基于螺旋型blumlein形成線的脈沖變壓器設(shè)計(jì)

基于螺旋型blumlein形成線的脈沖變壓器設(shè)計(jì)

0高壓脈沖變壓器高頻率脈沖壓延一直是脈沖壓延技術(shù)研究的重要組成部分。近年來，幾種脈沖壓延器都被開發(fā)出來，比如俄羅斯開發(fā)的sinus系列l(wèi)agoon-key。高功率帶繞式空心脈沖變壓器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于高功率脈沖調(diào)制器中,西北核技術(shù)研究所、國防科技大學(xué)、中物院等單位都進(jìn)行了相關(guān)研究。但帶繞式空心脈沖變壓器耦合系數(shù)較小,能量效率低,為此發(fā)展了帶開路磁芯的帶繞式高功率脈沖變壓器,國防科技大學(xué)開展了相關(guān)研究,其耦合系數(shù)達(dá)到了0.87。螺旋型脈沖形成線比普通同軸形成線相同的長(zhǎng)度可獲得更寬的脈沖寬度,因此引起了廣泛的關(guān)注,俄羅斯大電流所以及國內(nèi)的西北核技術(shù)研究所、國防科大、中國工程物理研究院等單位對(duì)此進(jìn)行了研究[7,8,9,10,11,12,13,14],都取得了一定的成果,但離想要的性能指標(biāo)還有差距,不能同時(shí)滿足低阻抗、長(zhǎng)脈寬、高輸出功率的要求。筆者采用高壓脈沖變壓器結(jié)合螺旋型Blumlein形成線的技術(shù)路線,設(shè)計(jì)了一種適用于低阻抗負(fù)載的高壓脈沖功率源,以高壓脈沖電容器為初始儲(chǔ)能裝置,由電容器對(duì)脈沖變壓器初級(jí)放電,在次級(jí)獲得高壓輸出,次級(jí)對(duì)螺旋形成線充電,再通過自擊穿開關(guān)對(duì)負(fù)載放電,在負(fù)載上獲得高峰值功率的長(zhǎng)脈沖輸出。其獨(dú)特之處在于螺旋Blumlein線中筒采用多根螺旋帶并繞的方式構(gòu)成,選擇適當(dāng)?shù)穆菪峭瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)了脈寬加長(zhǎng)和低阻抗形成線的目的;對(duì)脈沖變壓器繞組采用勻場(chǎng)環(huán)有效降低繞組邊沿電場(chǎng)集中效應(yīng),減小高壓繞組發(fā)生匝間擊穿的概率;螺旋線內(nèi)部采用等場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)原則,充分利用形成線的絕緣空間,并對(duì)內(nèi)筒、中筒的過渡段采用電場(chǎng)模擬進(jìn)行勻場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì),在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高電壓脈沖的產(chǎn)生和傳輸。1帶繞式脈沖壓的設(shè)計(jì)1.1高壓脈沖變壓器磁芯設(shè)計(jì)為了使磁芯工作時(shí)不飽和,磁芯選用具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、高的脈沖磁導(dǎo)率、損耗小的鐵基非晶態(tài)材料。閉合磁芯的截面積為式(1)中:ΔB為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量,T;U(t)為脈沖電壓幅值,V;N為變壓器繞組匝數(shù);SC為磁芯的截面積,cm2。式(1)中計(jì)算得到的磁芯截面積會(huì)比較大,且閉合磁芯不利于高壓脈沖變壓器的絕緣設(shè)計(jì)。因此采用開路磁芯,形狀為圓柱形,置于脈沖變壓器的中空部位,磁路中有相當(dāng)大部分是空隙,其磁阻很大,使部分磁通形成漏磁通不通過磁芯,由此磁芯的截面積可根據(jù)設(shè)計(jì)需要適當(dāng)減小。開路磁芯的變壓器耦合系數(shù)比閉合磁芯的會(huì)小一些,但根據(jù)文介紹可以達(dá)到0.9以上,可滿足設(shè)計(jì)要求。1.2變壓器耦合系數(shù)k變壓器初級(jí)回路的雜散電感約為300nH,為了盡量利用電容器的初始儲(chǔ)能以及在次級(jí)輸出足夠高的電壓,選擇次級(jí)電感L1為3μH;為了縮短脈沖形成線的充電時(shí)間和提高能量轉(zhuǎn)換效率,脈沖變壓器耦合系數(shù)k必須大于0.85;另外根據(jù)要求,儲(chǔ)能電容充電70kV時(shí),變壓器次級(jí)輸出電壓峰值需達(dá)到700kV以上。脈沖變壓器回路等效電路及模擬結(jié)果見圖1、2,初級(jí)電感L1為3μH時(shí),選擇次級(jí)電感L2為400μH,當(dāng)電容器充電70kV時(shí),變壓器次級(jí)輸出電壓U2第1峰值可達(dá)720kV,滿足設(shè)計(jì)要求。1.3變壓器氫脆內(nèi)壓設(shè)計(jì)磁芯材料為鐵基非晶態(tài)材料,ΔB為1.5T,根據(jù)模擬結(jié)果由式(1)計(jì)算磁芯截面積。為了整個(gè)變壓器的絕緣考慮,設(shè)計(jì)初級(jí)繞組在外層,次級(jí)繞組在內(nèi),高壓輸出端為最內(nèi)層繞帶的端部。為了不讓磁芯帶電,在磁芯外面采用絕緣強(qiáng)度很高的高分子聚乙烯作為絕緣材料,其耐壓強(qiáng)度為50kV/mm,用3cm厚的高分子聚乙烯來保證耐壓可靠性。初次級(jí)繞組均采用寬120mm、厚0.2mm的變壓器專用銅帶,匝間采用多層厚度0.2mm的高分子聚乙烯薄膜絕緣,每層擊穿電壓大于15kV,層數(shù)由匝間電壓決定。初次級(jí)空心繞組的電感可根據(jù)式(2)、(3)估算,據(jù)文介紹,加入開路磁芯后,繞組電感估計(jì)能增加20%。式(2)、(3)中:μ0為真空磁導(dǎo)率;l為繞組寬度;N為繞組匝數(shù);r1為繞組內(nèi)半徑;r2為繞組外半徑。最終設(shè)計(jì)初級(jí)2.5匝,次級(jí)30匝,最大外徑480mm,長(zhǎng)度300mm,不帶磁芯耦合系數(shù)為0.75,帶開路磁心耦合系數(shù)約0.88。為了勻化繞組端部的電場(chǎng)分布,在繞組內(nèi)外層兩端分別設(shè)計(jì)了6個(gè)勻場(chǎng)環(huán),勻場(chǎng)環(huán)的最外段設(shè)計(jì)為圓弧型,此外因?yàn)榇判静牧暇哂幸欢ǖ碾妼?dǎo)性,使磁芯兩端均超出繞組兩端一定寬度,對(duì)繞組端部電場(chǎng)起到一定程度的勻化作用。圖3為變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,圖4為變壓器最高輸出電壓750kV時(shí)繞組附近的電場(chǎng)分布。由圖3、4可見,經(jīng)過勻場(chǎng)設(shè)計(jì)后繞組端部沒有明顯的電場(chǎng)集中現(xiàn)象,降低了匝間擊穿的可能性。2螺旋部的形成線設(shè)計(jì)2.1脈沖波形的形成線為了充分利用徑向絕緣尺寸,選擇等場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì),即式(4)、(5)中:E1+為內(nèi)筒外表面工作場(chǎng)強(qiáng),kV/cm;E2+為外筒內(nèi)表面工作場(chǎng)強(qiáng),kV/cm;UB為中筒充電電壓,kV;r1、r2、r3分別為內(nèi)筒、中筒、外筒的半徑,cm。為了得到較好的脈沖波形,要求阻抗匹配為式(6)中:ZS1為螺旋Blumlein脈沖形成線(B-PFL)內(nèi)線阻抗,Ω;ZS2為螺旋B-PFL外線阻抗,Ω;ZD為負(fù)載阻抗,Ω。利用螺旋B-PFL與普通B-PFL的阻抗轉(zhuǎn)換關(guān)系,得式(7)、(8)中:Z1為普通B-PFL內(nèi)線阻抗,Ω;Z2為普通B-PFL外線阻抗,Ω;φ為螺旋B-PFL的螺旋角。為了有效壓縮軸向長(zhǎng)度和控制形成線阻抗,選擇螺旋角φ=60°,則可導(dǎo)出相同內(nèi)外徑的普通B-PFL內(nèi)線阻抗Z1和外線阻抗Z2的大小,筆者將負(fù)載阻抗設(shè)計(jì)為10Ω,即Z1=3.4Ω,Z2=1.6Ω。2.2外筒內(nèi)半徑的確定為了在螺旋B-PFL的負(fù)載上得到脈沖寬度為τs高壓脈沖,根據(jù)螺旋B-PFL與普通B-PFL的脈沖寬度的轉(zhuǎn)換關(guān)系τs=τ/cosφ,其中φ=60°,即τ=0.5τs,筆者將τs設(shè)計(jì)為80ns,對(duì)應(yīng)的普通B-PFL的脈沖寬度τ即為40ns。該形成線采用水介質(zhì),由此可知螺旋Blumlein形成線均勻段的長(zhǎng)度L=(1/60)τ=0.67m。外筒內(nèi)半徑根據(jù)實(shí)際需要確定為295mm,已知外線阻抗1.6Ω、內(nèi)線阻抗3.4Ω,根據(jù)同軸線阻抗計(jì)算公式式(9)中:r0為外筒半徑,cm;ri為內(nèi)筒半徑,cm;εr為絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)?？捎?jì)算中筒、內(nèi)筒半徑分別為230mm、130mm。根據(jù)計(jì)算可知,螺旋線從起點(diǎn)到終點(diǎn)旋轉(zhuǎn)約0.8周,在圓柱筒上開單根螺旋槽將無法達(dá)到電壓波沿螺旋方向行進(jìn)的效果,因此在圓柱型中筒上均勻分布多根螺旋槽盡量使電壓波沿螺旋方向行進(jìn),也可理解為多根同規(guī)格螺旋帶圓周上均勻分布、同向并繞兩端并聯(lián),從而形成螺旋型中筒。2.3電極電場(chǎng)作用面積及強(qiáng)度根據(jù)J.C.馬丁的擊穿場(chǎng)強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)公式式(10)、(11)中:F+為正電極擊穿場(chǎng)強(qiáng),MV/cm;F-為負(fù)電極擊穿場(chǎng)強(qiáng),MV/cm;teff為電壓有效作用時(shí)間,指脈沖大于63%峰值的時(shí)間,μs;A-為負(fù)電極電場(chǎng)作用面積,cm2;A+為正電極電場(chǎng)作用面積,cm2;α為場(chǎng)增強(qiáng)修正因子,α=1+0.12[(Emax-Emin)-1]0.5。根據(jù)同軸線的工作場(chǎng)強(qiáng)公式(4)、(5)以及安全系數(shù)公式k=E/F,可計(jì)算出在不同充電電壓時(shí),內(nèi)、中、外筒表面的安全系數(shù),根據(jù)筆者設(shè)計(jì)尺寸,當(dāng)中筒電壓峰值為-700kV、有效作用時(shí)間1.6μs時(shí),外筒內(nèi)表面安全系數(shù)為0.84、內(nèi)筒外表面安全系數(shù)為0.85、中筒內(nèi)表面安全系數(shù)為0.22、中筒外表面安全系數(shù)為0.46。3空心脈沖變壓器脈沖形成線充放電性能脈沖功率源整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖5,包括脈沖電容器、主開關(guān)、脈沖變壓器、放電開關(guān)、螺旋形成線,總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約2.3m,直徑約0.6m。為了實(shí)現(xiàn)低阻抗傳輸以及適當(dāng)增加輸出脈沖寬度,采用多根螺旋帶并繞與軸線呈60°夾角的結(jié)構(gòu),見圖6。該脈沖功率源的等效電路圖見圖7,圖7中C1為脈沖電容;L1、R1分別為初級(jí)回路電感和電阻;S1為初級(jí)回路放電開關(guān),采用外觸發(fā);C2為次級(jí)繞組電容;S2為脈沖形成線放電開關(guān),為了便于調(diào)節(jié)自擊穿電壓采用氣體間隙開關(guān),置于螺旋形成線內(nèi);R2、L2、C3為開關(guān)電阻、電感和電容;T1為螺旋Blumlein線的內(nèi)線,內(nèi)筒接負(fù)載;T2為螺旋Blumlein線外線,外殼接地線;L4為內(nèi)筒的接地電感,要求形成線充電時(shí)其感抗盡量小,而放電時(shí)感抗盡量大,筆者根據(jù)形成線充放電頻率和負(fù)載阻抗大小設(shè)計(jì)接地電感為6μH;L3和C4為功率輸出結(jié)構(gòu)的電感和電容;R3為負(fù)載阻抗。根據(jù)功率源等效電路圖7進(jìn)行仿真計(jì)算,見圖8,初始儲(chǔ)能電容充電70kV時(shí),脈沖變壓器次級(jí)輸出電壓U1達(dá)到705kV,而負(fù)載電壓U2達(dá)到652kV,脈沖前沿28ns,半高寬95ns。采用空心脈沖變壓器對(duì)該脈沖功率源進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)調(diào)試,結(jié)果表明:初級(jí)電容充電50kV時(shí),變壓器次級(jí)輸出電壓,即形成線的充電電壓U1峰值達(dá)到約400kV,在約8Ω阻抗負(fù)載(R3)上輸出電壓UR峰值350kV、半高寬105ns、前沿30ns、電流峰值42.5kA,見圖9。由于脈沖變壓器沒有磁芯造成耦合系數(shù)和勵(lì)磁電感降低,使得變壓器的升壓能力降低,而螺旋形成線的輸出脈寬與設(shè)計(jì)結(jié)果基本一致,只是由于中筒和內(nèi)筒的過渡段使得實(shí)際形成線電長(zhǎng)度約增加5ns,導(dǎo)致調(diào)試中輸出脈寬增加了10ns。4功率脈沖源測(cè)試設(shè)計(jì)的緊湊型脈沖功率源主要由脈沖電容器、帶繞式脈沖變壓器和螺旋型Blumlein形成線構(gòu)成,由于該脈沖功率源采用脈沖變壓器升壓,并由螺旋B線實(shí)現(xiàn)脈沖整形,整體結(jié)構(gòu)比由MARX發(fā)生器和普通脈沖形成線構(gòu)成的高功率脈沖源緊湊、體積小,整個(gè)裝置長(zhǎng)度小于2.5m、直徑小于0.6m。具體介紹了脈沖變壓器和螺旋形成線的設(shè)計(jì)方法,理論估算該功率源充電70kV時(shí)可在10Ω阻抗負(fù)載上輸出脈沖電壓峰值大于