脉冲变压器（精选4篇）
脉冲变压器 篇1
1 引言
目前,脉冲功率技术已经成功应用于国防科研、高新技术研究和民用工业等领域[1,2,3,4]。超导电感储能技术应用于脉冲功率电源已有较多的研究,主要可分为超导电感串联充电并联放电模式[5,6]和利用超导储能型脉冲变压器的感应放电模式[7,8,9]。从电源模块的组成来看,采用超导脉冲变压器的感应放电模式的结构要相对简单,而且它集储能与电流脉冲成形于一体,对脉冲电源体积的减小更具重要意义。尤其随着高温超导材料和技术的发展,采用高温超导电感储能的脉冲功率电源的成本也会大幅减小,更具大规模工程应用的潜力。
本文对基于超导储能型脉冲变压器的脉冲电源进行了仿真研究,介绍了其对非线性电阻放电模式的工作原理,利用文献[7]提供的负载参数分析了非线性电阻的转变电压对系统的影响,并与线性电阻比较了该模式的性能。最后讨论了该模式的现实可行性。
2 电路和工作原理
2.1 电路结构
脉冲功率电源电路如图1所示,其中利用非线性电阻作放电电阻。图中Us为初始充电电源,Sopen、Sclose分别为断路开关和闭合开关,Lp、Ls分别为变压器的超导原边和常导副边的自感,M为互感系数,Rc、Lc分别为负载电阻和电感,r为非线性电阻。其中,非线性电阻的最高限制电压应小于脉冲变压器超导原边的耐压。
非线性电阻的伏安特性可以用下式来描述:
其中K为常数,其值等于非线性电阻在通流1A时的端电压值;α为非线性系数。非线性电阻的电压特性与稳压管相似,电压未达到转变电压时,非线性电阻r上的电流非常小,电阻值非常大;当电压超过转变电压后,在较小的电压范围内非线性电阻上的电流变化非常大,电阻值变得很小。也就是说,在超过转变电压的较大电流范围内,非线性电阻具有一定的稳压特性[10,11]。
2.2 电路工作原理
基于上述特性,图1电路的工作过程为:
断路开关Sopen闭合,闭合开关Sclose断开时,电源Us对脉冲变压器的超导原边充电;充电结束后,利用充电电源续流。由于电源Us的电压远小于非线性电阻的转变电压,非线性电阻r可近似为无穷大,所以充电过程中可忽略电阻r的影响。此外,脉冲变压器的原边采用超导电感,其具有的零电阻特性使得对充电电源的功率要求大大降低,电路中只有很小的接头电阻和线路电阻的损耗。
对负载放电时,闭合开关Sclose闭合,断路开关Sopen断开,脉冲变压器的超导原边直接对非线性电阻放电。由于非线性电阻具有一定的稳压特性,原边电流在相对稳定的电压下迅速衰减,从而在脉冲变压器的副边感应出较高峰值的电流脉冲。
对负载放电过程的电路状态方程为:
其中L's=Ls+Lc,r·Ip(t)=K·Ipα(t)=Ur(t)。由(1)式可计算出当脉冲变压器超导原边的储能电流不是非常大时,非线性电阻所承受的电压峰值与其转变电压的差值相对较小,具有一定的稳压特性,可以近似认为在脉冲变压器原边的放电过程中Ur(t)≈Ur为常数。则可得在t0≤t≤t1过程为:
其中t0、t1分别为开始放电时刻和原边电流衰减到零的时刻,脉冲变压器能量的传输效率为[7]:
其中
式中Ip0为脉冲变压器超导原边充电后的电流值,Ep0为超导原边电感的总储能。
可以看出,能量的传输效率与脉冲变压器的耦合系数k的平方成正比,降低储能电感Lp和负载阻抗都可以提高能量的传输效率。通常情况下负载是固定的,超导储能型脉冲变压器为了保持一定的储能和耦合系数,其参数也相对固定。因此,提高非线性电阻r应为提高能量传输效率的主要方法。非线性电阻r对系统的影响可表现为其转变电压对系统的影响。
3 仿真分析
本文以Ansoft/simplorer 7.0为平台,对基于超导储能型脉冲变压器的脉冲功率电源系统进行仿真,结合理论分析研究非线性电阻的转变电压Uc对系统的影响,并将非线性电阻与线性电阻的放电特性相比较,从而为系统设计提供依据。
3.1 非线性电阻转变电压的影响
为了便于日后实验验证,仿真中选择脉冲变压器总储能为1k J,变压器参数:Lp=8 m H,Ls=2μH,耦合系数k=0.8,储能电流Ip0=500 A。分别取三个非线性电阻的转变电压Uc为820V、910V、1200V,取其非线性系数α=0.027(典型值),由(1)式求得其系数K值分别为930、1030、1359。采用文献[7]中轨道电磁炮参数Rc=0.7 mΩ,Lc=0.2μH进行仿真,仿真结果如图2所示。
从图2(a)中可以看出,随着非线性电阻的转变电压的升高,脉冲变压器输出的电流脉冲的幅值明显增大,电流脉冲的上升沿时间也明显减小。这是因为随着非线性电阻转变电压的升高,作为脉冲变压器原边绕组的超导储能电感的电流衰减速度加快,为满足磁通守恒,从而在脉冲变压器副边感应出更快更大的电流脉冲。图2(b)电压波形显示,转变电压越高,超导储能电感承受的电压幅值也越高,不过其承受的时间越短。具体参数见表1所示,随着非线性电阻转变电压的升高,脉冲功率电源能量的传输效率也随着提高。
3.2 与线性电阻性能比较
以相同幅值的负载电流脉冲输出为前提,对分别使用线性电阻和非线性电阻作放电电阻的情况进行仿真。仿真参数k=0.8,非线性电阻转变电压Urt=1200 V,线性电阻R=20Ω,其它参数不变,仿真结果如图3所示。
可以看到,负载电流脉冲幅值基本相等时,用非线性电阻放电产生的过电压要远低于线性电阻,这不仅降低了对断路开关的要求,还有利于超导储能电感的低温耐压绝缘。性能参数比较见表2所示,其效率相差不大,不过负载电流脉冲的上升沿时间因非线性电阻产生的电压较低而相对较长。
4 现实可行性讨论
由理论分析和仿真研究可以得出,使用非线性电阻作放电电阻时,其转变电压越高,系统能量的转移效率越高。而转变电压越高,对超导电感的低温绝缘和断路开关的耐压要求就越高。不过相对于线性电阻,非线性电阻产生的电压要小得多,而且从当前的超导低温绝缘技术和断路开关技术的发展情况来看,对于承受该等级的脉冲电压的要求已经不是困难。文献[12]对氧化锌阀片在低温下的特性进行了研究,并已证明其在低温下是可行的,这可以大大减小脉冲功率电源系统的体积。该模式与文献[6-8]中的模式相比,避免了利用超导脉冲变压器原边电感失超来获得脉冲电流输出,使得操作过程相对方便。
5 结论
本文研究了基于超导储能型脉冲变压器对非线性电阻放电的脉冲电源,分析了非线性电阻的转变电压对系统的影响。仿真结果表明:使用超导储能型脉冲变压器对非线性电阻放电的脉冲电源模式是可行的。提高非线性电阻的转变电压可以提高系统的能量转移效率,不过相比较于利用线性电阻放电时产生的电压要小很多,这使得超导储能电感和断路开关的耐压在承受范围内。为了获得更高的脉冲电流输出,在后续工作中需要对多模块协调控制等方面展开工作。
参考文献
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一种脉冲变压器的试制 篇2
一、换能器的选择
为了提高仪器的发射能量, 首先, 需要选择一种合适的换能器。由于条状全向压电陶瓷换能器, 电极较少, 发射电流不足, 而为了增加发射能量, 一味地提高发射电压, 将会导致电极之间打火, 影响仪器性能。所以, 我们采用全电极全向压电陶瓷换能器, 该换能器在电压不变的情况下, 可以产生充足的发射电流, 提供足够的发射能量。
二、铁芯的选择
铁芯材料有很多种, 有非晶的、超微晶的、硅钢的、坡莫的、铁基纳米晶的等等。不同材料的铁芯, 都有不同的特性。发射升压脉冲变压器, 需要的是高温稳定性好, 有导磁率足够的铁芯。可以保证脉冲变压器的初次级有足够的电感量, 同时, 在高温状态下, 不至于电感量变化很大, 导致发射能量变化, 影响换能器工作。由于环形硅钢铁芯具有较高的高温稳定性, 成为升压脉冲变压器的首选铁芯。另外, 由于仪器外径的限制, 硅钢环在绕好变压器后, 外径不得大于34mm。这给变压器的试制也提出了更高的要求。
三、脉冲变压器和换能器的匹配
由于换能器采用的是全电极全向压电陶瓷换能器, 当脉冲变压器初级线圈扎数太少的时候, 放电电流很大, 在直流电源上产生很大的波动干扰, 而100V直流供电的仪器, 电源上的波动干扰会影响接收电路工作和CCL仪器工作。故需将线圈初级扎数变大, 提高电感量和线电阻。
由线圈振荡的谐振频率公式f=1/ (2π* (L*C) ½) 可得, 在谐振频率不变的情况下, 当电容值降低时, 电感量上升。我们将两个发射换能器进行串连, 降低换能器的静态电容, 从而提高发射脉冲变压器次级线圈的电感量, 提高次级线圈扎数。谐振频率公式给出的是个理论值, 但是由于线圈中还存在阻抗匹配、漏感等因素的影响, 所以实际线圈初次级扎数比需要进行试验得出。
四、升压脉冲变压器的试制
升压脉冲变压器的试验如下:
1. 初级双线并绕, 次级单线, 初次级电感量比为1.38:228, 初级放电电压240V, 次放电电压为2580V。波形如图1。但是, 由于仪器的外径限制, 该线圈的外径>34mm, 故需修改线圈次级线径。同时, 放电时伴有二次放电现象。
2. 次级线径减少0.07mm, 初级双线并绕, 次级单线, 初次级电感量比为1.42:224, 初级放电电压240V, 次放电电压为2340V, 与 (1) 相比, 次级放电电压略微下降, 两次的工作电流基本不变, 线圈尺寸已经符合仪器结构要求。波形如图2。但是, 尚未解决二次放电现象。
3. 用50mm高度铁芯, 初级双线并绕, 次级单线, 初次级电感量比为4.78:1090, 初级放电电压240V, 次放电电压为3320V。二次放电现象消失, 放电电压提高至3000V以上, 并且尺寸符合仪器结构要求。波形如图3。但由于该高度铁芯存在生产上的困难, 需进行调整。
4. 用两个高度为30mm的铁芯垒在一起进行打包处理, 再绕制变压器。初级双线并绕, 次级单线, 初次级电感量比为2.5:728, 初级放电电压240V, 次放电电压为3420V。波形如图4。放电电压3000V以上, 并且尺寸符合仪器结构要求。两个并在一起的铁芯, 既保证了电感量, 又解决了铁芯生产加工难的问题。
经过上述几次试验后, 最后方案 (4) 从参数性能和外径尺寸方面都比较适合SJC-10C仪器的使用, 既提高了发射能量, 又不至于能量过高而造成体波信号过大, 故采用方案进行绕制升压脉冲变压器。SJC-10C在不加水槽情况下, 检测体波时, 看到波形如图5:
总结
新设计绕制的升压脉冲变压器, 很好地匹配了SJC-10C水泥胶结综合测井仪, 不但满足了其提高能量, 适用于5-1/2”套管的要求, 又避免了体波过大, 对测井曲线的影响。能使SJC-10C在水平井测井中发挥了重要的作用。
摘要：试制一种升压脉冲变压器来匹配SJC-10C仪器, 提供足够能量, 用于测井。
关键词：升压脉冲变压器,能量,初级,次级,电感量,外径,匹配
参考文献
脉冲变压器 篇3
近年来,基于传输线变压器(TLT)的脉冲功率技术研究在国内外取得了长足的进步。TLT相对传统的脉冲变压器,由于受漏感、杂散电容等因素影响较小,具有良好的宽频响应特性,在保持脉冲波形上有一定优势,其构造也符合脉冲功率全固态、紧凑化的发展方向[1],因此在脉冲功率研究领域受到越来越多的重视。
在国内外的研究中,牛津大学的Paul W.Smith等人在2006年研制出一台10阶TLT,将470V、1μs的单脉冲升压到4.4kV,升压比达到9.4[2,3];国内的水平相对落后,复旦大学的邱剑等人在2007年研制的10阶TLT,升压比为6.7[4];国防科技大学的王松松等人在2010年研制的4阶TLT,升压比接近4[5]。
本文的研究着眼于高重频窄脉冲技术,脉冲重复频率达到400kHz、脉宽200ns。这对经过TLT后脉冲的上升/回落时间都提出了更高的要求。
1 TLT原理及电路模型
对于升压TLT,其基本实现方式较为简单,可归结为各阶输入端并联、输出端串联,N阶TLT理想升压比为N,但由于次级线回路[1]的存在,其详细工作机理又是复杂的。成功实现10阶TLT的Paul W.Smith等人在其1999的论文[2]中提出了一种TLT的电路模型,根据该电路模型可简化TLT研究及设计,因而被广泛应用[3,5,6]。该模型对于4阶TLT如图1所示,若采用传输线绕磁芯方案实现TLT,则图中L对应单根线电感,C对应单根线的匝间杂散电容。
根据本研究组对TLT物理结构、电路模型的研究和总结,TLT的升压本质可理解为单个源对各阶传输线两线(或内外导体等)间的电容并联充电、输出端电容串联以实现升压,而次级线回路则为电容的短路放电回路,因此对充电过程产生重要影响,从而影响最终的升压比。除此之外,若此电容因脉冲过短而导致充电不充分,无论次级线回路遏制得有多好,同样会影响输出电压。由此可见传输线两线间分布电容对TLT升压性能的重要影响。基于以上认识,结合传输线的等效电路,给出TLT改进电路模型如图2所示(对应4阶TLT)。
图2 4阶TLT改进电路模型(参见下页)
在该模型中,原模型的L、C用Z'替代,Zs为输出线分布电感,Zp为传输线两线间分布电容,Z0为电源内阻。
2 六级TLT设计与实现
根据上述电路模型,推算6阶TLT的升压比公式。设脉冲源电压为U0,第n阶高电位为Un,由基本电路定律可得:
解以上6式可得升压比为
采用双导线绕磁芯方案制作TLT,每阶只绕单个磁芯,通过控制匝间距离降低匝间杂散电容。另根据实验经验,传输线分布电感和电源内阻都较小,最终确定TLT的两个关键参数:绕磁芯后单线电感L和两线间电容C。计算上可作如下近似处理:(m为某常量),此时可验证当L趋于无穷时,升压比为6。但实际电路的分布电感等参数不会严格为0,电容充电需要一定时间,因此对于宽脉冲(充电时间足够长)分布电容大小对升压比的影响较小,而对于窄脉冲而言电容大小必须考虑进设计中。
实际制作重点在于在尽量小的传输线分布电容下绕出尽可能大的电感。经过对线材和磁芯的优化设计,最终采用铁氟龙高压线(导体1mm2,外径4mm)作为双导线,线长1.6m;东磁集团DN160L镍锌铁氧体环形磁芯,磁芯尺寸H63mm×38mm×25mm P。制作完成各阶参数如下表,测试频率1MHz:
3 实验及结果分析
实验电路如图3所示,通过300V直流源和MOSFET产生300V、400kHz、脉宽200ns的脉冲,经过6阶TLT升压加在9kΩ负载电阻上,2个高压探头分别测TLT输入和输出端的电压波形。图4为实验中TLT部分实物。
经试验测得TLT两端电压波形:
图6 400kHz连续脉冲波形图
从图5、6可看出,输入端脉冲峰值约为300V,输出端脉冲峰值约为1800V,升压比接近6倍,波形上无明显畸变。此结果说明,本6阶TLT对于300V、400kHz、200ns的脉冲具有接近理想的升压性能,也证实了其具有良好的频响特性。
之后的工作主要集中在两方面:1)完善理论模型与计算,推导电路模型时域响应中升压性能同脉冲长度、传输线电容之间的关系表达,并在此基础上加以实验证明;2)在已有理论下,尝试更高阶的TLT设计与实现。
4 结论
本文通过对TLT升压机理的研究,结合现有模型和传输线等效电路给出了一种适用于高重频窄脉冲的电路模型,并据此推导出6阶TLT的增益表达式。在此基础上,设计并实现了一款6阶TLT,在300V、400k Hz、200ns的脉冲输入下得到了较为理想的升压输出。
摘要：文章针对传统传输线变压器(Transmission Line Transformer,TLT)电路模型,结合传输线等效电路,给出了一种用于高重频窄脉冲的TLT改进电路模型,根据该模型推导出6级TLT的升压公式,设计并使用高压双导线和NiZn铁氧体制作出一款6级TLT。将一300V 200ns、400kHz的脉冲作为TLT输入,得到1800V的脉冲输出,升压比达到理想的6,波形基本无畸变。
关键词：传输线变压器,电路模型,高重频脉冲
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脉冲变压器 篇4
1 产生喘振的原因分析
(1) 涡轮增压器压气机的喘振裕度过小, 也就是说涡轮增压器压气机的效率过高, 离喘振线过近造成在某一工况点时出现喘振。
(2) 涡轮增压器的扩压器叶片出现严重缺损, 导致涡轮增压器在该区域的压比、流量发生改变 (压比体现的是空气密度, 流量体现的是体积) 。
(3) 由于柴油机的燃烧状态差导致涡轮增压器的喷嘴环阻塞 (喷嘴环积炭过多) , 增压器喷嘴环积炭, 或喷嘴环截面积过小, 都使燃气流经缩小了的喷嘴环流通截时流速增高, 促使转子转速上升 (每减少1 cm2, 转子转速约上升250 r/min) , 压气机进气流量增大, 使部分空气堵在压气机入口而产生气流扰动, 造成涡轮增压器高于正常转速, 其运行线偏离了柴油机的运行线[1]。
(4) 中冷器通流面积过小 (异物进入、清洁度低、冷却器的冷却片倒伏面积过大等) 。
(5) 柴油机各缸高压油泵的供油刻线差别过大。因为高压油泵供油量的大小决定了气缸的爆发压力, 个别气缸的爆发压力过高就容易造成涡轮增压器超速, 所以无论是工艺、段规对柴油机各缸高压油泵的供油齿条刻线差均有明确要求。
(6) 柴油机进排气故障。柴油机过载或载荷波动较大时, 柴油机的燃烧状态变差, 排气温度升高, 排气总管的废气能量增加, 使增压器转子的转速升高, 造成压气机的吸气量大于出气量而发生喘振。
(7) 联合调节器转速失控, 从而造成柴油机的功率不稳定, 增压器转子转速难以同步适应而喘振。联合调节器的降速针阀 (有级调速) 或减载针阀开度过大, 也会造成短时喘振, 由于针阀的开度过大, 使柴油机降速减载过快, 增压器转子转速的下降跟不上。
2 喘振现象的分类
增压器喘振一般可以分成2种。一种是有节奏地发出低频沉闷的声音 (类似敲鼓声) , 目视可见空气滤清器与增压器连接帆布罩有节奏地向外膨胀。这种现象在柴油机空载0位时就可能发生, 其原因是柴油机的进排气故障;另一种是有节奏地伴随着刺耳的高频气流啸叫声, 目视情况与第1种相同。这种现象出现在加载状态下, 柴油机转速在800 r/min左右时, 一旦柴油机转速在850～900 r/min以上时增压器喘振现象即消失。上述原因分析中的第1～5点均可能引起此故障。此故障又分为单台增压器喘振和2台增压器同时喘振, 需要根据情况区别处理。
3 喘振的处理方法
(1) 柴油机空载0位 (400 r/min) 时伴随有沉闷的击鼓声, 并且2台增压器连接空气滤清器的帆布罩随击鼓声向外膨胀, 随着柴油机转速的增加这种现象发生的频次同步增加。这种情况通常是由排气门故障所引起的, 例如摇臂球头脱落、摇臂折断等, 需要停机打开各缸的缸头盖检查气门间隙。
(2) 加载状态下当出现单台增压器喘振时, 首先要检查柴油机各缸高压油泵的供油刻线是否差别过大。验证方法以DF7型机车柴油机为例, 重点检查主排、副排各3个缸的供油刻线, 手动对某一缸的供油齿条进行增减供油的方法进行验证。如用此验证方法喘振消失, 对柴油机的供油刻线重新进行调整即可。因为由于柴油机各缸的供油刻线不一致导致个别缸的爆发压力偏高, 致使脉冲式增压器涡轮转速高于正常值, 压气机提供了高于正常值的新鲜空气而形成了气阻。如果此方法验证仍然喘振, 就要分别对中冷器和增压器的扩压器进行检查, 检查中冷器是否有阻塞现象, 检查增压器的扩压器叶片是否有严重缺损情况[2]。
(3) 加载状态下柴油机在800 r/min左右出现2台增压器同时喘振, 这种情况是因为柴油机在加载工况下与增压器的运行线出现了偏离。也就是说柴油机随着转速的上升, 在单位时间内需要的新鲜空气流量在增加, 如果柴油机的电功率平稳地增加, 那么增压器的工作转速也同样平稳上升, 压比、流量也会稳步增加。如果柴油机转速在800 r/min时的电功率高于正常值, 那么增压器的工作转速就高, 压比、流量同样高于正常值, 但柴油机在特定转速下单位时间内的气缸容积并没有增加, 这样就形成了气阻。处理此类故障只需检查和修正柴油机在500 r/min、800 r/min、1 000 r/min的电功率点即可。
4 结束语
在实行专业化集中修程以后, 涡轮增压器的检修水平得到很大程度的提高, 大、中修出厂前均经过增压器试验站的严格试验, 所以因涡轮增压器自身的原因造成喘振的可能性比较小。当涡轮增压器发生喘振时应针对不同的喘振现象进行综合分析, 找到正确的处理方法。
摘要：通过对增压器喘振现象进行系统的分析, 明确了故障原因, 并且根据不同的喘振现象列举了具体的检修方法, 打破了传统意义上对增压器喘振现象的认识, 有利于此类故障的高效解决。
关键词：涡轮增压器,喘振,转速,气阻,压比,流量
参考文献
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