脉冲变压器设计

1、脉冲变压器设计脉冲变压器设计 1目目 录录前言.11 脉冲变压器设计要求和原始数据.31.1 脉冲变压器计算程序设计要求 .31.2 计算原始数据： .62 脉冲变压器的设计.82.1 线路的计算 .82.2 绝缘的设计 .112.3 铁心和绕组的选择 .142.3.1 铁心的设计要求.142.3.2 铁心的去磁电路.162.3.3 绕组的选择 .202.4 脉冲变压器的脉冲的计算 .252.4.1 脉冲平顶降落的验算 .252.4.2 脉冲的前沿畸变验算 .262.4.3 脉冲后沿宽度的检查 .302.5 脉冲变压器的整体结构 .312.6 脉冲变压器的温升与经济指标 .342.6.1 脉冲

2、变压器的温升和经济指标.342.6.2 脉冲变压器的温升和经济指标的验算 .353 脉冲变压器的试验.383.1 脉冲变压器的初次试验 .383.1.1 加压试验 .383.1.2 改变回路参数的试验 .393.1.3 “+-极性”的试验 .393.2 脉冲变压器的负荷试验 .403.2.1 脉冲波形的检查 .403.2.2 漏感和电容 .413.2.3 变比的测量 .42总 结.43致 谢.45参考文献.46脉冲变压器设计 1前言前言脉冲变压器是电子变压器一种特殊类型，它所变换的不是正弦电压，也不是交流方波，而是接近矩形的单极性脉冲；脉冲变压器现已极其广泛地应用于各种电子设备之中。脉冲变压器

3、与一般普通变压器的区别所有脉冲变压器其基本原理与一般普通变压器(如音频变压器、电力变压器、电源变压器等)相同，但就磁芯的磁化过程这一点来看是有区别的，分析如下:(1) 脉冲变压器是一个工作在暂态中的变压器，也就是说，脉冲过程在短暂的时间内发生，是一个顶部平滑的方波，而一般普通变压器是工作在连续不变的磁化中的，其交变信号是按正弦波形变化.(2) 脉冲信号是重复周期，一定间隔的，且只有正极或负极的电压，而交变信号是连续重复的，既有正的也有负的电压值。(3) 脉冲变压器要求波形传输时不失真，也就是要求波形的前沿，顶降都要尽可能小，然而这两个指标是矛盾的，脉冲变压器的主要用途是：脉冲变压器广泛用于雷达

4、、变换技术；负载电阻与馈线特性阻抗的匹配；升高或降低脉冲电压；改变脉冲的极性；变压器次级电路和初级电路的隔离应用几个次级绕组以取得相位关系；隔离电源部分的直流成分；在晶体管(或电子管)脉冲振荡器中使集电极(阳极)和基极(栅极)间得到强藕合；采用若干个次级绕组，以便得到几个不同幅值的脉冲，使电子管的板极回路和栅极回路，或晶体管的集电极与基极间形成正反馈，以便产生自激振荡；作为功率合成及变换元件等。在不同的脉冲设备中，广泛地应用着各种各样的脉冲变压器它们的参数包括：脉冲电压从几伏到几百干伏；脉冲电流从若干从毫微秒到数百毫秒；重复频率从几赫到几十干赫。其中高压大功率脉冲变压器主要应用在雷达、高能物理

5、、量子电子学、变换技术等领域的设备中。低压脉冲变压器设计 2小功率脉冲交压器主要应用在自动控制、计算技术、电视设备及工业自动化等方面的线路上。高压大功率脉冲变压器有自己的特点：大脉冲的特点(同小功率脉冲变压器(以下简称:小脉冲)相比)虽 然所 有 的大脉冲的工作物理过程大体相同，而与功率无关，但大脉冲与小脉冲各有特点:电压高，则绝缘要求。高大脉冲一般工作在很高的电压下，脉冲电压达几万伏甚至几十万伏，绝缘成了主要问题，我们要对绝缘材料做充分的分析和测试，如何保证和次级及绕组与铁芯的绝缘可靠，如何引出高压端将是工作重点。损耗大、散热要求好。脉冲变压器的功率取决于平均功率而不是脉冲功率，为了减少脉冲

6、变压器的体积和重量，就须解决好脉冲变压器的散热问题。大脉冲要求磁感应增量要高大 脉冲 需 要很高的，一般需BB达数千高斯到数万高斯，这是因为越高，磁芯体积越小。B由上述儿点可知，大脉冲的体积是由散热情况、材料绝缘性能和磁心的值所决定的，一般情况下，使用油浸式以提高大脉冲的绝缘性能B和散热性能，而小脉冲的结构既不取决全散热情况也不取决于绝缘强度，而是取决于制造上的可能性，值对小脉冲也并不重要，大部分情况下，B它要求的值不超过几十高斯，甚至只有几高斯。B现在为了提高电子设备的技术指标，目前大功率脉冲变压器正向高功率、高压、高变比方向发展。脉冲功率为几十到几百兆瓦；电压一般达到几百干伏，个别达1兆伏

7、；变比可从几十到几百。小功率脉冲变压器正向微型化、组装比、系列化方向发展。与此同时，对脉冲波形的要水边越来越高。脉冲平顶降落一般不超过0.5-2；前后沿应不超过脉冲宽度的515；不允许有上冲和反峰。此外还希望脉冲变压器重量轻、体积小、效率高。脉冲变压器设计 31 1 脉冲变压器设计要求和原始数据脉冲变压器设计要求和原始数据1.11.1 脉冲变压器计算程序设计要求脉冲变压器计算程序设计要求脉冲变压器的设计和一般变压器的设计基本原理是相同，而脉冲变压器在符合一般变压器的绕组、绝缘、铁芯等要求，还需要检测输入脉冲，脉冲的前沿宽度，平定降落，后沿宽度都有一定具体要求。首先分析脉冲的简化等效电路和理想脉

8、冲的特性。脉冲变压器的等效电路图（1-1）脉冲变压器等效电路脉冲源的脉冲电压(输人电压)1u换算到初级的负载输出脉冲电压 2u222uun 脉冲源内阻；iR变压器初级电阻；1r换算到初级的变压器次级电阻 2r222rrn 换算到初级的次级负载电阻 LR2LLRRn 变压器初级分布电容1C 换算到初级的变压器次级分布电容 2C222CC n 输入电路等效电容；LC脉冲变压器设计 4换算到初级的负载等效电容 LC2LLCC n 变压器等效漏感SL变压器有效磁化电感ML变压比 n12NnN变压器次级匝数2N变压器初级匝数1N脉冲变压器的脉冲波形的特点理想的脉冲波形是指矩形脉冲波。由于电路的参数影响，

9、实际的脉冲波形与矩形脉冲有所差异。其典型波形如图所示图 1-2 脉冲变压器的脉冲波形 1. 峰值脉冲幅度 Um 峰值脉冲幅度是相通过脉冲顶部的平滑曲线外推线的愚大值 10的起始“尖峰”或“过冲” 。2. 脉冲持续时间 td脉冲变压器设计 5脉冲持续时间是指脉冲幅度等于峰值脉冲幅度的 50的最初与最后瞬间相隔的时间。3. 脉冲上升时间rt脉冲上升时间是指脉冲幅度最初达到峰值脉冲幅度 10与 90两瞬间相隔的时间。除去波形中不需要或无关的部分。 4. 脉冲下降时间lt 脉冲下降时间是指脉冲幅度达到峰值脉冲幅度 90的最后瞬间与紧接在后面的脉冲幅度降到峰值脉冲幅度 10的瞬间相隔的时间，除去波形中不

10、需要改无关的部分。 当顶降的数值接近峰脉冲幅度的 10时上述定义的下降点可用脉冲幅度达到峰值脉冲幅度的 80的最后瞬间代替。5. 顶降 顶阵是指峰值脉冲幅度与脉冲顶部平滑曲线(除去起始“尖峰”或“过冲”)外推线在通过定义为脉冲下降时间的点的直线上交点的脉冲幅度之差的百分比。6. 脉冲顶峰 脉冲顶峰是指脉冲的最大幅度。7. 过冲过冲是指脉冲顶峰超过蛤值脉冲幅度的数值。过冲以峰值脉冲幅度的百分比表示。8反摆反摆是指反向脉冲的最大幅度，即越过零幅度电平以下的部分，反摆以峰脉冲幅度的百分比表示9 回摆回摆是在反摆之后回转的最大幅度，回摆以峰值脉冲幅度的百分比表示。10 恢复时间脉冲变压器设计 6恢复时

11、间是指脉冲下降时间终止与脉冲幅度最后达到峰值脉冲幅度10%瞬间相隔的时间。在可使用小于 10%字的特殊情况下，将此时间间隔称为“x恢复时间” 。脉冲变压器的设计包括变压器结构、铁心材料、绝缘方式的选取，绕组线径、匝数、铁心尺寸和绝缘距离的确定等。设计出的脉冲变压器必须满足如下要求：获得特定的脉冲上升时间；提供合适的脉冲平顶；达到要求的脉冲下降时 和脉冲尾部的频率响应；为电子管的正确工作创造条件；提供电路的电压变换；保持温度在合理的范围之内；为电子管的灯丝电流提供通道；经受住要求的工作电压；经受所需要的电压应力。输出脉冲的波形畸变不允许超过规定值。变压器是线路的一部分，因此，变压器等值线路的参数

12、应当符合要求。 变压器的温升应不超过规定位。变压器应当有足够的抗电强度和高的可靠性；变压器的体积应当最小，重量应当最轻，效率越高超好。1.21.2 计算原始数据：计算原始数据：输入脉冲的参数：脉冲变压器的初级电压 U1 V脉冲振荡器的内阻 R1 脉冲宽度 TK S脉冲前沿宽度 TS1 S脉冲的平顶降落 U1 V脉冲重复频率 F HZ初级电路的引线电感 L1M H初级电路的引线电容 C1M F脉冲振荡器的输出电容 CZ F输出脉冲的参数：脉冲变压器设计 7负载电压 U2 V负载电阻 R2 脉冲前沿宽度 Sst脉冲前沿顶部上冲 U2 V脉冲后沿宽度 Sjt脉冲的平顶降落 U2 V次级电路的引线电感

13、 L2m H次级电路的引线电容 C2m F负载电容 CF F速调管的参数如下： 超高频功率 =30MWstP 效率 = 0.4 stn 板压 U2=280KV 灯丝电压 12V 灯丝电流 30A速调管需要的脉冲宽度为=2s，重复频率为 F=50Hz。在 0.9 电平kt测得的脉冲前沿宽度应0.3s；在 0.1 电平测得的脉冲后沿宽度应st 0.5s 脉冲平顶降落应2；前沿顶部不允许有上冲则jtUUU2=0。考虑到速调管的效率，脉冲变压器的输出功率应不低于75MW。由于功率大，希望脉冲变压器的效率尽量高，最好为 0.9。脉冲振荡器的内阻为：电压 U212kV，R11.82变压器初级电路的寄生参数

14、为:引线电感 L1m0.1H；振荡器电容与引线电容之和为 C1m=2500PF；储能器充电电流的有效值为 ICH1.5。A脉冲变压器设计 82 2 脉冲变压器的设计脉冲变压器的设计2.12.1 线路的计算线路的计算脉冲变压器的设计从选取绕组线路开始。选取绕组线路的主要根据是变比。脉冲宽度、绕组工作电压、脉冲重复频率等也必须考虑。例如，当脉冲宽度很宽、电压极高时，绕组匝数很多，必须采用多层绕组，尽管它的结构有些复杂。然而，只有经过初步计算之后，才能说明是否有这种必要。因此，在着手设计时，选取绕组线路的唯一根据就是变比。为了选取脉冲变压器的绕组线路，首先确定变比：3231280 102412 10

15、0.95BUnU根据速调管的效率和板压来确定它的等值直流电阻10474 . 0103010280623222stSTnPUR82. 12410472222NRR662221211109102. 082. 182. 182. 182. 1102UURRRRtLk首先检验升压变压器脉冲前沿畸变时简化等值线路图 2-1 分析升压变压器脉冲前沿畸变时所用的变压器简化等值线路脉冲变压器设计 9根据脉冲变压器的性质：假定在 x=0 时:2121sstLsRR （2-1）221sstCR在 x=1 时212sstLsRR22sstCR在本设计中假定 X=0 按照设计要求，前沿顶部上冲应等于零。根据图选取 p

16、1。在p1 时，前沿顶部也没有上冲，然而，这时脉冲前沿宽度加大。利用p1 的曲线，在 0.9 电平处求得前沿相对宽度为 3.25图 2-2 负载为速调管时脉冲前沿标准无量纲曲线图示为 =1 时负载为线性电阻脉冲变压器设计 10时，为稳定状态下即匹配状态下的非线性电阻的特性曲线。p电压传输系数为5 . 082. 182. 182. 1212RRR允许的漏感和分布电容：21262661.0.3 10110.5 1 1.82 1.823.250.575 100.099 10sSStRRLH22629910.3 103.25 110.5 11.8229.7 10173 10sstCRF下面计算时将舍去

17、较小的漏感，而采用其较大的值；合去较大的分布电容，而采用其较小的值。 690.575 1029.7 10SLHCF为了保证前沿顶部没有上冲，波阻抗应具有如下的数值：4 . 4107 .2910575. 096CLS 按求得的和 C 及任务书规定的初次级电路寄生参数，确定允许的SL变压器漏感和分布电容。假定变压器初级绕组的出头引线电感等于初级脉冲变压器设计 11电路的引线电感。折算到次级的变压器漏感为初级漏感倍，因而，次2n级绕组的出头引线电感忽略不计。这时：脉冲变压器的允许漏感和动态分布电容如下：16660.575 100.1 100.1 100.375SBSMRMLLLL2199242929

18、.7 102.5 105 102424.3 10BMSTCCCC NF 2.22.2 绝缘的设计绝缘的设计高压脉冲变压器的绝缘包括骨架、绕组与地、层间绝缘、导线的匝间绝缘、灌封材料以及高压引出等。其中任一环节的损坏都将导致变压器的完全失效。因此，优化高压绝缘设计。可以保证或延长其寿命。提高其可靠性架采用有机玻璃制作。将铁心安装在骨架中骨心，高压脉冲从高电压端的中心引出。次级线圈的另一端和初次线圈导线从低电压端引出。重点设计各引线端彼此间的耐压，并在骨架两端做工艺孔。便于灌封材料的注入和排气初次级线圈选择表面质量好。高强度缩醛漆包圆铜导线，以保证导线的匝间绝缘。层间绝缘材料选用绝缘电阻大、电气强

19、度高、介质损耗小、机械强度大和有良好的耐热性的绝缘薄，其厚度根据层间电压差计算膜沿面耐压水平：由灌封材料的长度来决定绝缘强度体绝缘性能：由灌封材料和薄膜厚度来决定绝缘强度将绕制好的高压脉冲变压器进行真空浸油并密封。以提高变压器油的绝缘强度，并在灌封前，对变压器油进行去杂质、去湿等处理为提高高压脉冲变压器的耐压性能，我们围绕以下几个方面进行绝缘结构设计： (a) 采用有机玻璃制作绝缘筒，将铁心安装在绝缘筒中心，高压绕组引线从高电压端的中心引出、二次绕组的另一端和一次绕组导线从低电压脉冲变压器设计 12端引出着重设计好各引线端彼此间的绝缘强度，并在绝缘筒两端留出工艺孔，便于油的注入和排气。(b)

20、一二次绕组选择表面质量好、高强度缩醛漆包圆铜导线，以保证导线的匝间绝缘(c) 要求层间绝缘材料的绝缘电阻大、电气强度高、介质损耗小、机械强度高、耐热性好。绝缘薄膜的厚度则根据层间电压差计算。(d) 沿面耐压由油的绝缘强度来决定。(e) 体绝缘由油和薄膜厚度的绝缘强度来决定。(f) 要保证选用的变压器油质地纯净，绝缘性能稳定，粘度较低。（g) 对高压脉冲变压器器身进行真空浸油并密封，以提高变压器油的绝缘强度，并在注油前，对变压器油进行去杂质、去湿等处理。方案的初级电压不算高，可以采用绝缘厚纸或电缆纸作为初级绕组与铁心间的绝缘。然而，考虑到变压器的功率极大，为了改善铁心与绕组的散热，最好初级绕组与

21、铁芯间为纯油间隙初级绕组的绝缘结构如图所示，为了便于对方案的变压器进行比较，为了改善铁心的散热条件，根据 60kv 的工作电压来选取绝缘距离根据变压器油的抗电强度，取1其一半，求得绝缘距离=0.85考虑到铁心表面不光滑，会使绝缘间1cm隙中的电场有某些不均匀，以及绝缘支架表面击穿电压较低，还希望1铁心和初级绕组有良好的散热条件，因此=1。用有机玻璃做绝缘1cm骨架。由于初次级绕组间电压极高，并考虑到在脉冲振荡器及脉冲变压器过电压下这调管会发生短时击穿，可能产生火花，因此，初次级绕组间用纯油间照绝缘。在故障状态，绝缘间隙可能短时击穿，采用油绝12 缘，能自动恢复其绝缘性能。当油老化时，不必把变压

22、器拆下来就可以换油，这都是采用该种绝缘介质的主要原因。在绝缘结构中，绕组间的电场是非常均匀的。为了确定绝缘距离，12 脉冲变压器设计 13要考虑变压器油的抗电强度和脉冲宽度、电极距离、电极形状等因素的关系。根据允许电场强度为 140160 kVcm 求得绝缘距离2-2.512 。考虑到使用过程中油的老化，取此绝缘距离等于骨cm12 cm3 . 012架的厚度，通常此=0.3。仍用有机玻璃做骨架。12cm在所选的变压器结构中，绕组的散热条件很好。电流密度可以提高到 1520。然而为了保证变压器有较高的效率，为了防止速调2mmA管灯丝电流在次级绕组中产生过大的电压降，取电流密度为 5。2mmA降压

23、灯丝变压器接到次级绕组的 I 组和 II 组间，次级绕组始端接交流电网。这时，次级绕组每段的灯丝电流为：A82. 0222030122DDDDIUUI按已知的脉冲重复频率及脉冲宽度，脉冲占空系数：46101025011KFtq次级绕组每段及初级的有效值电流分别为：A67. 010104741028044432222qRUqIIE120.67 2416EEIInA忽略集肌肤负效应时各段的等值电流为：A98. 182. 028 . 267. 02222222DDREDZIKIIA2745 . 18 . 2164222211CHREDZIKII为了减弱集肤效应，初级绕组用几股线并联绕制。每股的线径和

24、次级绕组一样。初级绕组并联的股数为：脉冲变压器设计 142498. 12721DZDZIINmmjIDDDZ71. 0598. 113. 113. 1221集肤效应系数为：1 . 21021071. 018. 2118. 2163KZFtDK考虑到集肤效应，把线径增大到 0.9，这时的电流密度和所取值mm相差不多确定了匝数和匝间电压之后，选取导线牌号，并确定匝间距离。初步计算叫取匝间距离为 1.2mm2.32.3 铁心和绕组的选择铁心和绕组的选择2.3.12.3.1 铁心的设计要求铁心的设计要求 铁心是脉冲变压器的重要组成部分。脉冲变压器的体积、质量等主要指标都由铁心来确定 脉冲变压器铁心中发

25、生的电磁过程和普通电源变压器一样，都遵循如下的规律； 1电磁感应定律，该定律确定了变压器绕组电压与铁心磁通变化串之间的关系； 2全电流定律，该定律确定了铁心中的磁场强度和变压器磁化电流间的关系； 3磁滞现象，该现象表示铁心中磁感应强度的变化和磁场强度的关系； 4随时间而变化的磁通穿过铁心时引起的涡流现象； 5铁心的磁饱和现象。 脉冲变压器的主要特点是：铁心中发生的一切电磁过程都是高速的和不对称的脉冲宽度和重复频率不同，其中电磁过程变化的速度及不对脉冲变压器设计 15称性都有很大差别。由于涡流和磁通的变化率成比例，因此，脉冲变压器铁心中的涡流是极其显著的。涡流的存在，使铁心损耗激增。有效磁导率大

26、幅度下降。如果不采取有效措施，铁心中电磁过程的不对称性使铁心材料的磁性能得不到充分利用。脉冲变压器的铁心型式和其他变压器一样，脉冲变压器使用的铁心型式有壳式、心式和环形三种。一般，大功率脉冲变压器使用 CD 型心式铁心或者具有接近圆截面的心式铁心，当需附加直流偏置时，使用不切开的 C 形铁心，这种铁心称为矩形铁心。中小功串脉冲变压器使用 ED 型和环形卷统铁心。铁心尺寸根据提高励磁电感，减小寄生参数，缩小铁心体积这一原则来确定。脉冲变压器铁心的工作状态和电源变压器不同，对材料的要求也不一样。脉冲变压器的铁心材料必须具备如下特性。1在前沿很陡的窄脉冲作用下，磁感应增量的变化率极高，在铁心中将感生

27、强烈的涡流，引起显著的损耗，为了降低这种损耗，确保在窄脉冲情况下能得到高的有效脉冲磁导宰，希望铁心材料的电阻率越高超好。2前面已经说过，对于不加去磁磁场的脉冲变压器来说，铁心工作在极限局部磁滞回环上，为了能有较高的 B 值，铁心材料的饱和磁感应强度越高越好，剩余磁感应强度越低越好3为了改善脉冲变压器的技术经济指标，在设计大功率脉冲变压器时，都要外加去磁磁场。对于这种变压器来说，希望铁心材料的矫顽磁力要小，矩形系数要大，饱和磁感应强度要高4为了降低脉冲变压器的温升，希望铁心材料的比损耗越小越好。5铁心材料还应当具有良好的温度稳定性及耐辐射性等。 脉冲变压器的常用铁心材料有：电工钢、软磁合金、软磁

28、铁氧体、非晶态台金等对于脉冲变压器来说，最常用的铁心材料是冷轧电工钢DGl-DG4。在没有退火的状态下，该材料有较高的饱和磁感应强度和较低的剩余磁感应强度。退火以后，这种材料的磁滞回环有较高的矩形度，有较高的平均脉冲磁导串，加上价格低廉，因而在大小脉冲变压器中都脉冲变压器设计 16广为采用。在设计大功率脉冲变压器时，为了得到最小的体积，最轻的重量，希望铁心的磁感应增量和脉冲磁导率越大越好。可见，磁感应增量越高，脉冲磁导率也越高。因而，希望选取比较高的磁感应增量。 然而，磁感应增量越高，铁心的磁滞与涡流损耗将更高。磁感应增量提高几倍，铁心的截面积就减小到原来的几分之一。在磁路长度不变的情况下。随

29、着截面的减小，铁心体积、铁心损耗、绕组平均匝长、绕组损耗等都下降。选取冷轧电工钢带 DG2 为铁心材料。它的价格比软阳合金低，磁性能也比较好。为了降低铁心损耗，选取带厚为 0.05mm.铁心做成带绕式的，形状为 C D 形，但不切开。先卷绕后退火，以保证磁滞回环有较高的矩形度。为了减小铁心尺寸，取磁感应增量为此。Ts322.3.22.3.2 铁心的去磁电路铁心的去磁电路要想得到这样高的磁感成增量，必须有去磁磁场。由于人工线的充电电流不够大，必须利用专门的去磁电源，经脉冲变压器的初级绕组去磁。 、铁心去磁电路的计算脉冲变压器设计 17图 2-3 脉冲变压器的直流去磁电路在图中 是产生去磁电流的电

30、源；是阻流圈用来防止去磁电源对脉QIZLI冲电压的短路。为了阻流圈对脉冲平顶没有影响，电感量足够大，而分布电容要足够小。电容 用来对脉冲进行旁路，防止在去磁电源的内PC阻上产生脉冲压降。去磁可由下式确定： （2-1QQmI NHl2）采用图 2-3 所示的去磁电路。去磁磁场的强度应比材料的矫顽磁力略大一些。根据 DG20.05 的矫顽磁力为 36A/m 选取去磁磁场强度为 HQ1.25HC1.253645A/m根据式 2-2 可得：145 1.0369.35QQH lIAN去磁电流沿初级的四段绕组流过，各段的电流密度约增大 15，因而，这是允许的。不需要改变导线直径。对于不同的设计方案来说，去

31、磁电路中阻流圈的电感量也不同，其值分别为：HLLZ661102220151014815初级电路的总电感满足电参数及平顶降落的要求。为了方便起见，把阻流圈做成单层螺线管式的从图 2-4 可见，DG20.05 的比磁化能为 20 x10-4J/cm3因而，当脉冲重复频率为 50Hz 时，单位体积的损耗为 0.1wcm3比损耗相对不高，铁心的温升不会超过允许值。 根据脉冲宽度和铁心材料的带厚，按图 2-5 求得有效脉冲磁导率kt为 3000。e脉冲变压器设计 18 假定铁心的制造工艺十分完善，因而，铁心的填充系数为 0.85，为了减小绕组的平均匝长，铁心截面做成正方形的，这时1。对于四段sk并联的锥

32、形绕组来说：图 2-4 时铁心材料的比磁化性能和脉冲宽度的关系T3脉冲变压器设计 19图 2-5 有效脉冲磁导率和脉冲宽度的关系 mDDPNDFKKL333211212,1045. 33102 . 1102 . 11 . 0322103. 0413322141 mFNPNFKKC4221212121102 .201241 . 0322103. 02 . 2301. 02 . 2413221314, 取 求的系数 为1 . 0122 . 2121msCCLLFFBKUtBPSBPCLTKS943369191067. 13 .244 . 51375. 02 . 01102 .201045. 35

33、. 085. 03101210225. 31015. 2111015. 2铁心的截面积为：2242962692222 .19102 .1911067. 10012. 00012. 003. 001. 0103 . 011103 . 011067. 12112cmmKDttKSSKKSSS为了铁心截面积为正方形，所许的钢带宽度：脉冲变压器设计 20mmcmSa444 . 42 .19当成品钢带没有合适的宽度时，可以自己下料。如果不能下料，可选取 20mm 宽的钢带，用两个铁心叠起组成一个铁心。在两个铁心间留有一定宽度的油道，从而把铁心散热面积近似提高一倍。然而，这时铁心截面积不是方的。铁心截面的

34、形状也不是最佳的。取油道宽度为0.5cm。铁心截面的相应参数如表所示。表（2-1）铁心截面的参数由上表可确定铁心截面221.6scm铁心填充系数 0.755TK 1.005SK 2.3.32.3.3 绕组的选择绕组的选择绕组的设计原则：满足规定的绝缘要求；大功率脉冲变压器须保证有足够的散热面积和通道；尽可能缩短绕组长度，以降低铜损；使脉冲变压器体积最小；满足允许的漏感和分布电容值，能获得最低值。减少漏感的方法： 低压小功率脉冲变压器，当变压比1 时，采用双线(对 2 个绕组)n或多线(对多个绕组)并绕能大幅度降低变压器漏感值。当 nl 时可将匝数少的绕组夹在匝数多的绕组中绕制。这种方法对环形结

35、构最为合适。 减小绕组间绝缘厚度。由于减小绝缘厚度即减小了漏磁面积，故可减脉冲变压器设计 21小漏感。但此时分布电容增大。 增大绕组高度。由于漏感与绕线宽度成反比，增大绕线宽度可减小漏感这相当于增大铁心窗高。绕组高度增大后其厚度可减薄，这可进一步减小漏感。 改变绕组排列，增加漏调磁势组数。由于漏感与漏调磁势组数的平方成反比，可采用交叉绕法来增大其值，以减小漏感。但此时分布电容增大。 采用“自藕式”绕法，采用。自藕式”绕法可减小调感。如当 n=2。自藕式”绕法的漏感为普通绕法的四分之一。在此需说明的是，由于减小漏感与减小分布电容之间是相互矛盾的。因此，必须折衷考虑达到最佳的设计。根据下图要求寄生

36、时间常数小、抗电强度高的线路选定采用变压器式线路,锥形绕组，由上文知=24，此时寄生时间常数nnT1.变压器式线路，锥形绕组 2。自耦变压器式线路，饼式绕组；3.M=1 的 B1 线路； 4。变压器式线路，饼式绕组图 2-6 饼式绕组和锥形绕组的寄生时间常数与变比的关系考虑到次级电压很高，因此应选取寄生时间常数小，抗电强度高的脉冲变压器设计 22方案。需要采用锥形绕组。图 2-7 锥形绕组的结构在图中 h 为导线的宽度， 为初级到铁心的距离。为骨架宽度，112为绝缘间隙。12采用锥形绕组，不仅可以降低脉冲前沿的畸变，而且能减小铁心体积，使整个变压器的外形尺寸，以及所用的绝缘材料的数员都显著下降

37、。为了提高变压器的抗电强度，希望初次级绕组都由四段并联组成。这时，变压器的绕组线路如图 2.3.5 所示。为了结速调管灯丝供电，次级绕组分成对称的两组 I 和。尽管次级绕组分别绕在两个不同的铁心往上，速调管灯丝电流所产生的磁场仍能相互补偿。脉冲变压器设计 23图 2-8 脉冲变压器绕组各段连接图确定了铁心截面积之后，可确定初次级绕组的匝数： 2-41121KTU tNBSKNNN在考虑绕组线路、导线的绝缘及匝间距离的情况下，根据每层匝数和带绝缘线径来确定绕线高度 h。当绕组为多层时，层数越多，绕线高度就越短。通常，在保持足够抗电强度的前提下，希望绕线高度越小越好。绕线高度与绝缘距离h, h确定

38、了铁心柱的高度。绝缘距离 确定了铁轭的长度kkd Teh铁心的平均磁路长度 2-5224Telhhhhs把求得的铁心平均磁路长度代入 2-6722224101KTPteUSK l B U检查其是否满足要求。这时，公式中应代入铁心的有效脉冲磁导率， 如果式 2-6 不成立，则说明求得的铁心截面积不能保证允许的脉冲平顶降落。为了能满足该不等式，需要采取如下措施：1、采用更好的铁心材料，或把铁心材料的带厚减薄一些，以降低涡流损耗，提高有效脉冲磁导率。由于脉冲磁导率的下降主要是涡流引起的，采用更薄的带料往往能取得良好的效果。 2、适当降低磁感应增量当磁感应增量下降时，铁心截面积和铁心体积都增长，因而，

39、通常不希望采用这种措施。由表 2-1 可知 S ，KT的值 同时由确定的值传热系数 KK= 62 1023SB 脉冲变压器设计 24具体计算如下:9 . 4755. 0106 .213102101246311TKSKKUN取1202455121NNNN为了确定绕线高度先求匝间距离，匝间电压为：KVNUUZ33. 212010280322匝间电压不算太高，可以采用导线。当线径为 0.93时，它2QZmm的交流击穿电压为 3000 V，两股线可以承受 5000V 耐压，保证抗电强度有一倍以上的余量。为了加强匝间绝缘，提高变压器的可靠性，最好采用丝包漆包线等，带绝缘线径 1.1左右。考虑到排绕系数，

40、认为匝间距离为SQmm1.25。这时，每段的绕线高度为：mm21.251.25 120150hNmm铁心窗口的高度22 0.150.010.32Thhhm不同铁心柱上高压引出头之间的距离取为 2cm。这时铁心窗口的宽度为20.022 0.01 0.030.001250.020.105TeKKhDm 铁心的平均磁路长度2242 0.322 0.1054 0.0481.036TTelhhbm 假定平顶降落小于 2%，铁心截面积由表 3.1 确定的 S=21.62cm脉冲变压器设计 25由下式验算平均磁路长度是否满足要求，72222667342341021.61475 102 103000 105.

41、6 101 0.05100.755 1.036 3280 10KTPteUSK l B U 由结果知符合要求。2.42.4 脉冲变压器的脉冲的计算脉冲变压器的脉冲的计算脉冲变压器的等效分析，可以把脉冲作用分为三个阶段， 即前沿阶段、顶部阶段、后沿阶段，因为在前沿阶段，对于等效高频的电压上升阶段，励磁电感里高阻效高频的电压上升阶段， 励磁电感里高阻抗，我们可以近似忽略 同时由于脉冲变压器绕组间存在漏感及杂散电容，这些杂散参数的存在，使前沿很陡的脉冲变压加到变压器上时及脉冲结束后在变压器电路中将产生复杂的振荡过程， 这些振荡严重时，将会使所变换的波形产生畸变。所以要合适设计阻尼系数，通常认为当负载

42、阻尼状态，由于脉冲变压器绕组间存在漏成，绕组和变压器其他结构零件间存在分布电容。这些寄生参数的存在，使前沿很陡的脉冲电压加到变压器上时，以及脉冲结束后，在变压器电路中将产生复杂的振荡过程。这种振荡严重影响脉冲变压器的工作，使所变换脉冲的波形发生畸变。因此，分析与研究变压器电路中的振荡过程是极其重要的。这种振荡是寄生参数引起的，在设计脉冲变器时，应尽量减小类似参数。在脉冲的计算中，需要计算脉冲的平顶降落，脉冲的前沿畸变，脉冲的后沿宽度。脉冲变压器设计 262.4.12.4.1 脉冲平顶降落的验算脉冲平顶降落的验算检查脉冲平顶降落 722427662110241 0.0521.6 100.755

43、1.036 310475 102 1030001.34 10TKSK l BUUPte 检查脉冲平顶降落应小于 0.02，由设计知平顶降落符合要求2.4.22.4.2 脉冲的前沿畸变验算脉冲的前沿畸变验算为了保证前沿顶部没有上冲，按算出和然后按下式确定波阻抗：SLCSLC所设计脉冲变压器的波阻抗如果等于按上式求得的值，则前沿顶部就不会出现上冲。在确定铁心截面积时没有考虑这种状配。因此，必须对初步设计出的脉冲变压器进行验算，检查漏感和动态电容之比是否满足要求。按下式验算波阻抗： （2-7）SSBPBPLLLCCC初步设计出的脉冲变压器，通常部不满足上式。因此，需要对结构参数进行修正。修正的方法并

44、不复杂通过对按阻抗的验算，调整一下绝缘距离或绕线高度就可以了。如果波阻抗大干所需要的值，应该减小绝缘距离，但必须保证足够的抗电强度。当不允许减小绝缘距离时，就增大绕线高度。如果技阻抗小于所需要的值，则应增大绝缘距离，或减小绕线高度。有时，通过改变磁感应增量，或选取相应的绕组线路，来保证必须的波阻抗。脉冲变压器设计 27 为了取得不同线路的波阻抗值，最好是调整绝缘距离。因为，绝缘距离的变化对脉冲前沿和铁心截面积部影响不大。增大绕线高度将导致铁心体积和铁心损耗都增长，因而是不希望的。上述参数中只要有一个发生了变化，都要按式:2211SKKSSStdKStK （2-42224101KeTPtUSlK

45、BU8）重新计算铁心的截面积。实际上式两边之差在10的范围内已经可以了。因为，影响漏感和动态电容的还有匝间距离、脉冲状态下的介电常数、铁心的存在等，这些因素都是难以考虑的。此外，波阻抗在15的范围内变化，对顶部上冲和前沿宽度影响不大。根据采用变压器绕组的形式，可以确定漏感和分布电容。由于铁心的存在漏感将增大 1.25 倍可确定在变压器式线路 B2，锥形绕组的漏感和动态电容的公式：hNdPFNLKKLSB217105 （2-NFPhCKKCB,8 .1010109） 和有下面求出。NdFKKLNFKKC,在确定漏感 LS和分布电容，计算允许的变压器漏感和动态电容212MSBSMSPLLLLLLN

46、 （2-212BMZMFPCCCCCCNCC脉冲变压器设计 2810）-外电路的寄生电感212MPMLLLN-外电路的寄生电容212PZMMFCCCCCN为了检查脉冲前沿的畸变，首先根据采用的锥形绕组算出变压器的漏感和动态电容。绕组平均匝长及比值p 为：12 420.0480.04540.01 0.030.001250.0012520.356kkabPDm 120.030.08450.356p变压器的漏感：72112121122726510243351050.3564 0.15120.030.001250.001250.035230.35630.33 10SBN PddLhP初级绕组的动态电容

47、10101194104 2.2 0.356 0.15 1010.810.80.010.139 10BPhCF绕组之间的动态电容1021212121029410123110.8234 2.2 0.356 0.15 1010.80.031230.084524 132.6 1023BPNCNPF求系数：脉冲变压器设计 291121112999991220.139 102.5 100.139 102.5 1032.6 105 10240.069BmBmBFCCXCCCC N 通过确定变压器的波阻抗：BBSBCCL12121112669991220.33 100.2 100.139 102.5 1032

48、.6 105 10243.72SBPBmBFLLCCCC N 根据求的 x 和图确定波阻抗及前沿相对宽度s图 2-9 参数，x ，a 的关系s波阻抗已有在第一节所确定的，所要求的数值如下： 4.43.05S设计变压器的波阻抗和所需值有一定差别，可以改变绝缘距离12 根据计算求的绝缘距离和平均匝长 123.5cm37.6Pcm72112121122726510243351050.3764 0.15120.0350.001250.001250.035230.37630.396 10SBN PddLhP脉冲变压器设计 301021212121029410123110.8234 2.2 0.376 0

49、.15 1010.80.035120.035324 127.6 10230.376BPNCNPF改变绝缘距离变压器的漏感和绕组间动态电容12 脉冲前沿宽度：112166999263.05 0.5 0.396 100.2 100.139 1027.6 105.4 100.303 100.303SSSBPBPBtLLCCCSS根据要求规定脉冲前沿宽度在 0.9 电平时不超过 0.3，计算的结果基S本符合要求，可以继续其他的各步设计2.4.32.4.3 脉冲后沿宽度的检查脉冲后沿宽度的检查要想精确地计算出脉冲后沿的宽度是相当困难的。由于速调管的伏安特性是非线性的，当脉冲电压下降时，它的内阻增长。衰减

50、系数 1也随电压的降低而减小。然而，我们对精确的后沿宽度并不感兴趣。只要能知道后沿宽度不超过允许值就足够了。计算时认为：速调管电压从额定位降到 0.1 电平的过程中，衰减系数1恒定不变，并等于 0.1 电平时的值。这样一来，实际的后沿宽度将小于计算值。当功率为速调管时伏安特性：32SsSIg U （2-112222SPSPURUUR脉冲变压器设计 3111）所以由上式可得：2211221.825.760.1PSSPRRUU 1112126999291 100.139 1027.6 10 5.4 102 5.764.5BBPLCCCR1 大于 2 计算脉冲后沿宽度。可由近似公式来确定后沿宽度：

51、（2-2.3jtRC12）99921122.32.3 5.76 0.139 1027.6 10 5.4 100.434jBBPtRCCCs根据要求脉冲后沿宽度应小于 0.5，因此计算脉冲后沿宽度符合要求。s2.52.5 脉冲变压器的整体结构脉冲变压器的整体结构脉冲变压器绕组的绝缘结构应当满足下列要求： 1、绕组绝缘应当具有足够的抗电强度，在各种可能的过电压下都不应当发生击穿或飞弧； 2、绕组的寄生时间常数应当尽可能小 3、在最高工作温度下及规定的使用期限内，绕组绝缘的电气和机械性能应满足要求。 因此，所用绝缘材料的抗电强度越高越好，介电常数越小越好。电压五十到几百千伏的脉冲变压器都是油浸式的。

52、在这种变压器中，绕组的绝缘结构主要由抗电强度来确定。高压下电场的不均匀性对绝缘结构脉冲变压器设计 32的抗电强度有极大影响。设计高压脉冲变压器时，应当保证绕组和铁心间及绕组各层之间的电场要尽可能均匀。此外，在设计绝缘系统时要注意有足够的表面爬电距离；图上表示了锥形绕组超高压脉冲变压器的简化结构。1.铁心 2.2. 初级绕组 3. 有机玻璃骨架 4.次级绕组图 2-10 高压脉冲变压器的结构初级绕组 2 绕在铁心 l 上。由于初级电压退常不超过 50kV，因此，初级和铁心洞的绝缘比较简单。高压绕组由四段并联组成，每段都是单层的。各段的始端均在铁获附近，而终端高压引出头在铁心柱的正中间。因此，高电

53、位点离铁心很远。由于各段的高压引出头的电位相等，不需要很大的绝缘距离。从铁扼到铁心注正中间，电压是均匀增长蝴从铁心注正中间到另一个铁轭，电压又均匀下降，从而保证绝缘间隙 12：中的电场比较均匀。次级绕组 4 绕在有机玻璃做成的盒式骨架上。因此，不存在表面放电的平面，自然不会发生类似的击穿。每个骨架都由四块组成，靠次级绕组的导线固定在铁心上。从绕组终端到始端，绝缘距离 12逐渐减小、。这不仅可以降低绕组的寄生时间常数，而且可以提高绝缘系统的机械强度。脉冲变压器设计 33在设计脉冲变压器的整体结构时，要特别注意变压器的高压引出头。由于电压极高，灯丝变压器和这调管阴极之间的连线要尽量短。速调管阴极引

54、出头也希望浸在变压器油中。考虑到这些要求而设计出来的脉冲变压器如图所示。在图示中：1.脉冲变压器 2.3.有机玻璃骨架 4.底板 5.螺杆 6.内箱壳7.有机玻璃绝缘子 8.法兰盘 9.弯角支架 10.接头 11.变压器12.扩张器 13.初级高压绝缘子图 2-11 脉冲变压器的整体结构 利用弯角支架和拉紧螺栓把脉冲变压器 l 固定在顶盖上。变压器下端固定在底板 4 上。用螺杆 5 和内箱壳 6 把底板与顶盖连在一起。在内箱壳 6 的左壁上装有圆盘式有机玻璃绝缘子 7。脉冲变压器、灯丝变压器、速调管阴极等彼此间的连线都很短，结构非常紧凑。内箱壳 6 中也灌满变压器油。法兰盘 8 起密封作用。速

55、调管也靠该法兰盘固定。为了换油刀使，把箱壳分为两部分。绝缘子上装有弯角支架 9。该支架上装有可拆卸的接头 10，用来把脉冲高压和来自变压器 11 的灯丝电压加到速调管阴极。圆盘式高压绝缘子垂直安装，不仅可以缩短次级高压引线的长度，而且能防止油中微粒沉积到绝缘子表面上去。 脉冲变压器设计 34箱壳的顶盖上装有扩张器 12 和初级高压绝缘子 13。为落实在高压状况下的安全运行，变压器制造时必须彻底干燥，完全浸渍并封密在一个防漏的箱体容器内。为了避免气泡或气隙留存于绝缘系统中，在干燥与浸渍时应特别重视。气泡或气隙的存在会导致高电场及绝缘系统可能被击穿或性能恶化。下面是典型的浸渍工艺程序介绍。将待浸渍

56、的元件放入90的烘箱中，保温不少于4小时，然后将元件完全密封在容器内，只留一个小的注油孔。在真空条件下把变压器油加热到70并保温34时后备用。把装有元件的容器抽真空至lHg，并在90的温度中保持2小时；允许在低mm40Hg柱之真空度下，将油充入装有元件的容器中；再在真空状态下mm保持0.5小时。在常压下放置0。5小时。然后在40Hg柱下放l5分钟，mm在正常大气压下放l5分钟，如此循环四次。注意，在所有这些过程中，均应将f由温保持在70左右。在70温度的油中将容器的充油孔密封。然后将装有元件的容器从油中取出进行彻底清洗(可使用三氯乙烯)；将元件放入冷冻箱中降温至4(或其它要求的温度，可根据元件

57、的工作环境与技术条件确定)，再放入 90 的烘箱中直到其彻底加热为止；之后检查容器是否漏油。如果发生漏油则必须返工；如果不漏油，就可以油漆容器表面。2.62.6 脉冲变压器的温升与经济指标脉冲变压器的温升与经济指标2.6.12.6.1脉冲变压器的温升和经济指标脉冲变压器的温升和经济指标变压器的温升应不超过允许值。允许温升等于绝缘材料的极限工作温度与最高环境温度之差。对于变压器油来说，极限工作温度为 95。一般最高环境温度为 40 一 50。因此，允许温升为 40左右。为了降低温升，变压器应当有足够的散热面积脉冲变压器的经济指标有：效率、功率系数以及有效材料的利用系数，该系数是衡量变压器优劣的重

58、要依据。利用系数表示单位功率消k耗的铁心和绕组材料。脉冲变压器设计 35脉冲磁化时的铁心损耗高的效率。影响变压器效率的主要因素是铁心损耗。铁心损耗由磁滞损耗、涡流损耗、磁后效作用引起的损耗、及铁心钢带之间绝缘不良引起的损耗等叠加而成。 经验表明，精确地计算出以上各种损耗是比较困难的。而且，铁心钢带之间绝缘不良引起的损耗由制造工艺来确定，各单位的工艺条件互不相同，因此，这种损耗是无法解析计算的。脉冲变压器的铁心损耗，常根据某些条件下试验得到的曲线，加上必要的计算来确定。铁心的平均脉冲磁导率也用这种方法确定，然而，磁性材料的品种很多，脉冲变压器的工作状态也互不相同，测出所有必须的参数是相当复杂的。

59、此外，测得的这些数据也有一定的局限性。因此，工程实践中通常只考虑磁滞与涡流两种损耗。 在推导磁滞与涡流损耗的公式时，通过某些简化，使导出的公式有一定余量，以补偿磁后效及铁心钢带绝缘不良等因素引起的损耗。当然，这种方法会产生一定的误差。实践表明，其精度是足够的。2.6.22.6.2 脉冲变压器的温升和经济指标的验算脉冲变压器的温升和经济指标的验算铁心损耗：44621.6 100.755 1.036 50 20 1010169TTPVFWSK lFWW为了计算绕组损耗，先确定绕组的电阻。所选导线为单股线93. 02QZ的截面积为 0.68。考虑到并联的股数，绕组电阻为：2mm811386623.4

60、2 1012.185 0.3760.93 103.42 1012.182.814 0.68 102 104.6 10RDKN PdrkSt绕组损耗：22221122222224241.54 4.6 101615.5 0.670.824117CHReeDDIPr IrIIW计算变压器的磁化电感：脉冲变压器设计 36721172464104103000 521.6 100.7551.036148 10eTlN SKLH变压器的无功功率： 2211122122326999260.50.5 5012 102 100.396 100.139 1027.6 101.82148 10SBKqBBLtPFUC