1.2 犕犞脉冲变压器设计及实验研究

1.2 犕犞脉冲变压器设计及实验研究

２卷第３期　第２０１０年３月　２

强激光与粒子束

ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ

Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．３　

，Ｍａｒ．２０１０　

文章编号：（）００１４３２２２０１００３０５５００３　１

１．２犕犞脉冲变压器设计及实验研究

马成刚，　谢　敏，　刘云涛，　李亚维

（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳６）２１９００



采用螺旋渐开式绕组逐渐增大绕组对磁芯的绝缘距２ＭＶ脉冲变压器的设计方法，　　摘　要：　介绍了１．离，用ＡＮ最大场强不超过１／ＳＹＳ程序模拟脉冲变压器中的场强分布情况，８ｋＶｍｍ。通过实验研究有效解决了绕组对绝缘支撑的局部放电现象，得到了１．单次运行时间达到１ｍ，重复频率１２ＭＶ的高压脉冲输出，ｉｎ００，验证了所采用的设计方法的可行性。Ｈｚ

关键词：　脉冲变压器；　螺旋渐开式绕组；　局部放电；　重复频率

：／４０２；４１７　　　　文献标志码：狅犻１０．３７８８ＨＰＬＰＢ２０１０２２０３．０５５０　　中图分类号：　ＴＭ　ＴＭ　Ａ　　犱

对高功率脉冲电源提出了许多新的要求，脉冲变压器型高功率脉冲电源　　近年来随着脉冲功率技术的发展，

重量轻、功率转换效率高等优点，广泛地应用在雷达、微波、加速器等领域。由于所用的开关数量具有体积小、

较少，系统的控制、触发、同步比较容易，而且可以工作在高重复频率状态下。在国外对这种变压器的研究水平

［［３］６］

已经比较高，比如Ｔ，电压可以达到ＭＶ级，但在我国超过５。ｅｓｌａ变压器１００ｋＶ的脉冲变压器研究不多４为适应高功率微波技术的发展，我们在８００ｋＶ高功率脉冲变压器研制成功的基础上设计制作了一台１．２ＭＶ

脉冲变压器，并给出了实验结果。

１　理论设计

同时要求体积要小，所以难度比较大。另外在整个高功率微波电源系统中　　由于设计的变压器电压比较高，采用的主开关为氢闸流管，其正常工作时的电压应控制在不大于５，则所设计的变压６ｋＶ（８０％额定工作电压）则所设计的变压器的实器的实际变比必须达到２１．４３。如果适当把正常工作电压放宽到９０％额定工作电压，际变比必须达到１即９．０５。在设计变压器时按照变压器的最大磁通变化率与其伏秒数相同的原则进行，（）ｍａ犅ｍａ犓犛１τ＝狀ｘｘ

２

式中：犝ｍａ犅ｍａ犓为磁芯的填充系数；犛为磁芯的横截面τ为放电时间；ｘ为变压器次级电压；ｘ为最大磁感应强度；积；狀为匝数。大环尺寸规格为：外径７２ＭＶ脉冲变压器为有磁芯的脉冲变压器。磁芯选用铁基非晶材料的大环，８０　　１．

内径６厚度２／／ｍｍ，２０ｍｍ，５ｍｍ。其磁性能参数为：犅ｒ＋犅ｍ（８０Ａｍ）４１Ｔ，８０Ａｍ）００２８Ｗｂ，≥１．ΔΦ（≥０．其中：初级最犅ｒ为起始磁感应强度，犅ｍ为峰值磁感应强度，７，ΔΦ为磁通变化量。设变压器的匝数比为１∶２充电时间为３μ，变压器初级线圈匝数为２匝，则变压器磁芯须由１高工作电压为５６ｋＶ，ｓ４块铁基非晶大环构］７

成［。所以在进行设计时采用的变压器油中脉冲击穿电压为１／按此击穿０ｋＶｍｍ，　　由于结构中的电场极不均匀，电压并借鉴８００ｋＶ脉冲变压器的运行经验来确定初次级绕组前两匝之间的绝缘距离以及其对磁芯之间的绝缘距离，其它绕组根据电压的升高逐步增加绝缘距离，形成螺旋渐开式绕组。最终确定的匝间绝缘间距为７（）所示为变压器绕组结构。ｍｍ。图１ａ

［］

利用ＡＮ图１（所示为建立的ＳＹＳ软件对脉冲变压器电场进行数值模拟８，ｂ）　　根据脉冲变压器绕组结构，

如图２（）所示。在模拟中发现，如果电场数值模拟模型。由此可以得到高压输出端对磁芯的电场分布曲线，ａ全部绕组都采用直径为１则高压输出端最大场强较大。为了减小输出端场强，最后４匝绕组采４ｍｍ的铜杆，用直径为２由图１（）可以看出，模拟得到的最大场强约为１／６ｍｍ的铜杆，ｂ７．１２９ｋＶｍｍ。

２００９１１１０；２００９１２３０收稿日期：　　修订日期：

基金项目：国家高技术发展计划项目

作者简介：马成刚（，男，工程师，硕士，从事高功率脉冲技术研究；１９７７—）ｍａｃ２＠２１ｃｎ．ｃｏｍ。ｇ通信作者：李亚维（—），女，工程师，硕士，从事高功率脉冲技术研究；。１９８０ｌｉａｗｅｉａｅ．ａｃ．ｃｎ＠ｃｙｐ

1.2 犕犞脉冲变压器设计及实验研究

第３期马成刚等：１．２ＭＶ脉冲变压器设计及实验研究

５５１

／１２次级电容犆初级电压为５由变压器的最大变比狀＝（／．２４Ｆ，５０ｐＦ，６ｋＶ，犆犆　　设初级电容犆１为０２为３１２）

可以得到最大变比为２可以满足设计需求。利用Ｐ６．２，ｓｉｃｅ软件模拟得到的脉冲变压器的输出电压超过ｐ

如图２（），达到设计要求

。１．２ＭＶ，ｂ

Ｆｉ．１　ＷｉｎｄｉｎｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒａｎｄｉｔｓｍｏｄｅｌｆｏｒＡＮＳＹＳｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｇｇｓ

图１　脉冲变压器绕组结构和ＡＮＳＹＳ

数值模拟模型

’Ｆｉ．２　Ｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｈｉｈｖｏｌｔａｅｔｏｍａｎｅｔｉｃｃｏｒｅａｎｄｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｏｕｔｕｔｖｏｌｔａｅｂｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｇｇｇｇｐｇｙｎ

图２　高压对磁芯的电场分布和模拟输出电压

２　实验研究与分析

由于受到现有磁芯结构尺寸的限制，在磁芯　　根据以上原则设计的高压脉冲变压器绕组呈螺旋渐开线形式，

容易在内圈的绕组与磁芯之间产生局部放电。实验结果也验证了设计者对薄的内圈为整个结构的薄弱环节，

弱点的分析，但是在实验中发现，当解决了内圈绕组对磁芯的局部放电现象后，在侧绕组与磁芯之间存在局部放电现象，并由放电点向相邻绕组的绝缘支撑和地发展，引起了绝缘支撑的体击穿，如图３所示。分析原因为侧绕组倒角过小，局部场强过高，同时预留的排气孔没有起到排气的作用，应去掉排气孔。在后面的实验中改变变压器侧绕组的固定方式，如图４所示，改善表面场强分布情况，并在安装完毕后进行真空注油，排除系统中有效解决了脉冲变压器中的局部放电现象

。气隙或气泡对绝缘的影响，

Ｆｉ．３　Ｐｈｏｔｏｏｆｂｒｏｋｅｎｉｎｓｕｌａｔｏｒｇ

图３　绝缘支撑击穿照片

Ｆｉ．４　Ｉｍｒｏｖｅｄｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｇｐ

图４　改进后的脉冲变压器

脉冲变压器磁芯的边缘比较锐利，容易引起局部放电现象。可以在磁芯的两边加屏蔽板，有　　实验中发现，

提高了脉冲变压器的运行可靠性。在实验中最终得到的脉冲变压器经高压放效减小了磁芯侧面的电场强度，

电开关的输出脉冲幅值达到１．最高工作频率为１，充电时间约为２．，可以连续１ｍ２２ＭＶ，００Ｈｚ３μｓｉｎ运行，

1.2 犕犞脉冲变压器设计及实验研究

５５２

强激光与粒子束

第２２卷

Ｆｉ．５　Ｏｕｔｕｔｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆ１．２ＭＶｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｇｐ

图５　１．２ＭＶ脉冲变压器输出波形

每两次之间间隔５ｍ达到设计要求。图５所示为输出脉冲波形，包括单次及重复频率情况。ｉｎ，

３　结　论

２ＭＶ脉冲变压器中内圈绕组对磁芯的绝缘距离以及侧绕组对磁芯和绝缘支撑的绝缘距离是设计的关　　１．

键。实验证明，本文所采用的高压脉冲变压器的设计方法是可行的。设计的脉冲变压器输出电压达到１．２２对后级电容充电时间约为２．，能够重复频率１，达到设计技术指标要求。另外，ＭＶ，３μｓ００Ｈｚ连续运行１ｍｉｎ采用这种方法可以设计出更高电压等级的脉冲变压器。参考文献：

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，，ＱｉａｎＣｈａｎｎｂｉＬｉＭｉｎｉａｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆａ１．０ＭＶ１００ＨｚｃｏｍａｃｔＴｅｓｌａｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｗｉｔｈＰＦＬ．犎犻犺犘狅狑犲狉犔犪狊犲狉犪狀犱犘犪狉狋犻ｇ，ｇＡｇｊｐｐ犵（）：）２００６，１８３４５１４５４犮犾犲犅犲犪犿狊，

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，ＬｉＭｉｎｉａｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆｉｎｔｅｒａｔｉｖｅｄｅｖｉｃｅｆｏｒｅｎｅｒａｔｉｎｎｄｆｏｒｍｉｎｅｅｔｉｔｉｖｅｈｉｈｖｏｌｔａｅｐｕｌｓｅ．犎犻犺犘狅狑犲狉犔犪狊犲狉犪狀犱犘犪狉狋犻犮犾犲ｇｊｐｇｇｇａｇｒｐｇｇ犵，（）：）犅犲犪犿狊２００８，２０４７０１７０４

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，，（）：ＺｈａｎｉａｎｄｅＬｉＹｏｎｚｈｏｎｅｔａｌ．ＨｉｈｖｏｌｔａｅｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｆｏｒＰＦＬｃｈａｒｉｎ．犎犻犺犘狅狑犲狉犔犪狊犲狉犪狀犱犘犪狉狋犻犮犾犲犅犲犪犿狊，２００３，１５４ｇＪｇｇｇｇｇｇ犵）３９４３９６

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，ｕａｎ，Ｚｈａｎｈｉｆｕｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆａ６００ｋＶｈｉｈｖｏｌｔａｅａｎｄｈｉｈｃｕｒｒｅｎｔｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．犎犻犺犘狅狑犲狉犔犪狊犲狉犪狀犱犘犪狉狋犻犮犾犲犅犲犪犿狊，ｑｇＺｐｇｇｇｐ犵（）：）１９９８，１０３４６２４６６

］］变压器，（）：（［５２００ｋＶ脉冲变压器的研制［Ｊ．２００４，４１１１２１２３．ＭｉＬｕｎ．Ｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆ２００ｋＶｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．犜狉犪狀狊狅狉犿犲狉，２００４，　米伦．ｐ犳

（）：）４１１１２１２３

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：ｅｔａｌ．Ｐｕｌｓｅｄｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｗｉｔｈｈｉｈｖｏｌｔａｅａｎｄｉｎｔｅｎｓｅｃｕｒｒｅｎｔ．犑狅狌狉狀犪犾狅犪狋犻狅狀犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋犲犲狀狊犲犜犲犮犺狀狅犾狅２００１，２３（１）１１０ｇｇ犳犖狔狅犳犇犳犵狔，）１１３

［］刘纯亮，刘国治，等．环形磁芯磁开关设计［］西安交通大学学报，：（，，，７Ｊ．２００３，３７（２）１３９１４２．ＳｕＪｉａｎｃａｎＬｉｕＣｈｕｎｌｉａｎＬｉｕＧｕｏｚｈｉ　苏建仓，ｇｇ

（）：）ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｎｏｆａｔｏｒｏｉｄｍａｎｅｔｉｃｓｗｉｔｃｈ．犑狅狌狉狀犪犾狅犻’犪狀犑犻犪狅狋狅狀狀狏犲狉狊犻狋２００３，３７２１３９１４２ｇｇ犳犡犵犝狔，

］阮江军，康强，等．脉冲变压器锥形绕组电压分布数值分析［］高电压技术，：（，Ｒ，Ｋ［８Ｊ．２００４，３０（６）５１５３．ＬｉＭｉｎｉａｕａｎＪｉａｎｕｎａｎ　李名加，ｇｊｇｊｇ

，’ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｔａｅｒｗｉｎｄｉｎｓ．犎犻犺犞狅犾狋犪犲犈狀犻狀犲犲狉犻狀２００４，３０Ｑｉａｎｇｐｇｇ犵犵犵犵，（）：）６５１５３

犇犲狊犻狀犪狀犱犲狓犲狉犻犿犲狀狋犪犾狉犲狊犲犪狉犮犺狅狀１．２犕犞狆狌犾狊犲狋狉犪狀狊犳狅狉犿犲狉犵狆

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：，犫狊狋狉犪犮狋ｈｉｓｐａｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｄｅｓｉｎｍｅｔｈｏｄｏｆａ１．２ＭＶｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｗｈｉｃｈａｄｏｔｅｄｔｈｅｈｅｌｉｘｉｎｖｏｌｕｔｅｗｉｎｄ　　犃　Ｔｐｇｐｉｎｏｅｎｌａｒｅｔｈｅｉｓｏｌａｔｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｗｉｎｄｉｎｎｄｔｈｅｍａｎｅｔｉｃｃｏｒｅ．ＴｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＡＮＳＹＳｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｇｔｇｇａｇ

／ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｗａｓｌｅｓｓｔｈａｎ１８ｋＶｍｍｉｎｔｈｉｓｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｔｈｅｌｏｃａｌｄｉｓｃｈａｒｅｐｈｅｎｏｍｅｎａｏｆｔｈｅｗｉｎｄｉｎｏｔｈｅｉｎｇｇｔ：ｓｕｌａｔｏｒｗｅｒｅｓｏｌｖｅｄｔｈｒｏｕｈｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅｄｅｒｉｖｅｄｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｅｓｉｎｓｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｇｐｇｄｇｐ，１．２ＭＶｏｕｔｕｔｖｏｌｔａｅ１００Ｈｚｒｅｅｔｉｔｉｏｎｆｒｅｕｅｎｃｎｄ１ｍｉｎｓｉｎｌｅｒｕｎｔｉｍｅ．ｐｇｐｑｙａｇ

：；；；ｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ犲狅狉犱狊ｅｌｉｘｉｎｖｏｌｕｔｅｗｉｎｄｉｎｌｏｃａｌｄｉｓｃｈａｒｅｒｅｅｔｉｔｉｏｎｆｒｅｕｅｎｃ　　犓　ｐ　ｈ　　ｇｇｐｑｙ狔狑

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