高壓隔離脈沖變壓器的電性能參數(shù)研究

1浮動(dòng)板調(diào)制器高壓隔離脈沖壓壓器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)產(chǎn)品質(zhì)量動(dòng)態(tài)器的波動(dòng)板調(diào)制器中。隨著脈沖技術(shù)的發(fā)展，這種脈沖濾波裝置已成為浮式板調(diào)制器的重要因素。有必要改變脈沖寬度從幾微秒到數(shù)百微秒，重復(fù)頻率從數(shù)千hz到數(shù)千千瓦時(shí)，高壓隔離電壓從1000kv到數(shù)千kv，脈沖波形的失真度小，重量輕，體積小。在工作期間，會(huì)計(jì)核算單元需要可靠穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)此類脈沖變壓器時(shí)采用超微晶合金低Br,高脈沖磁導(dǎo)率的鐵心,能較好地解決上述問題。2脈沖變壓器技術(shù)指標(biāo)在浮動(dòng)板調(diào)制器設(shè)計(jì)中,高壓隔離脈沖變壓器是必不可少的。它要求體積小,其電路圖見圖1。電性能參數(shù)如下:脈沖寬度:td=4～120μs脈沖前沿:tr≤0.2μs脈沖電壓:U1=15V變壓比:n=2∶1次級(jí)負(fù)載阻抗:50Ω初次級(jí)繞組高壓隔離電壓:10kV頂降:λ≤3%綜合以上脈沖變壓器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求,要提供高質(zhì)量的脈沖變壓器,必須有一個(gè)高質(zhì)量的鐵心,它是脈沖變壓器成敗的關(guān)鍵。3u1和td的強(qiáng)度曲線從脈沖變壓器的理論分析和實(shí)踐證明,鐵心是脈沖變壓器的核心,其磁性能的指標(biāo)直接影響脈沖變壓器的性能。而此種高壓隔離變壓器的脈沖寬度和重復(fù)頻率變化范圍很大,既要適應(yīng)窄脈沖、高重復(fù)頻率的工作狀態(tài),又要適應(yīng)寬脈沖、低重復(fù)頻率的工作狀態(tài),而且要求輸出波形的前沿和頂部失真小。因此,必須了解鐵心磁性能能否滿足波形的需要,這樣就有必要了解鐵心磁性能和變壓器電性能參數(shù)之間的關(guān)系。在研究脈沖變壓器鐵心物理現(xiàn)象時(shí),變壓器繞組的電阻、漏感以及分布電容的數(shù)值都很小。為了研究問題的方便,假設(shè)這些參數(shù)都等于零。假設(shè)脈沖變壓器的次級(jí)繞組開路,在初次級(jí)繞組上施加電壓為U1為常數(shù)的階越脈沖。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,所加的電壓和繞組中的電勢(shì)相等。U1=Ν1d?dt?10-2=Ν1Sc?dBdt?10-2(1)U1=N1d?dt?10?2=N1Sc?dBdt?10?2(1)當(dāng)U1等于常數(shù)時(shí),對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度dB/dt的反比速度也是常數(shù)。因此,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=B(t)值隨時(shí)間而線性增加,將式(1)積分,可得知鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的增量為ΔB=100Ν1Sc∫t0U1dt=100×U1tdΝ1Sc(2)ΔB=100N1Sc∫t0U1dt=100×U1tdN1Sc(2)上式表明ΔB值隨時(shí)間成線性增長(zhǎng)。在脈沖終結(jié)時(shí),t=td,磁感應(yīng)增量值達(dá)下面的數(shù)值。ΔB=100×U1tdΝ1Sc(3)ΔB=100×U1tdN1Sc(3)式中,ΔB為磁感應(yīng)增量(T);U1為初次級(jí)繞組脈沖電壓標(biāo)稱值(V);td為脈沖寬度(μs);N1為初次級(jí)繞組匝數(shù);Sc為鐵心的凈截面積(cm2)。從式(3)可以清楚地看出,當(dāng)U1、td、Sc一定時(shí),ΔB與N1成反比,即欲使繞組匝數(shù)少,必須增大磁感應(yīng)增量值,因?yàn)槔@組的匝數(shù)的多少對(duì)前沿好壞有著直接的影響。我們又知道,ΔB=Bs-Br,式中Bs為鐵心材料本身具備最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度,當(dāng)Bs一定時(shí),要使剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br低,只有這樣才能使ΔB增大。我們知道,要減小脈沖變壓器輸出波形的前沿失真,必須要使漏感和分布電容減到最小值。減小漏感和分布電容的方法,除使繞組結(jié)構(gòu)形式得到改善外,最有效、最簡(jiǎn)單的方法是提高ΔB值,減小繞組的匝數(shù),使脈沖前沿陡直。從下面的脈沖前沿與ΔB值的關(guān)系可十分清楚地得到證明:tr=Κ√Sc[U1?tdΔB](4)式中,K與脈沖變壓器繞組結(jié)構(gòu)形式有關(guān)的系數(shù)。從式中可以看出,U1和td是給定的指標(biāo)要求,當(dāng)鐵心截面積Sc和常數(shù)K一定時(shí),磁感應(yīng)增量ΔB值越高,則脈沖前沿tr保持基本不變時(shí),ΔB值越高,則鐵心截面積Sc可以得到減小,從而減小了脈沖變壓器的體積。在脈沖頂部時(shí)間里,對(duì)脈沖變壓器脈沖波形頂部發(fā)生作用的參數(shù)只有勵(lì)磁電流。電路阻抗和脈沖源動(dòng)態(tài)內(nèi)阻。從脈沖頂部瞬態(tài)特性推導(dǎo)出來的頂降的計(jì)算公式為λ=R1R2′tdLm(R1+R2′)(5)式中,λ為脈沖電壓頂降;R1為脈沖源內(nèi)阻;R′2負(fù)載內(nèi)阻;td為脈沖寬度;Lm為勵(lì)磁電感:Lm=4πΝ21Scμplc(6)式中,μp為脈沖磁導(dǎo)率;lc為鐵心磁路長(zhǎng)度(cm)。式(5)、(6)表明,脈沖頂降λ與勵(lì)磁電感Lm成反比,而勵(lì)磁電感Lm與脈沖磁導(dǎo)率μp成正比,在其它條件相同的情況下,當(dāng)脈沖磁導(dǎo)率μp越高,則頂降λ就越小。通過以上可以看出,對(duì)鐵心的磁性能的各種參數(shù)對(duì)脈沖變壓器電性能影響是至關(guān)重要的,同時(shí)設(shè)計(jì)高品質(zhì)的脈沖變壓器是必不可少的,因此必須選擇具有高Bs,低Br,高脈沖磁導(dǎo)率μp的材料。經(jīng)過一段時(shí)間實(shí)踐,逐步摸索,對(duì)幾種磁性材料的性能反復(fù)比較,終于發(fā)現(xiàn)只有低Br超微晶合金才能滿足高壓隔離脈沖變壓器電性能的要求。4彈性和熱穩(wěn)定性低Br超微晶合金具有優(yōu)異的直流磁性能,低高頻損耗,以及很好的脈沖磁性能。另外,它的磁穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性均較好。因此,它引起了冶金部門和工程應(yīng)用部門的極大關(guān)注,其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。4.1初始磁導(dǎo)率計(jì)算(1)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度:Bs=1.2～1.3(T)(2)Br/Bs:≤0.2(3)矯頑力:Hc=0.6～1(A/M)(4)初始磁導(dǎo)率:μ0=6～14×1044.2磁感應(yīng)增量b值和脈沖磁導(dǎo)率低Br超微晶合金的脈沖磁性能特別優(yōu)異,其磁感應(yīng)增量ΔB值和相對(duì)的脈沖磁導(dǎo)率極高,優(yōu)于其它軟磁合金。表1和表2分別給出了1μs和40μs兩種脈沖寬度下的脈沖磁性能。5高壓隔離脈沖壓的生產(chǎn)和測(cè)試5.1高壓隔離脈沖變壓器測(cè)試通過以上對(duì)幾種鐵心材料在脈沖狀態(tài)下磁性能進(jìn)行比較后,認(rèn)為低Br超微晶合金鐵心具有低Br,高Bs,高磁導(dǎo)率μp的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)又進(jìn)行了比較試驗(yàn),目的是驗(yàn)證低Br超微晶鐵心在高壓隔離脈沖變壓器應(yīng)用中的優(yōu)越性。在脈沖電路中對(duì)幾種鐵心材料進(jìn)行了脈沖性能的實(shí)驗(yàn),其數(shù)據(jù)表明低Br超微晶鐵心具有明顯地優(yōu)勢(shì),其測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。5.2初次級(jí)繞制及脈沖特性根據(jù)變壓器電性能指標(biāo)的要求,綜合以上幾種材料磁性能比較,確定采用低Br超微晶鐵心,其鐵心尺寸為>16/>31×15,按變壓器電性能的要求確定初次級(jí)繞組的匝數(shù),其磁感應(yīng)增量ΔB值、脈沖磁導(dǎo)率μp值均選擇在磁化曲線非飽和磁滯回線范圍內(nèi)。初次級(jí)繞組分組沿鐵心均勻繞制。鐵心內(nèi)層及繞組間均采用聚四氟乙烯薄膜和聚惡二唑紙作主絕緣,以確保耐壓可靠。同時(shí),要保證變壓器漏感分布電容與負(fù)載阻抗相匹配,外部采用環(huán)氧樹脂全灌注的形式。經(jīng)過多次繞制,結(jié)合電路試驗(yàn)以及對(duì)脈沖波形進(jìn)行測(cè)試,脈沖波形完全滿足技術(shù)指標(biāo)要求,脈沖寬度td=4～120μs,脈沖前沿tr≤0.2μs,前沿上升處略有上升頂沖,頂降λ<3%,變壓器能夠承受10kV的耐壓試