主要問題，我們要對絕緣材料做充 分的分析和測試，如何保證和次級及繞組與鐵芯的絕緣可靠，如何引出 高壓端將是工作重點。 損耗大、

6、散熱要求好。脈沖變壓器的功率取決于平均功率而不是脈 沖功率，為了減少脈沖變壓器的體積和重量，就須解決好脈沖變壓器的 散熱問題。 大脈沖要求磁感應(yīng)增量要高大 脈沖 需 要很高的，一般需 BB 達數(shù)千高斯到數(shù)萬高斯，這是因為越高，磁芯體積越小。 B 由上述兒點可知，大脈沖的體積是由散熱情況、材料絕緣性能和磁 心的值所決定的，一般情況下，使用油浸式以提高大脈沖的絕緣性能 B 和散熱性能，而小脈沖的結(jié)構(gòu)既不取決全散熱情況也不取決于絕緣強度， 而是取決于制造上的可能性，值對小脈沖也并不重要，大部分情況下， B 它要求的值不超過幾十高斯，甚至只有幾高斯。 B 現(xiàn)在為了提高電子設(shè)備的技術(shù)指標，目前大功率脈沖

7、變壓器正向高 功率、高壓、高變比方向發(fā)展。脈沖功率為幾十到幾百兆瓦；電壓一般 達到幾百干伏，個別達1兆伏；變比可從幾十到幾百。小功率脈沖變壓器 正向微型化、組裝比、系列化方向發(fā)展。與此同時，對脈沖波形的要水 邊越來越高。脈沖平頂降落一般不超過0.5-2；前后沿應(yīng)不超過脈沖 寬度的515；不允許有上沖和反峰。此外還希望脈沖變壓器重量輕、 體積小、效率高。 1 1 脈沖變壓器設(shè)計要求和原始數(shù)據(jù)脈沖變壓器設(shè)計要求和原始數(shù)據(jù) 1.11.1 脈沖變壓器計算程序設(shè)計要求脈沖變壓器計算程序設(shè)計要求 脈沖變壓器的設(shè)計和一般變壓器的設(shè)計基本原理是相同，而脈沖變 壓器在符合一般變壓器的繞組、絕緣、鐵芯等要求，還需

8、要檢測輸入脈 沖，脈沖的前沿寬度，平定降落，后沿寬度都有一定具體要求。首先分 析脈沖的簡化等效電路和理想脈沖的特性。 脈沖變壓器的等效電路 圖（1-1）脈沖變壓器等效電路 脈沖源的脈沖電壓(輸人電壓) 1 u 換算到初級的負載輸出脈沖電壓 2 u 2 2 2 u u n 脈沖源內(nèi)阻； i R 變壓器初級電阻； 1 r 換算到初級的變壓器次級電阻 2 r 2 2 2 r r n 換算到初級的次級負載電阻 L R 2 L L R R n 變壓器初級分布電容 1 C 換算到初級的變壓器次級分布電容 2 C 2 22 CC n 輸入電路等效電容； L C 換算到初級的負載等效電容 L C 2 LL C

9、C n 變壓器等效漏感 S L 變壓器有效磁化電感 M L 變壓比 n 1 2 N n N 變壓器次級匝數(shù) 2 N 變壓器初級匝數(shù) 1 N 脈沖變壓器的脈沖波形的特點 理想的脈沖波形是指矩形脈沖波。由于電路的參數(shù)影響，實際的脈 沖波形與矩形脈沖有所差異。其典型波形如圖所示 圖 1-2 脈沖變壓器的脈沖波形 1. 峰值脈沖幅度 Um 峰值脈沖幅度是相通過脈沖頂部的平滑曲線外推線的愚大值 10的 起始“尖峰”或“過沖” 。 2. 脈沖持續(xù)時間 td 脈沖持續(xù)時間是指脈沖幅度等于峰值脈沖幅度的 50的最初與最后 瞬間相隔的時間。 3. 脈沖上升時間 r t 脈沖上升時間是指脈沖幅度最初達到峰值脈沖幅

10、度 10與 90兩瞬 間相隔的時間。除去波形中不需要或無關(guān)的部分。 4. 脈沖下降時間 l t 脈沖下降時間是指脈沖幅度達到峰值脈沖幅度 90的最后瞬間與緊 接在后面的脈沖幅度降到峰值脈沖幅度 10的瞬間相隔的時間，除去波 形中不需要改無關(guān)的部分。 當頂降的數(shù)值接近峰脈沖幅度的 10時上述定義的下降點可用脈沖 幅度達到峰值脈沖幅度的 80的最后瞬間代替。 5. 頂降 頂陣是指峰值脈沖幅度與脈沖頂部平滑曲線(除去起始“尖峰”或 “過沖”)外推線在通過定義為脈沖下降時間的點的直線上交點的脈沖幅 度之差的百分比。 6. 脈沖頂峰 脈沖頂峰是指脈沖的最大幅度。 7. 過沖 過沖是指脈沖頂峰超過蛤值脈沖

11、幅度的數(shù)值。過沖以峰值脈沖幅度 的百分比表示。 8反擺 反擺是指反向脈沖的最大幅度，即越過零幅度電平以下的部分，反 擺以峰脈沖幅度的百分比表示 9 回擺 回擺是在反擺之后回轉(zhuǎn)的最大幅度，回擺以峰值脈沖幅度的百分比 表示。 10 恢復(fù)時間 恢復(fù)時間是指脈沖下降時間終止與脈沖幅度最后達到峰值脈沖幅度 10%瞬間相隔的時間。在可使用小于 10%字的特殊情況下，將此時間間 隔稱為“x恢復(fù)時間” 。 脈沖變壓器的設(shè)計包括變壓器結(jié)構(gòu)、鐵心材料、絕緣方式的選取， 繞組線徑、匝數(shù)、鐵心尺寸和絕緣距離的確定等。設(shè)計出的脈沖變壓器 必須滿足如下要求： 獲得特定的脈沖上升時間；提供合適的脈沖平頂；達到要求的脈沖 下

12、降時 和脈沖尾部的頻率響應(yīng)；為電子管的正確工作創(chuàng)造條件；提供電 路的電壓變換；保持溫度在合理的范圍之內(nèi)；為電子管的燈絲電流提供 通道；經(jīng)受住要求的工作電壓；經(jīng)受所需要的電壓應(yīng)力。 輸出脈沖的波形畸變不允許超過規(guī)定值。變壓器是線路的一部分，因此， 變壓器等值線路的參數(shù)應(yīng)當符合要求。 變壓器的溫升應(yīng)不超過規(guī)定位。 變壓器應(yīng)當有足夠的抗電強度和高的可靠性；變壓器的體積應(yīng)當最小， 重量應(yīng)當最輕，效率越高超好。 1.21.2 計算原始數(shù)據(jù)：計算原始數(shù)據(jù)： 輸入脈沖的參數(shù)： 脈沖變壓器的初級電壓 U1 V 脈沖振蕩器的內(nèi)阻 R1 脈沖寬度 TK S 脈沖前沿寬度 TS1 S 脈沖的平頂降落 U1 V 脈沖

13、重復(fù)頻率 F HZ 初級電路的引線電感 L1M H 初級電路的引線電容 C1M F 脈沖振蕩器的輸出電容 CZ F 輸出脈沖的參數(shù)： 負載電壓 U2 V 負載電阻 R2 脈沖前沿寬度 S s t 脈沖前沿頂部上沖 U2 V 脈沖后沿寬度 S j t 脈沖的平頂降落 U2 V 次級電路的引線電感 L2m H 次級電路的引線電容 C2m F 負載電容 CF F 速調(diào)管的參數(shù)如下： 超高頻功率 =30MW st P 效率 = 0.4 st n 板壓 U2=280KV 燈絲電壓 12V 燈絲電流 30A 速調(diào)管需要的脈沖寬度為=2s，重復(fù)頻率為 F=50Hz。在 0.9 電平 k t 測得的脈沖前沿寬

14、度應(yīng)0.3s；在 0.1 電平測得的脈沖后沿寬度應(yīng) s t 0.5s 脈沖平頂降落應(yīng)2；前沿頂部不允許有上沖則 j t U U U2=0?？紤]到速調(diào)管的效率，脈沖變壓器的輸出功率應(yīng)不低于 75MW。由于功率大，希望脈沖變壓器的效率盡量高，最好為 0.9。 脈沖振蕩器的內(nèi)阻為： 電壓 U212kV，R11.82 變壓器初級電路的寄生參數(shù)為:引線電感 L1m0.1H；振蕩器電容與 引線電容之和為 C1m=2500PF；儲能器充電電流的有效值為 ICH1.5。A 2 2 脈沖變壓器的設(shè)計脈沖變壓器的設(shè)計 2.12.1 線路的計算線路的計算 脈沖變壓器的設(shè)計從選取繞組線路開始。選取繞組線路的主要根據(jù)是

15、 變比。脈沖寬度、繞組工作電壓、脈沖重復(fù)頻率等也必須考慮。例如， 當脈沖寬度很寬、電壓極高時，繞組匝數(shù)很多，必須采用多層繞組，盡 管它的結(jié)構(gòu)有些復(fù)雜。然而，只有經(jīng)過初步計算之后，才能說明是否有 這種必要。因此，在著手設(shè)計時，選取繞組線路的唯一根據(jù)就是變比。 為了選取脈沖變壓器的繞組線路，首先確定變比： 3 2 3 1 280 10 24 12 100.95 B U n U 根據(jù)速調(diào)管的效率和板壓來確定它的等值直流電阻 10474 . 0 1030 10280 6 2 32 2 2st ST n P U R 82 . 1 241047 2 2 22 N R R 6 6 2 2 21 21 1 1

16、091 02 . 0 82 . 1 82 . 1 82 . 1 82 . 1 102 U U RR RRt L k 首先檢驗升壓變壓器脈沖前沿畸變時簡化等值線路 圖 2-1 分析升壓變壓器脈沖前沿畸變時所用的變壓器簡化等值線路 根據(jù)脈沖變壓器的性質(zhì)： 假定在 x=0 時: 2 12 1 s s t LsRR （2-1） 2 2 1 s s t C R 在 x=1 時 2 12 s s t LsRR 2 2 s s t C R 在本設(shè)計中假定 X=0 按照設(shè)計要求，前沿頂部上沖應(yīng)等于零。根據(jù)圖選取 p1。在 p1 時，前沿頂部也沒有上沖，然而，這時脈沖前沿寬度加大。利用 p1 的曲線，在 0.9

17、 電平處求得前沿相對寬度為 3.25 圖 2-2 負載為速調(diào)管時脈沖前沿標準無量綱曲線 圖示為 =1 時負載為線性電阻時，為穩(wěn)定狀態(tài)下即匹配狀態(tài)下 p 的非線性電阻的特性曲線。 電壓傳輸系數(shù)為 5 . 0 82 . 1 82 . 1 82 . 1 21 2 RR R 允許的漏感和分布電容： 2 12 62 6 6 1. 0.3 10110.5 1 1.82 1.82 3.25 0.575 10 0.099 10 s S S tRR L H 2 2 6 2 9 9 1 0.3 10 3.25 110.5 11.82 29.7 10 173 10 s s t C R F 下面計算時將舍去較小的漏感

18、，而采用其較大的值；合去較大 的分布電容，而采用其較小的值。 6 9 0.575 10 29.7 10 S LH CF 為了保證前沿頂部沒有上沖，波阻抗應(yīng)具有如下的數(shù)值： 4 . 4 10 7 . 29 10575 . 0 9 6 C LS 按求得的和 C 及任務(wù)書規(guī)定的初次級電路寄生參數(shù)，確定允許的 S L 變壓器漏感和分布電容。假定變壓器初級繞組的出頭引線電感等于初級 電路的引線電感。折算到次級的變壓器漏感為初級漏感倍，因而，次 2 n 級繞組的出頭引線電感忽略不計。這時： 脈沖變壓器的允許漏感和動態(tài)分布電容如下： 1 666 0.575 100.1 100.1 10 0.375 SBSM

19、RM LLLL 2 1 99242 9 29.7 102.5 105 1024 24.3 10 BMST CCCC N F 2.22.2 絕緣的設(shè)計絕緣的設(shè)計 高壓脈沖變壓器的絕緣包括骨架、繞組與地、層間絕緣、導(dǎo)線的匝 間絕緣、灌封材料以及高壓引出等。其中任一環(huán)節(jié)的損壞都將導(dǎo)致變壓 器的完全失效。因此，優(yōu)化高壓絕緣設(shè)計。可以保證或延長其壽命。提 高其可靠性架采用有機玻璃制作。將鐵心安裝在骨架中骨心，高壓脈沖 從高電壓端的中心引出。次級線圈的另一端和初次線圈導(dǎo)線從低電壓端 引出。重點設(shè)計各引線端彼此間的耐壓，并在骨架兩端做工藝孔。便于 灌封材料的注入和排氣初次級線圈選擇表面質(zhì)量好。高強度縮醛漆包

20、圓 銅導(dǎo)線，以保證導(dǎo)線的匝間絕緣。層間絕緣材料選用絕緣電阻大、電氣 強度高、介質(zhì)損耗小、機械強度大和有良好的耐熱性的絕緣薄，其厚度 根據(jù)層間電壓差計算膜沿面耐壓水平：由灌封材料的長度來決定絕緣強 度體絕緣性能：由灌封材料和薄膜厚度來決定絕緣強度將繞制好的高壓 脈沖變壓器進行真空浸油并密封。以提高變壓器油的絕緣強度，并在灌 封前，對變壓器油進行去雜質(zhì)、去濕等處理 為提高高壓脈沖變壓器的耐壓性能，我們圍繞以下幾個方面進行絕 緣結(jié)構(gòu)設(shè)計： (a) 采用有機玻璃制作絕緣筒，將鐵心安裝在絕緣筒中心，高壓繞組引 線從高電壓端的中心引出、二次繞組的另一端和一次繞組導(dǎo)線從低電壓 端引出著重設(shè)計好各引線端彼此間

21、的絕緣強度，并在絕緣筒兩端留出工 藝孔，便于油的注入和排氣。 (b) 一二次繞組選擇表面質(zhì)量好、高強度縮醛漆包圓銅導(dǎo)線，以保證導(dǎo) 線的匝間絕緣 (c) 要求層間絕緣材料的絕緣電阻大、電氣強度高、介質(zhì)損耗小、機械 強度高、耐熱性好。絕緣薄膜的厚度則根據(jù)層間電壓差計算。 (d) 沿面耐壓由油的絕緣強度來決定。 (e) 體絕緣由油和薄膜厚度的絕緣強度來決定。 (f) 要保證選用的變壓器油質(zhì)地純凈，絕緣性能穩(wěn)定，粘度較低。 （g) 對高壓脈沖變壓器器身進行真空浸油并密封，以提高變壓器油的絕 緣強度，并在注油前，對變壓器油進行去雜質(zhì)、去濕等處理。 方案的初級電壓不算高，可以采用絕緣厚紙或電纜紙作為初級繞

22、組 與鐵心間的絕緣。然而，考慮到變壓器的功率極大，為了改善鐵心與繞 組的散熱，最好初級繞組與鐵芯間為純油間隙初級繞組的絕緣結(jié)構(gòu)如圖 所示，為了便于對方案的變壓器進行比較，為了改善鐵心的散熱條件， 根據(jù) 60kv 的工作電壓來選取絕緣距離根據(jù)變壓器油的抗電強度，取 1 其一半，求得絕緣距離=0.85考慮到鐵心表面不光滑，會使絕緣間 1 cm 隙中的電場有某些不均勻，以及絕緣支架表面擊穿電壓較低，還希望 1 鐵心和初級繞組有良好的散熱條件，因此=1。用有機玻璃做絕緣 1 cm 骨架。由于初次級繞組間電壓極高，并考慮到在脈沖振蕩器及脈沖變壓 器過電壓下這調(diào)管會發(fā)生短時擊穿，可能產(chǎn)生火花，因此，初次級

23、繞組 間用純油間照絕緣。在故障狀態(tài)，絕緣間隙可能短時擊穿，采用油絕 12 緣，能自動恢復(fù)其絕緣性能。當油老化時，不必把變壓器拆下來就可以 換油，這都是采用該種絕緣介質(zhì)的主要原因。 在絕緣結(jié)構(gòu)中，繞組間的電場是非常均勻的。為了確定絕緣距離， 12 要考慮變壓器油的抗電強度和脈沖寬度、電極距離、電極形狀等因素的 關(guān)系。根據(jù)允許電場強度為 140160 kVcm 求得絕緣距離2-2.5 12 ?？紤]到使用過程中油的老化，取此絕緣距離等于骨cm 12 cm3 . 0 12 架的厚度，通常此=0.3。仍用有機玻璃做骨架。 12 cm 在所選的變壓器結(jié)構(gòu)中，繞組的散熱條件很好。電流密度可以提高 到 152

24、0。然而為了保證變壓器有較高的效率，為了防止速調(diào) 2 mm A 管燈絲電流在次級繞組中產(chǎn)生過大的電壓降，取電流密度為 5。 2 mm A 降壓燈絲變壓器接到次級繞組的 I 組和 II 組間，次級繞組始端接交流電 網(wǎng)。這時，次級繞組每段的燈絲電流為： A 82. 0 2220 3012 2 DD DD I U U I 按已知的脈沖重復(fù)頻率及脈沖寬度，脈沖占空系數(shù)： 4 6 10 10250 11 K Ft q 次級繞組每段及初級的有效值電流分別為： A 67 . 0 1010474 10280 44 4 3 2 22 2 qR U q I IE 12 0.67 2416 EE IInA 忽略集肌

25、膚負效應(yīng)時各段的等值電流為： A98 . 1 82 . 0 28 . 267 . 0 2 2 2 2 2 22DDREDZ IKII A 27 4 5 . 1 8 . 216 4 2 2 2 2 11 CH REDZ I KII 為了減弱集膚效應(yīng)，初級繞組用幾股線并聯(lián)繞制。每股的線徑和次級繞 組一樣。初級繞組并聯(lián)的股數(shù)為： 24 98 . 1 27 2 1 DZ DZ I I N mm j I DD DZ 71 . 0 5 98 . 1 13 . 1 13 . 1 2 21 集膚效應(yīng)系數(shù)為： 1 . 2 102 1071 . 0 18 . 2 118 . 2 1 6 3 K ZF t D K

26、考慮到集膚效應(yīng)，把線徑增大到 0.9，這時的電流密度和所取值mm 相差不多確定了匝數(shù)和匝間電壓之后，選取導(dǎo)線牌號，并確定匝間距離。 初步計算叫取匝間距離為 1.2mm 2.32.3 鐵心和繞組的選擇鐵心和繞組的選擇 2.3.12.3.1 鐵心的設(shè)計要求鐵心的設(shè)計要求 鐵心是脈沖變壓器的重要組成部分。脈沖變壓器的體積、質(zhì)量等主 要指標都由鐵心來確定 脈沖變壓器鐵心中發(fā)生的電磁過程和普通電源變壓器一樣，都遵循 如下的規(guī)律； 1電磁感應(yīng)定律，該定律確定了變壓器繞組電壓與鐵心磁通變化串之 間的關(guān)系； 2全電流定律，該定律確定了鐵心中的磁場強度和變壓器磁化電流間 的關(guān)系； 3磁滯現(xiàn)象，該現(xiàn)象表示鐵心中磁

27、感應(yīng)強度的變化和磁場強度的關(guān)系； 4隨時間而變化的磁通穿過鐵心時引起的渦流現(xiàn)象； 5鐵心的磁飽和現(xiàn)象。 脈沖變壓器的主要特點是：鐵心中發(fā)生的一切電磁過程都是高速的 和不對稱的脈沖寬度和重復(fù)頻率不同，其中電磁過程變化的速度及不對 稱性都有很大差別。由于渦流和磁通的變化率成比例，因此，脈沖變壓 器鐵心中的渦流是極其顯著的。渦流的存在，使鐵心損耗激增。有效磁 導(dǎo)率大幅度下降。如果不采取有效措施，鐵心中電磁過程的不對稱性使 鐵心材料的磁性能得不到充分利用。 脈沖變壓器的鐵心型式和其他變壓器一樣，脈沖變壓器使用的鐵心型式 有殼式、心式和環(huán)形三種。一般，大功率脈沖變壓器使用 CD 型心式鐵 心或者具有接近

28、圓截面的心式鐵心，當需附加直流偏置時，使用不切開 的 C 形鐵心，這種鐵心稱為矩形鐵心。中小功串脈沖變壓器使用 ED 型 和環(huán)形卷統(tǒng)鐵心。鐵心尺寸根據(jù)提高勵磁電感，減小寄生參數(shù)，縮小鐵 心體積這一原則來確定。 脈沖變壓器鐵心的工作狀態(tài)和電源變壓器不同，對材料的要求也不 一樣。脈沖變壓器的鐵心材料必須具備如下特性。 1在前沿很陡的窄脈沖作用下，磁感應(yīng)增量的變化率極高，在鐵心中將 感生強烈的渦流，引起顯著的損耗，為了降低這種損耗，確保在窄脈沖 情況下能得到高的有效脈沖磁導(dǎo)宰，希望鐵心材料的電阻率越高超好。 2前面已經(jīng)說過，對于不加去磁磁場的脈沖變壓器來說，鐵心工作在極 限局部磁滯回環(huán)上，為了能有較

29、高的 B 值，鐵心材料的飽和磁感應(yīng)強 度越高越好，剩余磁感應(yīng)強度越低越好 3為了改善脈沖變壓器的技術(shù)經(jīng)濟指標，在設(shè)計大功率脈沖變壓器時， 都要外加去磁磁場。對于這種變壓器來說，希望鐵心材料的矯頑磁力要 小，矩形系數(shù)要大，飽和磁感應(yīng)強度要高 4為了降低脈沖變壓器的溫升，希望鐵心材料的比損耗越小越好。 5鐵心材料還應(yīng)當具有良好的溫度穩(wěn)定性及耐輻射性等。 脈沖變壓器的常用鐵心材料有：電工鋼、軟磁合金、軟磁鐵氧體、 非晶態(tài)臺金等對于脈沖變壓器來說，最常用的鐵心材料是冷軋電工鋼 DGl-DG4。在沒有退火的狀態(tài)下，該材料有較高的飽和磁感應(yīng)強度和較 低的剩余磁感應(yīng)強度。退火以后，這種材料的磁滯回環(huán)有較高的

30、矩形度， 有較高的平均脈沖磁導(dǎo)串，加上價格低廉，因而在大小脈沖變壓器中都 廣為采用。 在設(shè)計大功率脈沖變壓器時，為了得到最小的體積，最輕的重量， 希望鐵心的磁感應(yīng)增量和脈沖磁導(dǎo)率越大越好?？梢姡鸥袘?yīng)增量越高， 脈沖磁導(dǎo)率也越高。因而，希望選取比較高的磁感應(yīng)增量。 然而，磁感應(yīng)增量越高，鐵心的磁滯與渦流損耗將更高。磁感應(yīng)增 量提高幾倍，鐵心的截面積就減小到原來的幾分之一。在磁路長度不變 的情況下。隨著截面的減小，鐵心體積、鐵心損耗、繞組平均匝長、繞 組損耗 等都下降。 選取冷軋電工鋼帶 DG2 為鐵心材料。它的價格比軟陽合金低，磁性 能也比較好。為了降低鐵心損耗，選取帶厚為 0.05mm.鐵心

31、做成帶繞式 的，形狀為 C D 形，但不切開。先卷繞后退火，以保證磁滯回環(huán)有較高 的矩形度。為了減小鐵心尺寸，取磁感應(yīng)增量為此。T s 32 2.3.22.3.2 鐵心的去磁電路鐵心的去磁電路 要想得到這樣高的磁感成增量，必須有去磁磁場。由于人工線的充 電電流不夠大，必須利用專門的去磁電源，經(jīng)脈沖變壓器的初級繞組去 磁。 、 鐵心去磁電路的計算 圖 2-3 脈沖變壓器的直流去磁電路 在圖中 是產(chǎn)生去磁電流的電源；是阻流圈用來防止去磁電源對脈 Q I ZL I 沖電壓的短路。為了阻流圈對脈沖平頂沒有影響，電感量足夠大，而分 布電容要足夠小。電容 用來對脈沖進行旁路，防止在去磁電源的內(nèi) P C 阻

32、上產(chǎn)生脈沖壓降。去磁可由下式確定： （2- 1Q Qm I N H l 2） 采用圖 2-3 所示的去磁電路。去磁磁場的強度應(yīng)比材料的矯頑磁力 略大一些。根據(jù) DG20.05 的矯頑磁力為 36A/m 選取去磁磁場強度為 HQ1.25HC1.253645A/m 根據(jù)式 2-2 可得： 1 45 1.036 9.3 5 Q Q H l IA N 去磁電流沿初級的四段繞組流過，各段的電流密度約增大 15，因 而，這是允許的。不需要改變導(dǎo)線直徑。對于不同的設(shè)計方案來說，去 磁電路中阻流圈的電感量也不同，其值分別為： HLLZ 66 1 102220151014815 初級電路的總電感滿足電參數(shù)及平頂

33、降落的要求。為了方便起見，把阻 流圈做成單層螺線管式的 從圖 2-4 可見，DG20.05 的比磁化能為 20 x10-4J/cm3因而，當脈 沖重復(fù)頻率為 50Hz 時，單位體積的損耗為 0.1wcm3比損耗相對不高， 鐵心的溫升不會超過允許值。 根據(jù)脈沖寬度和鐵心材料的帶厚，按圖 2-5 求得有效脈沖磁導(dǎo)率 k t 為 3000。e 假定鐵心的制造工藝十分完善，因而，鐵心的填充系數(shù)為 0.85，為 了減小繞組的平均匝長，鐵心截面做成正方形的，這時1。對于四段 s k 并聯(lián)的錐形繞組來說： 圖 2-4 時鐵心材料的比磁化性能和脈沖寬度的關(guān)系T3 圖 2-5 有效脈沖磁導(dǎo)率和脈沖寬度的關(guān)系 m

34、 DD P NDF KKL 3 33 2112 12, 1045 . 3 3 102 . 1102 . 1 1 . 0 3 2 2 1 03 . 0 4 1 33 2 2 1 4 1 m F N P NF K K C 4 2 2 12 12 121 10 2 . 20 1241 . 0 3 2 2 1 03 . 0 2 . 23 01 . 0 2 . 2 4 1 3 2 2 13 1 4, 取 求的系數(shù) 為1 . 0 12 2 . 2 121 ms C C L L FF BK Ut B P SB P CL T KS 9 43 369 1 9 1067 . 1 3 . 24 4 . 5 1 37

35、5 . 0 2 . 0 110 2 . 201045 . 3 5 . 0 85 . 0 3 101210225 . 3 1015. 2 11 1015 . 2 鐵心的截面積為： 224 29 6 2 6 9 2 2 2 2 . 1910 2 . 19 11067 . 1 0012 . 0 0012 . 0 03 . 0 01 . 0 103 . 0 11 103 . 0 11067 . 1 2 11 2 cmm K Dt t K S S KKS S S 為了鐵心截面積為正方形，所許的鋼帶寬度： mmcmSa444 . 4 2 . 19 當成品鋼帶沒有合適的寬度時，可以自己下料。如果不能下料，可

36、 選取 20mm 寬的鋼帶，用兩個鐵心疊起組成一個鐵心。在兩個鐵心間留 有一定寬度的油道，從而把鐵心散熱面積近似提高一倍。然而，這時鐵 心截面積不是方的。鐵心截面的形狀也不是最佳的。取油道寬度為 0.5cm。鐵心截面的相應(yīng)參數(shù)如表所示。 表（2-1）鐵心截面的參數(shù) 由上表可確定鐵心截面 2 21.6scm 鐵心填充系數(shù) 0.755 T K 1.005 S K 2.3.32.3.3 繞組的選擇繞組的選擇 繞組的設(shè)計原則： 滿足規(guī)定的絕緣要求； 大功率脈沖變壓器須保證有足夠的散熱面積和通道； 盡可能縮短繞組長度，以降低銅損； 使脈沖變壓器體積最??； 滿足允許的漏感和分布電容值，能獲得最低值。 減少

37、漏感的方法： 低壓小功牢脈沖變壓器，當變壓比1 時，采用雙線(對 2 個繞組)n 或多線(對多個繞組)并繞能大幅度降低變壓器漏感值。當 nl 時可將匝 數(shù)少的繞組夾在匝數(shù)多的繞組中繞制。這種方法對環(huán)形結(jié)構(gòu)最為合適。 減小繞組間絕緣厚度。由于減小絕緣厚度即減小了漏磁面積，故可減 小漏感。但此時分布電容增大。 增大繞組高度。由于漏感與繞線寬度成反比，增大繞線寬度可減小漏 感這相當于增大鐵心窗高。繞組高度增大后其厚度可減薄，這可進一步 減小漏感。 改變繞組排列，增加漏調(diào)磁勢組數(shù)。由于漏感與漏調(diào)磁勢組數(shù)的平方 成反比，可采用交叉繞法來增大其值，以減小漏感。但此時分布電容增 大。 采用“自藕式”繞法，采

38、用。自藕式”繞法可減小調(diào)感。如當 n=2。 自藕式”繞法的漏感為普通繞法的四分之一。 在此需說明的是，由于減小漏感與減小分布電容之間是相互矛盾的。 因此，必須折衷考慮達到最佳的設(shè)計。 根據(jù)下圖要求寄生時間常數(shù)小、抗電強度高的線路選定采用變壓器 式線路,錐形繞組，由上文知=24，此時寄生時間常數(shù)n n T 1.變壓器式線路，錐形繞組 2。自耦變壓器式線路，餅式繞組； 3.M=1 的 B1 線路； 4。變壓器式線路，餅式繞組 圖 2-6 餅式繞組和錐形繞組的寄生時間常數(shù)與變比的關(guān)系 考慮到次級電壓很高，因此應(yīng)選取寄生時間常數(shù)小，抗電強度高的 方案。需要采用錐形繞組。 圖 2-7 錐形繞組的結(jié)構(gòu) 在

39、圖中 h 為導(dǎo)線的寬度， 為初級到鐵心的距離。為骨架寬度， 1 12 為絕緣間隙。 12 采用錐形繞組，不僅可以降低脈沖前沿的畸變，而且能減小鐵心體 積，使整個變壓器的外形尺寸，以及所用的絕緣材料的數(shù)員都顯著下降。 為了提高變壓器的抗電強度，希望初次級繞組都由四段并聯(lián)組成。 這時，變壓器的繞組線路如圖 2.3.5 所示。為了結(jié)速調(diào)管燈絲供電，次級 繞組分成對稱的兩組 I 和。盡管次級繞組分別繞在兩個不同的鐵心往 上，速調(diào)管燈絲電流所產(chǎn)生的磁場仍能相互補償。 圖 2-8 脈沖變壓器繞組各段連接圖 確定了鐵心截面積之后，可確定初次級繞組的匝數(shù)： 2-4 1 1 21 K T U t N BSK N

40、NN 在考慮繞組線路、導(dǎo)線的絕緣及匝間距離的情況下，根據(jù)每層匝數(shù) 和帶絕緣線徑來確定繞線高度 h。當繞組為多層時，層數(shù)越多，繞線高 度就越短。通常，在保持足夠抗電強度的前提下，希望繞線高度越小越 好。繞線高度與絕緣距離h, h確定了鐵心柱的高度。絕緣距離 確定了鐵軛的長度 kk d Te h 鐵心的平均磁路長度 2-5224 Te lhhhhs 把求得的鐵心平均磁路長度代入 2-6 7 22 2 2 410 1 K T PteU S K l B U 檢查其是否滿足要求。這時，公式中應(yīng)代入鐵心的有效脈沖磁導(dǎo)率， 如果式 2-6 不成立，則說明求得的鐵心截面積不能保證允許的脈沖平頂 降落。為了能滿

41、足該不等式，需要采取如下措施： 1、采用更好的鐵心材料，或把鐵心材料的帶厚減薄一些，以降低渦流損 耗，提高有效脈沖磁導(dǎo)率。由于脈沖磁導(dǎo)率的下降主要是渦流引起的， 采用更薄的帶料往往能取得良好的效果。 2、適當降低磁感應(yīng)增量當磁感應(yīng)增量下降時，鐵心截面積和鐵心體積 都增長，因而，通常不希望采用這種措施。 由表 2-1 可知 S ，KT的值 同時由確定的值 傳熱系數(shù) KK= 6 2 10 23 S B 具體計算如下: 9 . 4 755 . 0 10 6 . 213 1021012 4 63 1 1 T K SK KU N 取 120245 5 12 1 NNN N 為了確定繞線高度先求匝間距離，

42、匝間電壓為： KV N U UZ33 . 2 120 10280 3 2 2 匝間電壓不算太高，可以采用導(dǎo)線。當線徑為 0.93時，它2QZmm 的交流擊穿電壓為 3000 V，兩股線可以承受 5000V 耐壓，保證抗電強度 有一倍以上的余量。 為了加強匝間絕緣，提高變壓器的可靠性，最好采用絲包漆包線 等，帶絕緣線徑 1.1左右?？紤]到排繞系數(shù)，認為匝間距離為SQmm 1.25。這時，每段的繞線高度為：mm 2 1.251.25 120150hNmm 鐵心窗口的高度 22 0.150.010.32 T hhhm 不同鐵心柱上高壓引出頭之間的距離取為 2cm。這時鐵心窗口的寬度為 20.02 2

43、 0.01 0.030.001250.02 0.105 TeKK hD m 鐵心的平均磁路長度 224 2 0.322 0.1054 0.048 1.036 TTe lhhb m 假定平頂降落小于 2%，鐵心截面積由表 3.1 確定的 S=21.6 2 cm 由下式驗算平均磁路長度是否滿足要求， 7 22 2 2 6673 423 410 21.6 1 475 102 103000 105.6 10 1 0.05100.755 1.036 3280 10 K T PteU S K l B U 由結(jié)果知符合要求。 2.42.4 脈沖變壓器的脈沖的計算脈沖變壓器的脈沖的計算 脈沖變壓器的等效分析，

44、可以把脈沖作用分為三個階段， 即前沿階 段、頂部階段、后沿階段，因為在前沿階段，對于等效高頻的電壓上升 階段，勵磁電感里高阻效高頻的電壓上升階段， 勵磁電感里高阻抗，我 們可以近似忽略 同時由于脈沖變壓器繞組間存在漏感及雜散電容，這些 雜散參數(shù)的存在，使前沿很陡的脈沖變壓加到變壓器上時及脈沖結(jié)束后 在變壓器電路中將產(chǎn)生復(fù)雜的振蕩過程， 這些振蕩嚴重時，將會使所變 換的波形產(chǎn)生畸變。所以要合適設(shè)計阻尼系數(shù)，通常認為當負載阻尼狀 態(tài)， 由于脈沖變壓器繞組間存在漏成，繞組和變壓器其他結(jié)構(gòu)零件間存在分 布電容。這些寄生參數(shù)的存在，使前沿很陡的脈沖電壓加到變壓器上時， 以及脈沖結(jié)束后，在變壓器電路中將產(chǎn)

45、生復(fù)雜的振蕩過程。這種振蕩嚴 重影響脈沖變壓器的工作，使所變換脈沖的波形發(fā)生畸變。因此，分析 與研究變壓器電路中的振蕩過程是極其重要的。這種振蕩是寄生參數(shù)引 起的，在設(shè)計脈沖變器時，應(yīng)盡量減小類似參數(shù)。 在脈沖的計算中，需要計算脈沖的平頂降落，脈沖的前沿畸變，脈沖 的后沿寬度。 2.4.12.4.1 脈沖平頂降落的驗算脈沖平頂降落的驗算 檢查脈沖平頂降落 7 2 2 427 66 2 110 24 1 0.0521.6 100.755 1.036 310 475 102 103000 1.34 10 T K SK l BU UPte 檢查脈沖平頂降落應(yīng)小于 0.02，由設(shè)計知平頂降落符合要求

46、2.4.22.4.2 脈沖的前沿畸變驗算脈沖的前沿畸變驗算 為了保證前沿頂部沒有上沖，按算出和然后按下式確定波阻抗： S LC S L C 所設(shè)計脈沖變壓器的波阻抗如果等于按上式求得的值，則前沿頂部 就不會出現(xiàn)上沖。 在確定鐵心截面積時沒有考慮這種狀配。因此，必須對初步設(shè)計出 的脈沖變壓器進行驗算，檢查漏感和動態(tài)電容之比是否滿足要求。 按下式驗算波阻抗： （2-7） SSBP BP LLL CCC 初步設(shè)計出的脈沖變壓器，通常部不滿足上式。因此，需要對結(jié)構(gòu) 參數(shù)進行修正。修正的方法并不復(fù)雜通過對按阻抗的驗算，調(diào)整一下絕 緣距離或繞線高度就可以了。如果波阻抗大干所需要的值，應(yīng)該減小絕 緣距離，但

47、必須保證足夠的抗電強度。當不允許減小絕緣距離時，就增 大繞線高度。如果技阻抗小于所需要的值，則應(yīng)增大絕緣距離，或減小 繞線高度。有時，通過改變磁感應(yīng)增量，或選取相應(yīng)的繞組線路，來保 證必須的波阻抗。 為了取得不同線路的波阻抗值，最好是調(diào)整絕緣距離。因為，絕緣 距離的變化對脈沖前沿和鐵心截面積部影響不大。增大繞線高度將導(dǎo)致 鐵心體積和鐵心損耗都增長，因而是不希望的。 上述參數(shù)中只要有一個發(fā)生了變化，都要按式: 2 2 11 SKK S SS td K S tK （2- 4 22 2 410 1 Ke T PtU S lKBU 8） 重新計算鐵心的截面積。實際上式兩邊之差在10的范圍內(nèi)已經(jīng)可 以了

48、。因為，影響漏感和動態(tài)電容的還有匝間距離、脈沖狀態(tài)下的介電 常數(shù)、鐵心的存在等，這些因素都是難以考慮的。此外，波阻抗在 15的范圍內(nèi)變化，對頂部上沖和前沿寬度影響不大。 根據(jù)采用變壓器繞組的形式，可以確定漏感和分布電容。由于鐵心 的存在漏感將增大 1.25 倍可確定在變壓器式線路 B2，錐形繞組的漏感和 動態(tài)電容的公式： h NdPFN L KKL SB 2 1 7 105 （2- NF Ph C K K CB , 8 . 10 10 10 9） 和有下面求出。NdF KKL NF K K C , 在確定漏感 LS和分布電容，計算允許的變壓器漏感和動態(tài)電容 2 1 2 M SBSMSP L L

49、LLLL N （2- 2 12BMZMFP CCCCCCNCC 10） -外電路的寄生電感 2 1 2 M PM L LL N -外電路的寄生電容 2 12PZMMF CCCCCN 為了檢查脈沖前沿的畸變，首先根據(jù)采用的錐形繞組算出變壓器的漏 感和動態(tài)電容。繞組平均匝長及比值p 為： 12 4 2 0.0480.045 40.01 0.030.001250.00125 2 0.356 kk ab PD m 12 0.03 0.0845 0.356p 變壓器的漏感： 72 112121 122 72 6 5102 433 51050.356 4 0.15 120.030.001250.00125

50、 0.035 230.3563 0.33 10 SB N Pdd L hP 初級繞組的動態(tài)電容 1010 1 1 9 4104 2.2 0.356 0.15 10 10.810.80.01 0.139 10 B Ph C F 繞組之間的動態(tài)電容 10 2 12 12 12 10 2 9 41012 31 10.823 4 2.2 0.356 0.15 10 10.80.03 12 30.084524 132.6 10 23 B PN CN P F 求系數(shù)： 11 2 1112 99 999122 0.139 102.5 10 0.139 102.5 1032.6 105 1024 0.069

51、Bm BmBF CC X CCCC N 通過確定變壓器的波阻抗： BBSB CCL 121 2 1112 66 999122 0.33 100.2 10 0.139 102.5 1032.6 105 1024 3.72 SBP BmBF LL CCCC N 根據(jù)求的 x 和圖確定波阻抗及前沿相對寬度 s 圖 2-9 參數(shù)，x ，a 的關(guān)系 s 波阻抗已有在第一節(jié)所確定的，所要求的數(shù)值如下： 4.43.05 S 設(shè)計變壓器的波阻抗和所需值有一定差別，可以改變絕緣距離 12 根據(jù)計算求的絕緣距離和平均匝長 12 3.5cm37.6Pcm 72 112121 122 72 6 5102 433 51050.376 4 0.15 120.0350.001250.00125 0.035 230.3763 0.396 10 SB N Pdd L hP 10 2 12 12 12 10 2 9 41012 31 10.823 4 2.2 0.376 0.15 10 10.80.035 120.035 324 127.6 10 230.376 B PN CN P F 改變絕緣距