CC BY
1684
УДК 621.314.21
В.М Иванов
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ С НИЗКОЙ ИНДУКТИВНОСТЬЮ РАССЕЯНИЯ
Створені оригінальні високовольтні імпульсні трансформатори з низькою індуктивністю розсіювання, які використовуються в різноманітних генераторах високовольтних імпульсів, у тому числі для технологічних установок, що призначені для обробки різних матеріалів і продуктів харчування, отримання озону, очищення рідких і газоподібних відходів.
Созданы оригинальные высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеивания, которые используются в различных генераторах высоковольтных импульсов, в том числе для технологических установок, предназначенных для обработки разных материалов и продуктов питания, получения озона, очистки жидких и газообразных отходов.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие технологий с использованием сильных электрических полей для обработки материалов и продуктов питания, получения озона, очистки жидких и газовых отходов, в медицине и сельском хозяйстве требует создания новых высоковольтных импульсных источников энергии [1, 2]. Широкое применение в таких источниках находят импульсные трансформаторы. Использование высоковольтных импульсных трансформаторов часто является более предпочтительным по сравнению с другими схемами умножения напряжения. Например, недостатком генератора импульсных напряжений по схеме Аркадьева-Маркса является большое количество разрядников, что делает систему недолговечной и малопригодной для работы в импульсно-периодическом режиме [3].
Для обеспечения быстрой коммутации выходных высоковольтных разрядников необходимо перенапряжение для формирования выходного напряжения с большой крутизной фронта. Отсюда следует, что высоковольтный импульсный трансформатор должен быть достаточно компактным с целью получения минимального рассеивания магнитного потока и, следовательно, минимизации времени нарастания на его выходе.
Целью работы является создание трансформаторного импульсного мегавольтного генератора с временем tф нарастания импульсов на емкостной нагрузке »1 нФ tф»250 нс.
В схемах генераторов мегавольтного уровня напряжений с короткими временами нарастания напряжения на емкостной нагрузке трудно изготовить один импульсный трансформатор с коэффициентом трансформации »100 и низкой индуктивностью рассеивания. В таких схемах лучше использовать несколько (например, два) импульсных трансформаторов каждый с коэффициентом трансформации »10, что иллюстрирует рис. 1. В такой схеме первичный накопитель энергии С0 разряжается через коммутатор Р0 на низковольтную первичную обмотку первого импульсного трансформатора ИТ1. Первый импульсный трансформатор ИТ1 заряжает промежуточный емкостной накопитель С1, который затем разряжается через коммутатор Р1 на низковольтную первичную обмотку второго импульсного трансформатора ИТ2 с низкой индуктивностью рассеивания для более быстрой зарядки высоковольтной формирующей выходной емкости С2 генератора. После достижения напряжения
на С2 требуемой величины происходит разряд емкости С2 через сработавший выходной коммутатор Р2. РО ИТ1 Р1 ИТ2 Р2
СО
С1
С2
1
т
Рис. 1. Схема генератора
КОНСТРУКЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРА Для получения мегавольтного уровня напряжения на выходе генератора по схеме на рис. 1 были спроектированы и изготовлены два импульсных трансформатора имеющие одинаковый коэффициент трансформации п = ^2/^ = 10,3. Число витков в первичной обмотке каждого трансформатора ^ = 3, а во вторичной обмотке ^2 = 31. Напряжение первичной обмотки 10 и 100 кВ, а вторичной 100 и 1000 кВ соответственно. Методика расчета импульсных трансформаторов описана в [4, 5].
Для изготовления магнитопровода (сердечника) импульсных трансформаторов была использована электротехническая сталь толщиной 80 мкм и шириной ленты 40 мм. Составной сердечник выполнен из 8 сердечников малого размера с внутренним окном 125x125 мм и сечением 35x40 мм2. Каждый сердечник малого сечения соединен с другими сердечниками как показано на рис. 2. В результате этого образуется один составной "крестообразный" сердечник с габаритными размерами 430x430 мм.
Для снижения напряженности электрического поля на острых краях сердечника последние закрыты градиентными экранами с закруглениями. Экран изготовлен из латуни толщиной 1 мм.
Первичные обмотки импульсных трансформаторов намотаны на стержнях крестообразного магнито-провода (см. рис. 2). Витки обмоток изготовлены из медной ленты толщиной 0,3 мм и шириной 27 мм. Края ленты для экранирования неровностей края обернуты алюминиевой фольгой толщиной 10 мкм. Шина изолирована 6 слоями фторопластовой пленки толщиной 5 = 20 мкм. Для уменьшения индуктивности подвода расстояние между вводами обмотки сделано минимальным. Для этого между витками первичной обмотки и низковольтным вводом, проложенным под обмоткой, уложено 10 слоев фторопластовой
пленки. Вторичные обмотки намотаны в один слой на изоляторах из оргстекла, которые уложены на первичную обмотку, проводом МПО-33-11 во фторопластовой изоляции. Вторичная обмотка импульсного трансформатора ИТ2 намотана на изоляторах в виде пирамиды. Для снижения напряженности поля на высоковольтном конце обмотки последний виток выполнен проводом большего диаметра, а вывод обмотки помещен в изоляционную фторопластовую трубку. Для того чтобы магнитный поток от каждого стержня был направлен в одну сторону, обмотки наматывались попарно встречно, т.е. обмотки на одной оси намотаны встречно (см. рис. 2).
A-A
т
Л
Рис. 2. Импульсный трансформатор ИТ1
Высокое напряжение, прикладываемое к обмоткам импульсного трансформатора, воздействует на изоляцию, разделяющую обмотки между собой и каждую обмотку относительно сердечника. В качестве основной изоляции в трансформаторе используется трансформаторное масло.
Трансформатор закреплен в металлическом корпусе. На рис. 3 приведены фотографии импульсных трансформаторов ИТ1 (рис. 3,а) и ИТ2 (рис. 3,б), закрепленных в корпусе, но не залитых трансформаторным маслом.
Индуктивность рассеивания импульсного трансформатора с сердечником, несущим на одном стержне две обмотки в виде однослойных соленоидов высотой к, приведенная ко вторичной обмотке рассчитывается при помощи соотношения [4]:
= М-0^2 8 [ + (А + ^2 )/3]к,
где Цо=4ях10-7 Гн/м, ^2 - число витков вторичной обмотки, Е - периметр вторичной обмотки, Б\, Б2 -диаметры проводов первичной и вторичной обмоток, ё - расстояние между обмотками.
Рассчитанная индуктивность рассеивания импульсного трансформатора, приведенная ко вторичной обмотке, составила 4,75х10-5 Гн.
б
Рис. 3. Фотографии импульсных трансформаторов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СХЕМА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ Для проведения экспериментальных исследований импульсного трансформатора на низком напряжении была собрана экспериментальная схема, показанная на рис. 4.
ИТ
С1‘
К ЭО
Рис. 4. Схема для исследований импульсного трансформатора: ЗУ - зарядное устройство, БУ - блок управления, С0, С1 - накопительная и нагрузочная емкости соответственно, Я - сопротивление контура,
ИТ - исследуемый импульсный трансформатор
От зарядного устройства ЗУ, подключаемого к сети переменного тока ~220 В, накопительная емкость заряжалась до напряжения 300 В. После этого блок управления переключал накопительный конденсатор
С0 от зарядной цепи к первичному контуру испытуемого импульсного трансформатора ИТ. Накопительный конденсатор С0 разряжался на исследуемый импульсный трансформатор ИТ через который заряжался накопительный конденсатор С1.
Эквивалентная схема разряда накопительного конденсатора через импульсный трансформатор на нагрузочную емкость (без учета индуктивности намагничивания трансформатора) приведена на рис. 5.
Я Ь
______________ГГУ^\_____________
С0 С1'
Рис. 5. Эквивалентная схема разрядного контура:
Я - эквивалентное сопротивление разрядного контура,
Ь - эквивалентная индуктивность разрядного контура,
С0 - накопительная емкость, С1' - приведенная нагрузочная емкость
Если заряженный конденсатор разряжать на цепь, состоящую из сопротивления и индуктивности, то разряд может происходить или апериодически, т. е. напряжение конденсатора непрерывно спадает до нуля, или же при разряде получаются колебания, т. е. конденсатор разряжается до нуля, затем начинает заряжаться в противоположном направлении, потом опять разряжается, заряжается и т. д.
При параметрах схемы удовлетворяющих соотношению 1/ЬС > г2 / 4Ь2, где С - эквивалентная емкость разрядного контура, С = (С0-С1')/(С0 + С1'), напряжение конденсатора совершает периодические колебания со все уменьшающейся амплитудой около своего конечного значения. В случае разряда С0 на цепь Я-Ь-С1', где С1' - приведенная нагрузочная емкость, от величины нагрузочной емкости зависит величина максимального напряжения, до которого нагрузочная емкость С1' может зарядится .
При значении накопительной емкости С0 = 0,2 мкФ и при значениях нагрузочной емкости С1 = (0,01; 1,18; 1,56; 2,35; 4,7) нФ были получены величины максимального напряжения на нагрузочной емкости С1 и построен график этой зависимости, показанный на рис. 6.
Предварительные испытания импульсного трансформатора ИТ2 проводились на низком напряжении при коммутации накопительной емкости в первичной обмотке трансформатора, равной 0,2 мкФ, и нагрузочной емкости во вторичной обмотке, равной 1,56 нФ. Период колебаний напряжения на нагрузочной емкости составил 1,23 мкс. Индуктивность Ьэ всего разрядного контура рассчитывалась по формуле
Ьэ = Т2/4п2С , (1)
где Т - период колебаний, С - эквивалентная емкость разрядного контура (4,37х10-5 Гн).
и, КВ
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
0 1 2 3 4 5 ’
Рис. 6. Зависимость максимального напряжения на нагрузочной емкости от ее величины
На предварительных испытаниях выяснено влияние числа обмоток импульсного трансформатора на период колебаний передаваемого импульса. На рис. 8 приведены осциллограммы импульса напряжения на емкости равной 20 нФ во вторичной обмотке трансформатора при емкости в первичной обмотке трансформатора равной 2 мкФ. Из полученных осциллограмм видно, что при подключении всех четырех обмоток (рис. 7,а) период колебаний составил 4 мкс, при подключении двух обмоток (рис. 7,б) период составил 5 мкс, а при подключении одной обмотки (рис. 7,в) период составил 7 мкс. Рассчитанный период колебаний передаваемого импульса из (1) составил: для четырех обмоток - 4,33 мкс, для двух обмоток - 6,12 мкс и для одной обмотки - 8,66 мкс.
4 мкс
X
в —
Рис. 7. Осциллограммы импульсов напряжения на вторичной обмотке импульсного трансформатора ИТ2 (цена деления 2 мкс)
При работе импульсного трансформатора ИТ1 в составе установки по генерированию импульсов высокого напряжения, после заряда емкостного накопителя и его разряда через управляемый разрядник Р0, на первичную обмотку подавался импульс напряжения амплитудой 8,6 кВ. К вторичной обмотке была подключена промежуточная накопительная емкость ~150 нФ, которая заряжалась до напряжения «80 кВ за время «3,2 мкс. Дальнейший рост напряжения на емкости ограничивался срабатыванием разрядника Р1.
На рис. 8 приведены осциллограммы импульсов напряжения на первичной (рис. 8,а) и вторичной (рис. 8,б) обмотке импульсного трансформатора ИТ1. Высокочастотные колебания большой амплитуды на осциллограммах соответствуют моменту срабатывания управляемого разрядника Р1 и обусловлены нано-секундным временем его коммутации. После срабатывания разрядника Р1 импульсное напряжение подавалось на первичную обмотку ИТ2. При этом на вторичной обмотке ИТ2, нагруженной на С2, создавалось импульсное напряжение с амплитудой до 800 кВ. После срабатывания разрядника Р2 это импульсное напряжение с обостренным фронтом подавалось на нагрузку 2. При напряжении срабатывания Р1 100кВ на С2 можно получить напряжение 1 МВ и более.
импульсного трансформатора ИТ1 при работе в составе установки по генерированию импульсов напряжения
ВЫВОДЫ
1. Созданы высоковольтные импульсные трансформаторы (на 100 и 1000 кВ) с низкой индуктивностью рассеивания для импульсного мегавольтного генератора.
2. Оригинальность конструкции созданных трансформаторов, состоящая в том, что части как вторичной, так и первичной обмоток разнесены и расположены не на одном общем стержне, а на четырех крестообразно расположенных частях расщепленного стержня магнитопровода, что позволило уменьшить результирующую индуктивность рассеивания. При работе в составе установки с параллельно включенными четырьмя обмотками каждого из двух импульсных трансформаторов индуктивность разрядного контура уменьшилась в «3 раза.
3. Использование двух импульсных трансформаторов с коэффициентами трансформации п = 10 у каждого позволило создать компактный трансформаторный импульсный мегавольтный генератор с временем ґф нарастания импульсов на емкостной нагрузке «1 нФ ґф « 250 нс и напряжением до 1 МВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бойко Н.И., Борцов А.В., Евдошенко Л.С., Зароченцев А.И., Иванов В.М. Электрофизические установки и технологии для решения проблемы отходов / Мир техники и технологий. - №3 (52). - 2006. - С. 63-65.
2. Бойко Н.И., Борцов А.В., Евдошенко Л.С., Зароченцев А.И., Иванов В.М. Метод обеззараживающей обработки текучих продуктов в потоке при помощи сильных импульсных электрических полей и искровых разрядов / Техническая электродинамика, тематический выпуск "Проблемы современной электротехники" (часть 4). - 2006. - С. 83-86.
3. Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника / Г. А. Месяц. - М.: Наука, 2004. - 704 с.
4. Матханов П.Н., Гоголицын Л.З. Расчет импульсных трансформаторов. Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1980. - 112 с.
5. Желтов К. А. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 120 с.
Поступила 19.07.2010
Иванов Владимир Михайлович
Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт "Молния" Национального технического университета "Харьковский политехнический институт"
61100, Украина, Харьков, ул. Шевченко, 47 тел./факс: (057)70-76-183, e-mail: eft@kpi.kharkov.ua
V.M. Ivanov
High-voltage pulsed transformers with low leakage inductance.
Original high-voltage pulsed transformers with low leakage inductance which are used in various generators of high-voltage pulses including technological plants intended for treatment of different materials and foodstuffs, ozone production, cleaning of liquid and gaseous wastes, have been created.
Key words - high-voltage pulsed transformers, low leakage inductance, application.
