空心双谐振脉冲变压器的仿真研究

对空心双谐振高压脉冲变压器(即Tesla变压器)进行了仿真试验研究,以了解Tesla变压器运行时的耦合参数及其他相关数据。首先,根据Tesla变压器的基本原理,在考虑电路损耗的情况下,建立其双谐振回路的数学模型。然后运用解析解的方法研究双谐振回路次极为振荡电压幅值时的系列脉冲耦合系数,并给出振幅充电时的特点。分析有损Tesla变压器的等效电路时,由于其结论的表达式比较复杂,无法运用数学解析的方法对其进行进一步的分析,因而转至运用MATLAB软件对其进行研究。主要分析了空心双谐振回路出现最大幅值时的条件和时间,满足幅值输出时的回路参数,同时研究了回路参数的改变对其电压输出波形的影响。     

具有大耦合系数的Tesla变压器理论分析

带有开口铁心的Tesla变压器与成形线一体化,使Tesla变压器的耦合系数>0.9。根据Tesla变压器电路模型,得出了输出电压、电流的解析表达式。在此基础上分析了失谐系数、耦合系数等参数与输出电压、能量传递效率之间的关系。指出在工程设计中,应更多时候注意在失谐系数>1时来设计Tesla变压器的能量传输效率,并且应尽可能的提高耦合系数。     

三谐振型高压脉冲发生器

Tesla型脉冲源在小型化设计中存在次级线圈绝缘压力大、形成线受磁心及线圈结构限制等问题,三谐振变压器可以有效解决以上问题,为此笔者研制了1台基于非闭合磁心的三谐振型高压脉冲产生装置。通过对三谐振脉冲变压器无损电路的分析,给出了在高耦合系数条件下采用第1峰进行充电的设计思路及方法。在已有GW级Tesla变压器基础上,研制了1台基于三谐振脉冲变压器的脉冲功率源。实验结果表明:系统最大工作电压约为280 kV,为次级线圈电压的1.6倍,输出脉宽2.7 ns。     

一种水介质脉冲形成线充电用Tesla变压器

为了给水介质脉冲形成线快速、高效地充电,研制了一种耦合系数为0.75的Tesla脉冲变压器。推导了开放磁芯结构Tesla变压器的初级和次级电感计算公式;根据研制的变压器几何尺寸,对该变压器的主要参数进行了理论计算并用PSpice软件对变压器给脉冲形成线充电过程进行了模拟计算。该脉冲变压器已应用于基于水介质螺旋脉冲形成线的脉冲调制器中,当变压器的初级输入50kV的脉冲电压时,次级输出脉冲电压给水介质螺旋脉冲形成线充电电压高达720kV,变压器能量效率为36%。理论和模拟结果与实验测量值基本一致,该脉冲变压器具有运行稳定、体积小、结构紧凑等特点。     

基于特斯拉变压器的重频脉冲源输出特性分析及优化

特斯拉变压器型脉冲源是国内外脉冲功率研究领域的热点之一,由于其工作频率较低,而提升成本过高,限制了其在脉冲功率等高新技术领域的应用。该文基于螺旋线型特斯拉变压器的脉冲源样机,提出一种提升特斯拉型脉冲源重频工作能力的方法,分析该脉冲源脉冲形成过程,并将其分为充电电压上升、晶闸管关断和变压器谐振放电三个阶段,经过测试可知脉冲源变压器谐振放电时间是影响其频率提升的主要因素。基于上述研究进行脉冲形成过程不同阶段下的优化设计,调节外电路参数加快充电上升时间,分析晶闸管工作原理并对其关断时间进行优化,改变电路结构缩短其谐振放电时间。调节失谐系数可有效地提高脉冲源的输出电压比和能量效率等关键性能指数,在保证稳定工作的前提下,通过优化电路结构和谐振放电时间加强了脉冲源重频工作能力,最终可实现脉冲源为输出电压0～20kV,输出电压比123,能量效率64%,上升沿30ns,频率0～1kHz可调的纳秒脉冲发生装置。进而促进后续特斯拉型脉冲源的结构紧凑化及其在实际工程中的应用。     

一种可用于研究变压器暂态特性的脉冲发生器的研制

为了研究在VFTO作用下变压器绕组的暂态过程,研制了一台纳秒级的脉冲电压发生器。利用PSCAD/EMTDC软件分析了该发生器回路参数对波形上升时间、振荡程度等的影响,通过减小回路整体电感且将储能电容器的电容值取为1 nF,同时通过调整输出电缆的长度,使得输出脉冲无反射,波形质量较高,输出脉冲波形可用于研究变压器绕组在VFTO作用下的暂态过程。     

一种Tesla型的螺旋脉冲形成线设计

设计了一种基于Tesla型的结构紧凑的高电压周期性纳秒脉冲发生器方案,其中一段通过内置高耦合Tesla变压器充电的螺旋脉冲形成线的结构参数为:外筒半径20cm、螺旋线导体半径18cm、螺旋角60°。采用PIC软件模拟分析考虑螺旋线导体厚度时横电磁波的传输过程,并讨论了Tesla内磁芯的引入及内磁芯的大小对波传输的影响,引入半径7.5cm的内磁芯后,慢波系数变化不大(约2.6),输出脉冲平顶波动10%。模拟结果表明,从波传输的角度而言,这种结构的脉冲发生器方案是可实现的。     

一种可用于研究变压器暂态特性的脉冲发生器的研制

为了研究在VFTO作用下变压器绕组的暂态过程,研制了一台纳秒级的脉冲电压发生器。利用PSCAD／EMTDC软件分析了该发生器回路参数对波形上升时间、振荡程度等的影响,通过减小回路整体电感且将储能电容器的电容值取为1nF,同时通过调整输出电缆的长度,使得输出脉冲无反射,波形质量较高,输出脉冲波形可用于研究变压器绕组在VFTO作用下的暂态过程。     

模块化全固态高压ns脉冲开关技术

为满足脉冲功率技术所需高电压幅值、高重复频率脉冲源的要求,研究了一种新型绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联技术,它用5个IGBT进行串联,并将控制、驱动、均压、缓冲电路和IGBT组成一体化模块结构,模块的体积小、重量轻。驱动信号经高频脉冲变压器耦合,可以同步驱动多个高电位的IGBT,输出脉冲的宽度和频率由单片机控制。经试验表明,100Ω的电阻负载时每个模块可输出前沿<100 ns、脉冲频率160 Hz~10 kHz、脉冲幅值约3.5 kV的可调脉冲电压,而且模块可以进行多个串并联。     

螺旋线型空心变压器充电特性实验研究

利用脉冲变压器与陡化开关结合的方式,可以更容易地构造出在紧凑性、稳定性及寿命等方面性能优良的高压脉冲源。相比于铁心式变压器,空心螺旋线型变压器不含铁心,通过初次级绕组进行能量耦合,因而在体积、重量和峰值输出变比等方面更具优势。笔者对空心变压器的基本理论进行了分析,研制了设计变比3:660,带载电容100 p F,输出电压峰值为150.0 kV的油浸式变压器样机。通过初级和次级电容构成谐振充电回路,并采用快速晶闸管作为低压侧放电控制开关,对空心螺旋线型变压器的充电特性进行了实验研究。实验结果表明,空心变压器样机在初级电容为6.0μF时,输出变比可达到150左右,增大初级电容有利于增大输出变比但能量传输效率反而会下降,实际设计时要综合考虑变比与效率。