Высоковольтный импульсный трансформатор: высоковольтный импульсный трансформатор без сердечника — патент РФ 2482562 – принцип работы, проверка и намотка

высоковольтный импульсный трансформатор без сердечника — патент РФ 2482562

Изобретение относится к электротехнике, к высоковольтным импульсным источникам питания высокого напряжения и может быть использовано в импульсной технике, например в системах зажигания, электрошоковых устройствах, системах питания газоразрядных ламп, ионизаторах воздуха, газовых лазеров и т.д. Технический результат состоит в снижении габаритов и массы изделия, упрощении производства, повышении эффективности. Высоковольтный импульсный трансформатор содержит безкаркасную или каркасную вторичную обмотку, помещенную во внешнюю трубчатую электроизоляционную оболочку или имеющую зазор относительно намотанной поверх первичной обмотки. Вся конструкция залита электроизоляционным компаундом или электроизоляционной жидкостью. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к высоковольтным импульсным источникам питания высокого напряжения, например в системах зажигания, системах питания газоразрядных ламп, ионизаторах воздуха, газовых лазерах, электрошоковых устройствах.

Широко известна конструкция высоковольтного импульсного трансформатора, содержащая первичную и вторичную обмотки, магнитный сердечник стержневой или замкнутой конструкции, межслойную изоляцию либо секционированный каркас с взаимоизолированными секциями.

Примером традиционной конструкции высоковольтного импульсного трансформатора может служить трансформатор по патенту США № 1499931, содержащий незамкнутый стержневой сердечник, первичную и вторичную обмотки, герметичный корпус. Известны и другие конструкции с незначительными отличиями, однако по сути устройство до сегодняшнего дня остается неизменным.

Типовая схема включения высоковольтного импульсного трансформатора, как низкой, так и высокой частоты, содержит источник питания, например батарею или повышающий преобразователь напряжения (инвертер) и формирователь импульсов, подключенный к первичной обмотке трансформатора, в качестве которого может быть использован механический коммутатор, управляемый полупроводниковый ключ, релаксационный генератор на газоразрядных приборах или иная схема. Трансформатор передает мощность источника питания в виде импульсов высокого напряжения в нагрузку. Подобная схема получения высокого напряжения используется, например, в электрошоковых устройствах.

Недостатком подобной конструкции являются значительные габариты — как правило, в портативных устройствах, таких как, например, электрошоковые устройства, высоковольтный импульсный трансформатор является наиболее объемным элементом и может занимать до 1/3 объема всего устройства. Значительно снизить габариты при сохранении основной характеристики «напряжение холостого хода» (а в аспектах применения в электрошоковых устройствах важнейшей характеристикой является «пробивное расстояние по воздуху») по такой конструкции высоковольтного импульсного трансформатора не представляется возможным.

Другим недостатком являются значительные потери энергии на омическом и индуктивном сопротивлении обмоток, что сказывается на КПД устройства в целом. Высокая индуктивность, в частности, препятствует получению коротких мощных импульсов, необходимых в некоторых областях применения.

Кроме того, изготовление высоковольтных трансформаторов по традиционной конструкции требует значительных экономических затрат, связанных с большим расходом обмоточных и изоляционных материалов, а также сложностью технологического процесса.

Известны высокочастотные трансформаторы без сердечников, например трансформаторы Тесла (патент США № 568176).

Трансформаторы Тесла имеют первичную обмотку из очень малого количества витков толстого провода, изогнутого и намотанного в виде растянутой спирали, и вторичную обмотку в виде каркаса — цилиндра из электроизоляционного материала, на котором виток к витку в один слой уложено большое количество витков провода малого диаметра. Между первичной и вторичной обмоткой имеется воздушный зазор (разница диаметров между первичной и вторичной обмотками в трансформаторах Тесла достигает 3-5 раз), достигающий величины нескольких сантиметров даже в малых трансформаторах Тесла и служащий изоляцией между обмотками.

Другой вариант исполнения трансформатора Тесла имеет первичную обмотку, уложенную близко виток к витку, но расположенную только в центре очень длинного по отношению к длине первичной обмотки каркаса-цилиндра с вторичной обмоткой.

Типовая схема включения трансформатора описана выше.

И в том, и другом варианте исполнения трансформатора Тесла индуктивная связь между катушками слабая (не более 0,1), что является следствием необходимости иметь между первичной и вторичной обмоткой электроизоляцию с большой электрической прочностью для исключения возможности пробоя высокого напряжения, снимаемого со вторичной обмотки на первичную обмотку, разного рода утечек, например коронных.

Таким образом, недостатком трансформаторов Тесла являются сверхбольшие габариты, не допускающие использование трансформаторов в современных портативных устройствах, таких как, например, электрошоковое оружие.

Другим недостатком трансформаторов Тесла является индуктивная слабосвязанность (низкая взаимоиндукция) из-за отсутствия сердечника, слабой магнитной проницаемости воздуха, очень больших расстояний между обмотками и их неоптимального для максимальной индуктивной связи пространственного расположения.

Слабая связь ведет к уменьшению напряжения холостого хода или «пробивного расстояния по воздуху» трансформатора типа Тесла, хотя известно, что увеличение коэффициента связи всего в два раза уже дает повышение выходного напряжения на 25%.

Изобретение направлено на решение задачи миниатюризации высоковольтного импульсного трансформатора при сохранении высокого напряжения холостого хода, большого коэффициента трансформации и повышении эффективности за счет снижения активных потерь.

Поставленная задача решается тем, что высоковольтный импульсный трансформатор без сердечника содержит по меньшей мере одну первичную и по меньшей мере одну вторичную обмотки, при этом упомянутую по меньшей мере одну вторичную высоковольтную обмотку наматывают бескаркасно или с каркасом при минимальном начальном диаметре намотки, поверх упомянутой вторичной обмотки с минимальным зазором наматывают по меньшей мере одну первичную низковольтную обмотку, при этом всю конструкцию заливают жидким электроизоляционным материалом.

В частности, упомянутый каркас имеет пространственную звездообразную форму или упомянутый каркас выполнят секционным.

В частности, упомянутый секционный каркас выполняют с продольными разрезами в стенках секций для перехода провода при намотке, где упомянутые продольные разрезы в стенках секций для перехода провода при намотке содержат угловое смещение относительно друг друга.

В частности, упомянутый зазор между упомянутыми обмотками представляет собой трубчатую разделительную электроизоляционную обечайку.

В частности, трансформатор выполняют по меньшей мере с двумя раздельными вторичными обмотками, где трубчатая разделительная электроизоляционная обечайка содержит в своей цилиндрической или иной образующей по меньшей мере одно отверстие для вывода концов по меньшей мере двух раздельных вторичных обмоток или вывода внутренних соединений по меньшей мере двух раздельных вторичных обмоток.

В частности, упомянутый жидкий электроизоляционный материал представляет собой неэластичный или эластичный отверждаемый компаунд, трансформаторное масло или иной жидкий изолятор.

В частности, дополнительно содержит электроизоляционый герметичный корпус.

В частности, упомянутую заливку жидким электроизоляционным материалом осуществляют при вакуумировании.

В частности, выводы вторичной обмотки содержат дополнительную трубчатую эластичную изоляцию.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой вид звездообразного каркаса трансформатора со вторичной обмоткой.

Фиг.2 представляет собой вид секционного каркаса трансформатора со вторичной обмоткой, продольными разрезами в стенках секций и с осевым отверстием в силовом осевом стержне.

Фиг.3 представляет собой вид трансформатора с первичной обмоткой, вторичной обмоткой, трубчатой разделительной электроизоляционной обечайкой.

Фиг.4 представляет собой вид трансформатора с двумя раздельными первичными и двумя раздельными вторичными обмотками.

Фиг.5 представляет собой вид трансформатора согласно настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

На Фиг.1 показан пространственный звездообразный каркас 1 из электроизоляционного материала (например, литой из пластических масс) трансформатора, на котором выполнена вторичная обмотка 2. Упомянутую вторичную обмотку 2 выполняют из тонкой обмоточной проволоки с лаковой или иной изоляцией. Проволока уложена в подобие секций упомянутого звездообразного каркаса 1, образующихся расстояниями между соседними лучами звездообразного каркаса 1. При этом проволоку укладывают как виток к витку, так и в навал.

На Фиг.2 показан секционный каркас 3 трансформатора из электроизоляционного материала, на котором выполнена вторичная обмотка 2. Упомянутую вторичную обмотку 2 выполняют из тонкой обмоточной проволоки с изоляцией.

Проволока может быть уложена в секции упомянутого секционного каркаса 3, как виток к витку, так и в навал. Преимущественно, чтобы укладка была осуществлена виток к витку. Для перехода провода при намотке из секции в секцию в стенках секционного каркаса 3 выполняют продольные разрезы 4. Также возможно, чтобы упомянутые продольные разрезы 4 в стенках секций для перехода провода при намотке содержали угловое смещение относительно друг друга. Секционный каркас 3 трансформатора содержит силовой осевой стержень (не показан) для скрепления упомянутых секций между собой, при этом в упомянутом силовом осевом стержне может быть выполнено сквозное осевое отверстие 5 для возможности отвода обоих выводов вторичной обмотки на одну из сторон трансформатора. Выводы вторичной обмотки 2 изолируют дополнительной трубчатой изоляцией 6 (трубчатую разделительную электроизоляционную обечайку) из эластичного материала с высокой электрической прочностью.

На Фиг.3 показан трансформатор, состоящий из секционного каркаса 3 со вторичной обмоткой 2, помещенного в трубчатую разделительную электроизоляционную обечайку 7. Трубчатую разделительную электроизоляционную обечайку 7 выполняют из материала с большой электрической прочностью при достаточном сродстве к адгезионной способности применяемого для заливки компаунда, например полиэтилена, полипропилена, полиэтилентерефталата и т.п. Поверх обечайки 7 наматывают первичную обмотку 8, которая состоит из малого количества витков толстой проволоки с лаковой или иной изоляцией. Один из выводов вторичной обмотки 2 может быть пропущен через осевое отверстие 5 для выхода высоковольтного вывода на другую сторону трансформатора. То есть упомянутая обечайка 7 содержит в своей цилиндрической или иной образующей по меньшей мере одно отверстие 5 для вывода концов по меньшей мере двух раздельных вторичных обмоток 2 или вывода внутренних соединений по меньшей мере двух раздельных вторичных обмоток 2.

Собранная конструкция трансформатора после сборки заливается электроизоляционным материалом (компаундом) 9 под вакуумом, причем компаунд заполняет и свободные пространства секций каркаса трансформатора со вторичной обмоткой 2. Упомянутый жидкий электроизоляционный материал 9 представляет собой неэластичный или эластичный отверждаемый компаунд, трансформаторное масло или иной жидкий изолятор, а упомянутую заливку жидким электроизоляционным материалом 9 осуществляют при вакуумировании. При заливке упомянутым материалом 9 трансформатор должен дополнительно содержать электроизоляционный герметичный корпус.

В заявляемой конструкции трансформатора коэффициент связи обмоток трансформатора повышен за счет уменьшения потоков рассеяния магнитной индукции, достигаемого максимальным сближением первичной 8 и вторичной 2 обмоток и уменьшением их диаметра и длины, что достигается разделением вторичной 2 обмотки на взаимоизолированные секции и применением разделительной электроизоляционной обечайки с большой электрической прочностью между первичной 8 и вторичной 2 обмотками.

На Фиг.4 показан трансформатор с раздельными первичными (14 и 15) и вторичными обмотками, состоящий из сдвоенного каркаса 10 (описанного выше секционного типа) с разделительной перемычкой 11 без обмотки. Сдвоенный каркас 10 помещен в удлиненную трубчатую разделительную электроизоляционную обечайку 12 с отверстием 13, через которое выводятся наружу концы раздельных вторичных обмоток для формирования общих выводов, либо общий вывод внутреннего соединения концов вторичных обмоток.

Поверх обечайки 12 намотаны первичные обмотки 14 и 15, которые могут соединяться параллельно или последовательно в зависимости от необходимости. Описанная конструкция трансформатора после сборки заливается электроизоляционным компаундом 9 под вакуумом, причем компаунд заполняет и свободные пространства секций сдвоенного каркаса трансформатора со вторичными обмотками.

На Фиг.5 показан трансформатор без каркаса, который имеет вторичную обмотку 16, выполненную как галетная или перекрестная обмотка, или другого типа, применяемого для намотки катушек без сердечника, поверх которой с зазором 17 намотана первичная обмотка 8. Зазор 17 между обмотками выбирается минимальным и он ограничен только электрической прочностью применяемого при заливке компаунда или жидкого изоляционного вещества. Для недопущения контакта вторичной 16 и первичной 8 обмоток при заливке трансформатора компаундом под вакуумом в зазор 17 могут вставляться стержни 18 из изоляционного материала с высокой электрической прочностью при достаточном сродстве к адгезионной способности применяемого для заливки компаунда. Описанная конструкция трансформатора после сборки дополнительно заливается электроизоляционным компаундом 9 под вакуумом.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Высоковольтный импульсный трансформатор без сердечника, содержащий по меньшей мере одну первичную и по меньшей мере одну вторичную обмотки, упомянутая по меньшей мере одна вторичная высоковольтная обмотка намотана бескаркасно или с каркасом при минимальном начальном диаметре намотки, где упомянутый каркас выполнен секционным, стенки которого соединены между собой силовым осевым стержнем, при этом поверх упомянутой вторичной обмотки с минимальным зазором намотана по меньшей мере одна первичная низковольтная обмотка, а вся конструкция выполнена в электроизоляционном материале.

2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что в упомянутом силовом осевом стержне выполнено сквозное осевое отверстие.

3. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что упомянутый секционный каркас выполняют с продольными разрезами в стенках секций для перехода провода при намотке, где упомянутые продольные разрезы в стенках секций для перехода провода при намотке содержат угловое смещение относительно друг друга.

4. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что содержит трубчатую разделительную электроизоляционную обечайку, установленную в зазор между упомянутыми обмотками.

5. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что содержит стержни из изоляционного материала, установленные в зазор между упомянутыми обмотками.

6. Трансформатор по п.4, отличающийся тем, что выполняют по меньшей мере с двумя раздельными вторичными обмотками, и трубчатая разделительная электроизоляционная обечайка содержит в своей цилиндрической или иной образующей по меньшей мере одно отверстие для вывода концов по меньшей мере двух раздельных вторичных обмоток или вывода внутренних соединений по меньшей мере двух раздельных вторичных обмоток.

7. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит электроизоляционый герметичный корпус.

8. Трансформатор по п.1 или 7, отличающийся тем, что упомянутый электроизоляционный материал представляет собой неэластичный или эластичный отверждаемый компаунд.

9. Трансформатор п.7, отличающийся тем, что упомянутый электроизоляционный материал представляет собой трансформаторное масло или иной жидкий изолятор.

10. Трансформатор по п.1 или 6, отличающийся тем, что выводы вторичной обмотки содержат дополнительную трубчатую эластичную изоляцию.

Конструкции импульсных трансформаторов | Высоковольтное испытательное оборудование и измерения

Страница 32 из 41

Сердечники импульсных трансформаторов в подавляющем большинстве случаев изготовляются из кремнистой холоднокатаной ленточной стали. В качестве межлистовой изоляции в сердечниках применяют конденсаторную бумагу, лаковые покрытия, оксидные пленки, нити стеклянного волокна, минеральные порошки и т. п. Недостаток этих покрытий в том, что одни из них не позволяют производить отжиг сердечника после его навивки, а другие не позволяют сердечники после навивки и отжига разрезать на две половины (для создания воздушного зазора), ибо не обладают связующими свойствами. Наиболее удачно необходимые качества сочетаются в эмали. Эмаль, наносимая при навивке на ленту, три отжиге плавится, и при остывании сердечник становится монолитным. При необходимости сердечник можно разрезать электроэрозионным или ультразвуковым методом.
В качестве изоляции обмотки от сердечника и межкатушечной изоляции в низковольтных импульсных трансформаторах обычно применяют лакоткань и бумагу. Трансформатор после изготовления пропитывают лаком, заливают компаундом или смолой для защиты от внешних воздействий. Трансформаторы на напряжении выше 6—10 кВ помещают в трансформаторное масло. На рис. 4-66 показан импульсный трансформатор на 70 кВ, изготовленный в Томском политехническом институте. Этот трансформатор разработан для инжектора бетатрона. В качестве изоляции между катушками в трансформаторе применен плексиглас, что позволило уменьшить паразитную емкость трансформатора и сократить его габариты.
В трансформаторах на напряжения 100 кВ и выше в качестве главной изоляции применяется трансформаторное масло. Твердые диэлектрики, такие как плексиглас и полистирол, служат для фиксации положения обмотки.
Представляет интерес использование в качестве изолирующей и охлаждающей среды в трансформаторах на 400 кВ и выше сжатого газа, например, элегаза. Применение для изоляции сжатого газа позволило бы уменьшить паразитную емкость трансформатора в 2—2,5 раза.
Наиболее широко импульсные трансформаторы применяются в радиотехнических устройствах для повышения напряжения импульсов, модулирующих ламповые генераторы метровых и дециметровых волн и магнетронных генераторов сантиметрового диапазона. Напряжение импульсов в этих устройствах достигает 30—35 кВ.

Рис. 4-66. Импульсный трансформатор на 76 кВ.
Импульсный трансформатор в сочетании с импульсным модулятором представляет собой весьма удобный инструмент для исследования импульсной электрической прочности диэлектриков. Возможность легко изменять в широких пределах частоту повторения и длительность импульсов выгодно отличают его от других типов импульсных генераторов напряжения.

К концам вторичной обмотки импульсного трансформатора подключается активное сопротивление, величина которого выбирается из условия получения оптимальной формы импульса. К части этого сопротивления подключается осциллограф для контроля напряжения и формы импульса.
Все более широкое применение импульсные трансформаторы (до 400 кВ и выше) находят в ускорителях заряженных частиц. Импульсные трансформаторы на 26—66 используются в инжекторах бетатронов. Известно, что с ростом энергии инжектируемых электронов интенсивность лучения бетатрона повышается. После разработки тронных пушек на более высокое напряжение в бетатрон могут найти применение трансформаторы на напряжение до 300 кВ.

В разработанном в Станфордском университете (США) линейном ускорителе для модуляции мощных клистронов используется одновременно 21-импульсный трансформатор на напряжение 400 кВ, причем каждый из них отдает 100 Мвт мощности в импульсе при длительности импульса 2 мксек и частоте повторения 60 Гц.


Рис. 4-67. Импульсный трансформатор на 1 000 кВ.

В Томском политехническом институте разработан импульсный трансформатор на 1 000 кВ (рис. 4-67). Импульсный трансформатор повышает напряжение прямоугольных импульсов длительностью 5 мксек от 100 кВ на первичной обмотке до 1 000 кВ на вторичной обмотке.
Размеры импульсного трансформатора 109X56X92 см, вес около 500 кг. Коэффициент трансформации 10. Входные импульсы напряжения отрицательной полярности (100 кВ) формируются импульсным модулятором с двойной неоднородной искусственной линией. Применение неоднородной линии обусловлено стремлением довести размеры и вес трансформатора до минимально возможных и получить трансформированный импульс с наименьшими искажениями. Номинальная мощность в импульсе 80 Мвт.

Сердечник импульсного трансформатора — неразъемного типа и навит из ленточной стали ЭЗ10. Сердечник составлен из четырех отдельно изготовленных секций. Сечение сердечника 125×130 мм, вес около 200 кг. Конструкция сердечника обеспечивает минимальную длину средней магнитной линии и относительно равномерное распределение индукции по сечению Отклонение индукции от средней величины не более 10%. Сечение ленточной стали 64X0,08 мм. Хотя скорость изменения индукции во времени  достигает в данном сердечнике колоссальной вели чины 3х109 гс/сек, а, следовательно, в толще листов наводятся значительной силы вихревые токи, было признано нецелесообразным применять более тонкую сталь ввиду больших технологических трудностей и ее высокой стоимости.
В качестве междулистовой изоляции в сердечнике применена эмаль. Применение эмали позволило сердечник после навивки подвергнуть термообработке и получить хорошие магнитные и механические характеристики, а также высокий коэффициент заполнения сталью (kc= 0,94).
Для увеличения приращения индукции ∆Вс за время действия импульса до 15 кгс применено подмагничивание постоянным током. Ток подмагничивания протекает через первичную обмотку трансформатора в направлении, обратном току импульса. Напряженность поля, создаваемого током подмагничивания, выбрана вдвое большей, чем коэрцитивная сила материала сердечника (Нс≈0,4 э) и равна 1 э.
С целью повысить электрическую прочность главной изоляции между сердечником и обмоткой сердечник в части, свободной от обмотки, защищен электрическими экранами.
Трансформатор имеет две обмотки: первичную и вторичную. Первичная обмотка однослойная, состоит из 26 витков и изготовлена из латунной тонкостенной трубки диаметром 4 мм. Вторичная обмотка имеет 260 витков и расположена в семь слоев. Обмотка изготовлена из латунной трубки диаметром в 6 мм (толщина стенки 0,35 мм.). Для сокращения размеров обмотки и уменьшения паразитных параметров первые 26 витков вторичной обмотки размещены в один слой с первичной обмоткой. Так как сердечник трансформатора неразъемного типа, то обмотка собрана уже на сердечнике. Каждый виток составлен из двух полувитков. В пустотелой вторичной обмотке уложен провод в хлорвиниловой изоляции. Трубка и изолированный от нее провод образуют линию передачи энергии к подогревателю катода электронной трубки. На рис. 4-68 дана электрическая схема импульсного трансформатора.

Рис. 4-68. Электрическая схема импульсного трансформатора на 1 000 кВ.

Напряжение сети с помощью симметрирующего трансформатора Тр-1 повышается до 250 В и передается по вторичной обмотке к понижающему трансформатору Тр-2, который монтируется с конденсаторами С2 в электростатическом экране около катодного блока электронной трубки. На каждом полувитке вторичной обмотки имеется по два отверстия (в плоскости полувитка) диаметром 0,5 мм. При вакуумировании резервуара масло через эти отверстия заполняет свободное пространство между проводом и трубкой, что улучшает охлаждение внутреннего провода и повышает электрическую прочность изоляции.
Способ крепления первичной обмотки и первого слоя вторичной обмотки показан на рис. 4-69. Стержни, на которых смонтированы эти обмотки, изготовлены из плексигласа и имеют развитую поверхность с целью исключения перекрытия по поверхности. Стержни крепятся к сердечнику бандажами из полиамидной жилки.

Остальные 234 витка вторичной обмотки, разбитые на шесть слоев, механически непосредственно не связаны с сердечником и вмонтированы на 36 плексигласовых стержнях, причем второй, третий и четвертым слои монтируются на четырех стержнях, а пятым, шестой и седьмой — на восьми стержнях каждый.
Плексигласовые стержни имеют сильно развитую поверхность в направлениях, по которым возможен разряд. Жесткость катушек обмоток повышена распорными плексигласовыми планками, установленными по периметру катушек между основными стержнями.
Все слои вторичной обмотки соединены между собой таким образом, что напряжение на каждой катушке растет в одном и том же направлении. При таком соединении энергия, запасаемая в междуслойных паразитных емкостях при трансформации импульса,  имеет наименьшую величину. Приведенная к первичной обмотке паразитная емкость трансформатора равна 14 000 пф, а индуктивность рассеяния 91 мкгн. На рис. 4-70 дана осциллограмма импульса напряжения на нагрузке трансформатора. Длительность фронта импульса составляет 1,5 мксек.

Рис. 4-69. Фотография импульсного трансформатора на 1 000 кВ в процессе монтажа, иллюстрирующая конструкцию первичной и первого слоя вторичной обмоток.
Рис. 4-70. Осциллограмма импульса на нагрузке импульсного трансформатора на 1 000 кВ; калибровочная частота 500 кГц.

Высоковольтный импульсный трансформатор без сердечника

Изобретение относится к электротехнике, к высоковольтным импульсным источникам питания высокого напряжения и может быть использовано в импульсной технике, например в системах зажигания, электрошоковых устройствах, системах питания газоразрядных ламп, ионизаторах воздуха, газовых лазеров и т.д. Технический результат состоит в снижении габаритов и массы изделия, упрощении производства, повышении эффективности. Высоковольтный импульсный трансформатор содержит безкаркасную или каркасную вторичную обмотку, помещенную во внешнюю трубчатую электроизоляционную оболочку или имеющую зазор относительно намотанной поверх первичной обмотки. Вся конструкция залита электроизоляционным компаундом или электроизоляционной жидкостью. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к высоковольтным импульсным источникам питания высокого напряжения, например в системах зажигания, системах питания газоразрядных ламп, ионизаторах воздуха, газовых лазерах, электрошоковых устройствах.

Широко известна конструкция высоковольтного импульсного трансформатора, содержащая первичную и вторичную обмотки, магнитный сердечник стержневой или замкнутой конструкции, межслойную изоляцию либо секционированный каркас с взаимоизолированными секциями.

Примером традиционной конструкции высоковольтного импульсного трансформатора может служить трансформатор по патенту США №1499931, содержащий незамкнутый стержневой сердечник, первичную и вторичную обмотки, герметичный корпус. Известны и другие конструкции с незначительными отличиями, однако по сути устройство до сегодняшнего дня остается неизменным.

Типовая схема включения высоковольтного импульсного трансформатора, как низкой, так и высокой частоты, содержит источник питания, например батарею или повышающий преобразователь напряжения (инвертер) и формирователь импульсов, подключенный к первичной обмотке трансформатора, в качестве которого может быть использован механический коммутатор, управляемый полупроводниковый ключ, релаксационный генератор на газоразрядных приборах или иная схема. Трансформатор передает мощность источника питания в виде импульсов высокого напряжения в нагрузку. Подобная схема получения высокого напряжения используется, например, в электрошоковых устройствах.

Недостатком подобной конструкции являются значительные габариты — как правило, в портативных устройствах, таких как, например, электрошоковые устройства, высоковольтный импульсный трансформатор является наиболее объемным элементом и может занимать до 1/3 объема всего устройства. Значительно снизить габариты при сохранении основной характеристики «напряжение холостого хода» (а в аспектах применения в электрошоковых устройствах важнейшей характеристикой является «пробивное расстояние по воздуху») по такой конструкции высоковольтного импульсного трансформатора не представляется возможным.

Другим недостатком являются значительные потери энергии на омическом и индуктивном сопротивлении обмоток, что сказывается на КПД устройства в целом. Высокая индуктивность, в частности, препятствует получению коротких мощных импульсов, необходимых в некоторых областях применения.

Кроме того, изготовление высоковольтных трансформаторов по традиционной конструкции требует значительных экономических затрат, связанных с большим расходом обмоточных и изоляционных материалов, а также сложностью технологического процесса.

Известны высокочастотные трансформаторы без сердечников, например трансформаторы Тесла (патент США №568176).

Трансформаторы Тесла имеют первичную обмотку из очень малого количества витков толстого провода, изогнутого и намотанного в виде растянутой спирали, и вторичную обмотку в виде каркаса — цилиндра из электроизоляционного материала, на котором виток к витку в один слой уложено большое количество витков провода малого диаметра. Между первичной и вторичной обмоткой имеется воздушный зазор (разница диаметров между первичной и вторичной обмотками в трансформаторах Тесла достигает 3-5 раз), достигающий величины нескольких сантиметров даже в малых трансформаторах Тесла и служащий изоляцией между обмотками.

Другой вариант исполнения трансформатора Тесла имеет первичную обмотку, уложенную близко виток к витку, но расположенную только в центре очень длинного по отношению к длине первичной обмотки каркаса-цилиндра с вторичной обмоткой.

Типовая схема включения трансформатора описана выше.

И в том, и другом варианте исполнения трансформатора Тесла индуктивная связь между катушками слабая (не более 0,1), что является следствием необходимости иметь между первичной и вторичной обмоткой электроизоляцию с большой электрической прочностью для исключения возможности пробоя высокого напряжения, снимаемого со вторичной обмотки на первичную обмотку, разного рода утечек, например коронных.

Таким образом, недостатком трансформаторов Тесла являются сверхбольшие габариты, не допускающие использование трансформаторов в современных портативных устройствах, таких как, например, электрошоковое оружие.

Другим недостатком трансформаторов Тесла является индуктивная слабосвязанность (низкая взаимоиндукция) из-за отсутствия сердечника, слабой магнитной проницаемости воздуха, очень больших расстояний между обмотками и их неоптимального для максимальной индуктивной связи пространственного расположения.

Слабая связь ведет к уменьшению напряжения холостого хода или «пробивного расстояния по воздуху» трансформатора типа Тесла, хотя известно, что увеличение коэффициента связи всего в два раза уже дает повышение выходного напряжения на 25%.

Изобретение направлено на решение задачи миниатюризации высоковольтного импульсного трансформатора при сохранении высокого напряжения холостого хода, большого коэффициента трансформации и повышении эффективности за счет снижения активных потерь.

Поставленная задача решается тем, что высоковольтный импульсный трансформатор без сердечника содержит по меньшей мере одну первичную и по меньшей мере одну вторичную обмотки, при этом упомянутую по меньшей мере одну вторичную высоковольтную обмотку наматывают бескаркасно или с каркасом при минимальном начальном диаметре намотки, поверх упомянутой вторичной обмотки с минимальным зазором наматывают по меньшей мере одну первичную низковольтную обмотку, при этом всю конструкцию заливают жидким электроизоляционным материалом.

В частности, упомянутый каркас имеет пространственную звездообразную форму или упомянутый каркас выполнят секционным.

В частности, упомянутый секционный каркас выполняют с продольными разрезами в стенках секций для перехода провода при намотке, где упомянутые продольные разрезы в стенках секций для перехода провода при намотке содержат угловое смещение относительно друг друга.

В частности, упомянутый зазор между упомянутыми обмотками представляет собой трубчатую разделительную электроизоляционную обечайку.

В частности, трансформатор выполняют по меньшей мере с двумя раздельными вторичными обмотками, где трубчатая разделительная электроизоляционная обечайка содержит в своей цилиндрической или иной образующей по меньшей мере одно отверстие для вывода концов по меньшей мере двух раздельных вторичных обмоток или вывода внутренних соединений по меньшей мере двух раздельных вторичных обмоток.

В частности, упомянутый жидкий электроизоляционный материал представляет собой неэластичный или эластичный отверждаемый компаунд, трансформаторное масло или иной жидкий изолятор.

В частности, дополнительно содержит электроизоляционый герметичный корпус.

В частности, упомянутую заливку жидким электроизоляционным материалом осуществляют при вакуумировании.

В частности, выводы вторичной обмотки содержат дополнительную трубчатую эластичную изоляцию.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой вид звездообразного каркаса трансформатора со вторичной обмоткой.

Фиг.2 представляет собой вид секционного каркаса трансформатора со вторичной обмоткой, продольными разрезами в стенках секций и с осевым отверстием в силовом осевом стержне.

Фиг.3 представляет собой вид трансформатора с первичной обмоткой, вторичной обмоткой, трубчатой разделительной электроизоляционной обечайкой.

Фиг.4 представляет собой вид трансформатора с двумя раздельными первичными и двумя раздельными вторичными обмотками.

Фиг.5 представляет собой вид трансформатора согласно настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

На Фиг.1 показан пространственный звездообразный каркас 1 из электроизоляционного материала (например, литой из пластических масс) трансформатора, на котором выполнена вторичная обмотка 2. Упомянутую вторичную обмотку 2 выполняют из тонкой обмоточной проволоки с лаковой или иной изоляцией. Проволока уложена в подобие секций упомянутого звездообразного каркаса 1, образующихся расстояниями между соседними лучами звездообразного каркаса 1. При этом проволоку укладывают как виток к витку, так и в навал.

На Фиг.2 показан секционный каркас 3 трансформатора из электроизоляционного материала, на котором выполнена вторичная обмотка 2. Упомянутую вторичную обмотку 2 выполняют из тонкой обмоточной проволоки с изоляцией.

Проволока может быть уложена в секции упомянутого секционного каркаса 3, как виток к витку, так и в навал. Преимущественно, чтобы укладка была осуществлена виток к витку. Для перехода провода при намотке из секции в секцию в стенках секционного каркаса 3 выполняют продольные разрезы 4. Также возможно, чтобы упомянутые продольные разрезы 4 в стенках секций для перехода провода при намотке содержали угловое смещение относительно друг друга. Секционный каркас 3 трансформатора содержит силовой осевой стержень (не показан) для скрепления упомянутых секций между собой, при этом в упомянутом силовом осевом стержне может быть выполнено сквозное осевое отверстие 5 для возможности отвода обоих выводов вторичной обмотки на одну из сторон трансформатора. Выводы вторичной обмотки 2 изолируют дополнительной трубчатой изоляцией 6 (трубчатую разделительную электроизоляционную обечайку) из эластичного материала с высокой электрической прочностью.

На Фиг.3 показан трансформатор, состоящий из секционного каркаса 3 со вторичной обмоткой 2, помещенного в трубчатую разделительную электроизоляционную обечайку 7. Трубчатую разделительную электроизоляционную обечайку 7 выполняют из материала с большой электрической прочностью при достаточном сродстве к адгезионной способности применяемого для заливки компаунда, например полиэтилена, полипропилена, полиэтилентерефталата и т.п. Поверх обечайки 7 наматывают первичную обмотку 8, которая состоит из малого количества витков толстой проволоки с лаковой или иной изоляцией. Один из выводов вторичной обмотки 2 может быть пропущен через осевое отверстие 5 для выхода высоковольтного вывода на другую сторону трансформатора. То есть упомянутая обечайка 7 содержит в своей цилиндрической или иной образующей по меньшей мере одно отверстие 5 для вывода концов по меньшей мере двух раздельных вторичных обмоток 2 или вывода внутренних соединений по меньшей мере двух раздельных вторичных обмоток 2.

Собранная конструкция трансформатора после сборки заливается электроизоляционным материалом (компаундом) 9 под вакуумом, причем компаунд заполняет и свободные пространства секций каркаса трансформатора со вторичной обмоткой 2. Упомянутый жидкий электроизоляционный материал 9 представляет собой неэластичный или эластичный отверждаемый компаунд, трансформаторное масло или иной жидкий изолятор, а упомянутую заливку жидким электроизоляционным материалом 9 осуществляют при вакуумировании. При заливке упомянутым материалом 9 трансформатор должен дополнительно содержать электроизоляционный герметичный корпус.

В заявляемой конструкции трансформатора коэффициент связи обмоток трансформатора повышен за счет уменьшения потоков рассеяния магнитной индукции, достигаемого максимальным сближением первичной 8 и вторичной 2 обмоток и уменьшением их диаметра и длины, что достигается разделением вторичной 2 обмотки на взаимоизолированные секции и применением разделительной электроизоляционной обечайки с большой электрической прочностью между первичной 8 и вторичной 2 обмотками.

На Фиг.4 показан трансформатор с раздельными первичными (14 и 15) и вторичными обмотками, состоящий из сдвоенного каркаса 10 (описанного выше секционного типа) с разделительной перемычкой 11 без обмотки. Сдвоенный каркас 10 помещен в удлиненную трубчатую разделительную электроизоляционную обечайку 12 с отверстием 13, через которое выводятся наружу концы раздельных вторичных обмоток для формирования общих выводов, либо общий вывод внутреннего соединения концов вторичных обмоток.

Поверх обечайки 12 намотаны первичные обмотки 14 и 15, которые могут соединяться параллельно или последовательно в зависимости от необходимости. Описанная конструкция трансформатора после сборки заливается электроизоляционным компаундом 9 под вакуумом, причем компаунд заполняет и свободные пространства секций сдвоенного каркаса трансформатора со вторичными обмотками.

На Фиг.5 показан трансформатор без каркаса, который имеет вторичную обмотку 16, выполненную как галетная или перекрестная обмотка, или другого типа, применяемого для намотки катушек без сердечника, поверх которой с зазором 17 намотана первичная обмотка 8. Зазор 17 между обмотками выбирается минимальным и он ограничен только электрической прочностью применяемого при заливке компаунда или жидкого изоляционного вещества. Для недопущения контакта вторичной 16 и первичной 8 обмоток при заливке трансформатора компаундом под вакуумом в зазор 17 могут вставляться стержни 18 из изоляционного материала с высокой электрической прочностью при достаточном сродстве к адгезионной способности применяемого для заливки компаунда. Описанная конструкция трансформатора после сборки дополнительно заливается электроизоляционным компаундом 9 под вакуумом.

1. Высоковольтный импульсный трансформатор без сердечника, содержащий по меньшей мере одну первичную и по меньшей мере одну вторичную обмотки, упомянутая по меньшей мере одна вторичная высоковольтная обмотка намотана бескаркасно или с каркасом при минимальном начальном диаметре намотки, где упомянутый каркас выполнен секционным, стенки которого соединены между собой силовым осевым стержнем, при этом поверх упомянутой вторичной обмотки с минимальным зазором намотана по меньшей мере одна первичная низковольтная обмотка, а вся конструкция выполнена в электроизоляционном материале.

2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что в упомянутом силовом осевом стержне выполнено сквозное осевое отверстие.

3. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что упомянутый секционный каркас выполняют с продольными разрезами в стенках секций для перехода провода при намотке, где упомянутые продольные разрезы в стенках секций для перехода провода при намотке содержат угловое смещение относительно друг друга.

4. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что содержит трубчатую разделительную электроизоляционную обечайку, установленную в зазор между упомянутыми обмотками.

5. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что содержит стержни из изоляционного материала, установленные в зазор между упомянутыми обмотками.

6. Трансформатор по п.4, отличающийся тем, что выполняют по меньшей мере с двумя раздельными вторичными обмотками, и трубчатая разделительная электроизоляционная обечайка содержит в своей цилиндрической или иной образующей по меньшей мере одно отверстие для вывода концов по меньшей мере двух раздельных вторичных обмоток или вывода внутренних соединений по меньшей мере двух раздельных вторичных обмоток.

7. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит электроизоляционый герметичный корпус.

8. Трансформатор по п.1 или 7, отличающийся тем, что упомянутый электроизоляционный материал представляет собой неэластичный или эластичный отверждаемый компаунд.

9. Трансформатор п.7, отличающийся тем, что упомянутый электроизоляционный материал представляет собой трансформаторное масло или иной жидкий изолятор.

10. Трансформатор по п.1 или 6, отличающийся тем, что выводы вторичной обмотки содержат дополнительную трубчатую эластичную изоляцию.

Высоковольтный импульсный генератор для дезинтеграции горных пород. :: ПВ.РФ Международный промышленный портал

Выcoкoвoльтный импульcный генератoр
Выcoкoвoльтный импульcный генератoр для электрoразрядных технoлoгий

Автoры: Канаев Геннадий Григoрьевич, Кухта Владимир Рoманoвич, Лoпатин Владимир Ваcильевич, Нашилевcкий Алекcандр Владимирoвич, Ремнев Геннадий Ефимoвич, Уемура Кенcуке

Выcoкoвольтный импульcный генератор для электроразрядных технологий cодержит размещенные в одном цилиндричеcком корпуcе (1) и cоединенные поcледовательно многоканальный иcкровой разрядник (2), емкоcтный накопитель (3) и импульcный транcформатор, при этом каждый иcкровой промежуток многоканального искрового разрядника (2) снабжен управляющим электродом (8), соединенным через резистор (10) с заземленным электродом и через конденсатор (11) и кабель (12) с анодом дополнительно введенного стартового разрядника (13). Заземленный электрод служит крышкой (7) многоканального искрового разрядника (2). Емкостный накопитель (3) выполнен из параллельно соединенных цилиндрических конденсаторов (14). Ферромагнитный сердечник (4) и высоковольтный электрод (19) импульсного трансформатора электрически соединены. Технический результат заключается в увеличении крутизны фронта импульса, уменьшении волнового сопротивления, повышении надежности и ресурса генератора. 3 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в электроразрядных технологиях, таких как дезинтеграция горных пород, снятия поверхностного слоя железобетонных конструкций, дробления мелкодисперсных частиц в растворах и т.п. мощными искровыми разрядами, канал которых внедряется в твердое тело, разрушая его.

Особенности электроразрядных технологий, где в качестве инструмента используется искровой разряд в жидкости или твердых телах, накладывает жесткие требования к параметрам импульсных генераторов [Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. — Апатиты: КНЦ РАН, 1995, 267 с.]. Основные из них: частота повторения (10-30) имп/с, способность работать практически на короткое замыкание после пробоя рабочего промежутка, когда сопротивление канала искры уменьшается до десятых долей Ом за время (100-200) нс, обеспечивая ток в разряде (10-20) кА, напряжение на промежутке до пробоя (250-400) кВ, т.е. импеданс не более (30-50) Ом, причем крутизна фронта импульса должна быть не менее (1-5)·1012 B/c. Кроме того, ресурс работы всех элементов генератора должен быть не менее 106 импульсов.

Известны высоковольтные импульсные генераторы [Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные (электрические) процессы в установках электроимпульсной технологии. Л.: Наука, 2000, 189 с.], содержащие конденсаторы, искровые разрядники, зарядные резисторы или индуктивности, источник зарядного напряжения. В таких генераторах импульс, прикладываемый к рабочему промежутку, формируется при последовательном разряде конденсаторов через искровые разрядники. Для эффективности разрушаемого действия параллельно генератору импульсного напряжения подключают генератор импульсного тока, обеспечивающий основной энерговклад в канал разряда. В таких устройствах наличие большого количества последовательно включенных конденсаторов и искровых разрядников приводит к значительному уменьшению крутизны фронта импульса и ограничению частоты повторения импульсов, а также снижению надежности.

Известен также высоковольтный импульсный генератор [Кривоносенко А.В., Семкин Б.В. Генератор высоковольтных импульсов, ПТЭ, 1982, Выcoкoвoльтный импульcный генератoр 6, с.73-75], содержащий конденсатор, искровой разрядник, импульсный трансформатор, нелинейную обостряющую линию. Формирование импульса напряжения происходит при разряде конденсатора через искровой разрядник на первичную обмотку трансформатора, ко вторичной обмотке которого подключена нагрузка, а обострение импульса осуществляется нелинейной линией на основе ферритовых сердечников, являющихся также сердечниками трансформатора. В таком генераторе импульсный трансформатор обладает повышенными индуктивностью рассеяния, индуктивностью монтажа и волновым сопротивлением.

В качестве прототипа выбран погружной электроразрядный генератор [RU, патент Выcoкoвoльтный импульcный генератoр 2340081, бюл. Выcoкoвoльтный импульcный генератoр 33, 2008], содержащий емкостный накопитель — полосковую формирующую линию, неуправляемый многоканальный искровой разрядник, повышающий импульсный трансформатор и согласующую коаксиальную линию. Полосковая формирующая линия подключена к многоканальному неуправляемому искровому разряднику с анодным делителем тока и импульсному трансформатору с ферромагнитным сердечником. Высоковольтные шпильки (являющиеся высоковольтным электродом) — выводы вторичной обмотки импульсного трансформатора подключены к электроду бурового наконечника через согласующую линию. В таком генераторе применение неуправляемого многоканального искрового разрядника, работающего в режиме самопробоя, не обеспечивает инициирование разряда в каждом искровом промежутке, поскольку напряжения самопробоя искровых промежутков могут значительно отличаться, даже если геометрия искровых промежутков одинакова. Использование анодного делителя эффективно только в случае, когда разряд инициируется в каждом искровом промежутке и необходимо уровнять токи в искровых каналах.

Недостатком полосковой формирующей линии является краевой эффект, проявляющийся в возникновении на краях полосковых электродов линий повышенной напряженности электрического поля, которая превышает среднюю напряженность электрического поля в диэлектрике линий и может привести к пробою. Все это приводит к уменьшению крутизны фронта импульса на рабочем промежутке, снижению надежности и ресурса всего устройства.

Задачей изобретения является создание высоковольтного импульсного генератора для электроразрядных технологий с высокими надежностью и ресурсом.

Технический результат изобретения заключается в увеличении крутизны фронта импульса, уменьшении волнового сопротивления, повышении надежности и ресурса генератора.

Указанный технический результат достигается тем, что в высоковольтном импульсном генераторе для электроразрядных технологий, содержащем, как и прототип, размещенные в одном цилиндрическом корпусе и соединенные последовательно многоканальный искровой разрядник, емкостный накопитель и импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником и высоковольтным электродом, в отличие от прототипа, каждый искровой промежуток многоканального искрового разрядника снабжен управляющим электродом, соединенным через резистор с заземленным электродом, который служит крышкой многоканального искрового разрядника, и через конденсатор и кабель с анодом дополнительно введенного стартового разрядника.

Целесообразно, чтобы емкостный накопитель был выполнен из параллельно соединенных цилиндрических конденсаторов.

Целесообразно также, чтобы ферромагнитный сердечник и высоковольтный электрод импульсного трансформатора были электрически соединены.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведено осевое сечение высоковольтного импульсного генератора для электроразрядных технологий, на фиг.2 — электрическая схема генератора, на фиг.3 приведено сечение (А-А) фиг.1.
осевое сечение высоковольтного импульсного генератора
Сущность изобретения рассмотрим на примере выполнения высоковольтного импульсного генератора для электроразрядных технологий. Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий содержит расположенные в одном цилиндрическом корпусе 1 многоканальный искровой разрядник 2, емкостный накопитель 3, соединенный с многоканальным искровым разрядником 2 и импульсным трансформатором с ферромагнитным сердечником 4.

Многоканальный искровой разрядник 2 размещен в диэлектрическом корпусе 5 и содержит шестнадцать искровых промежутков тригатронного типа. Каждый искровой промежуток образован анодами 6 и заземленным электродом, который служит крышкой 7 многоканального искрового разрядника 2. В заземленной крышке 7 напротив анодов 6 размещены управляющие электроды 8. Аноды 6 снабжены ферромагнитными сердечниками 9, являющимися анодным делителем тока. Каждый управляющий электрод 8 соединен через резистор 10 с заземленной крышкой 7 и через конденсатор 11 и кабель 12 с анодом стартового разрядника 13 (фиг.2).

Емкостный накопитель 3 собран из параллельно соединенных цилиндрических конденсаторов 14 (фиг.3), одни выводы которых присоединены к анодам 6 многоканального искрового разрядника 2, а другие к импульсному трансформатору.

Импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником 4 имеет первичный виток, образованный цилиндрическим корпусом 1 генератора, диском 15 с отверстиями, цилиндром 16 и электродом 17, к которому подсоединены конденсаторы 14. Вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из шести секторных обмоток 18, радиально расположенных вокруг ферромагнитного сердечника 4. Секторные обмотки 18 намотаны по спирали медной лентой и включены по схеме автотрансформатора по отношению к первичному витку. Индуцированное напряжение на секторных обмотках 18 прикладывается к высоковольтному электроду 19, имеющему электрический контакт с ферромагнитным сердечником 4, и выводится через дисковый 20 и два конусных 21, 22 изоляторы на рабочий инструмент, в данном примере на электрод бурового наконечника 23.

На фиг.2 приведена электрическая схема, в которой преобразователь напряжения 24 является источником зарядного напряжения конденсатора 25. Разрядная цепь конденсатора 25 образована первичной обмоткой зарядного трансформатора 26 и коммутирующим тиристором 27, который запускается от блока управления 28. Один вывод вторичной обмотки зарядного трансформатора 26 соединен с емкостным накопителем 3 и через индуктивность 29 и резистор 30 с анодом стартового разрядника 13, который через кабель 12 и конденсаторы 11 соединен с управляющими электродами 8 многоканального искрового разрядника 2 (фиг.1). Второй вывод вторичной обмотки зарядного трансформатора 26 соединен через одну обмотку дросселя насыщения 31 с пусковым электродом стартового разрядника 13, а через другую — с землей. Часть этой обмотки дросселя насыщения 31 закорочена диодом 32. На электрической схеме (фиг.2) показаны связанные витками 33 ферромагнитные сердечники 9, образующие анодный делитель тока многоканального искрового разрядника 2 (фиг.1). Выход преобразователя напряжения 24 зашунтирован конденсатором фильтра 34 и цепью с диодом 35 и дросселем 36.

электрическая схема генератораРабота генератора заключается в следующем. При подаче напряжения (3 Ф×380 В) на вход преобразователя напряжения 24 (фиг.2) последний постоянным током заряжает конденсатор 25 через первичную обмотку зарядного трансформатора 26 до требуемого напряжения. При этом происходит размагничивание сердечника зарядного трансформатора 26. Затем от блока управления 28 запускается коммутирующий тиристор 27 и конденсатор 25 разряжается на первичную обмотку зарядного трансформатора 26. Частота срабатывания коммутирующего тиристора 27 определяет частоту следования импульсов напряжения. Появляющееся напряжение на вторичной обмотке зарядного трансформатора 26 подается на зарядку емкостного накопителя 3 и через индуктивность 29 и резистор 30 на анод стартового разрядника 13, и далее по кабелю 12 через конденсаторы 11 и резисторы 10 на управляющие электроды 8 многоканального искрового разрядника 2 (фиг.1), обеспечивая необходимые потенциалы на его анодах 6 и управляющих электродах 8 относительно заземленной крышки 7. В момент времени, когда напряжение на емкостном накопителе 3 достигает максимального значения, ток его заряда переходит нулевое значение, дросселем насыщения 31 и диодом 32 формируется импульс напряжения, который запускает стартовый разрядник 13. При срабатывании стартового разрядника 13 напряжение на управляющих электродах 8 искровых промежутков многоканального искрового разрядника 2 инвертируется, вызывая коммутацию последнего и разряд емкостного накопителя 3 на первичный виток импульсного трансформатора, при этом на высоковольтном электроде 19 его вторичной обмотки 18 (фиг.1) индуцируется высокое напряжение, которое прикладывается на электрод бурового наконечника 23. Для деления тока в искровых промежутках многоканального искрового разрядника 2 используется анодный делитель тока, выполненный на ферромагнитных сердечниках 9 с витками 33. При опережающем пробое в одном или нескольких искровых промежутках многоканального искрового разрядника 2, за счет перемагничивания сердечников 9 с витками 33, в невключившиеся промежутки дополнительно индуцируется ЭДС, что совместно с инвертированием напряжения на управляющих электродах 8 вызывает пробой всех искровых промежутков, а в витках 33 устанавливается ток, равный половине тока, протекающего через отдельный искровой промежуток.

сечение (А-А)После коммутации многоканального искрового разрядника 2 на конденсаторе 25 и емкостном накопителе 3 остается напряжение, которое может быть отрицательным. При следующем зарядном импульсе напряжение на конденсаторе 25 может быть больше требуемого и возможен пробой коммутирующего тиристора 27, что недопустимо. Поэтому применена схема рекуперации неиспользованной энергии в конденсатор фильтра 34, через цепь диода 35 и дросселя 36.

Таким образом, снабжение каждого искрового промежутка многоканального искрового разрядника 2 управляющим электродом 8, соединенного через резистор 10 с заземленной крышкой 7 и через конденсатор 11 и кабель 12 с анодом дополнительно введенного стартового разрядника 13, надежно обеспечивает разряд в каждом искровом промежутке и коммутацию многоканального искрового разрядника в целом, что приводит к значительному уменьшению разрядного контура и увеличению крутизны фронта импульса. Использование конденсаторов 14 в емкостном накопителе 3 исключает краевые эффекты в последнем, что увеличивает надежность и ресурс всего генератора. Кроме этого, для уменьшения волнового сопротивления ферромагнитный сердечник 4 импульсного трансформатора электрически соединен с высоковольтным электродом.

Таким образом, заявленный технический результат: увеличение крутизны фронта, уменьшение волнового сопротивления, повышение надежности и ресурса генератора, считаем доказанным.

Высоковольтный импульсный трансформатор и способ его изготовления

 

(19)SU(11)1022568(13)A1(51)  МПК 5    H01B19/00, H01F19/00(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк авторскому свидетельствуСтатус: по данным на 27.12.2012 — прекратил действиеПошлина:

(54) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнической и радиоэлектронной аппаратуре и может найти применение при разработке конструкции и способа изготовления импульсных высоковольтных трансформаторов, работающих в блоках с жидким диэлектриком. Известен высоковольтный импульсный трансформатор, содержащий сердечник с многорядной обмоткой, пропитанной эпоксидным компаундом. Известен способ его изготовления, заключающийся в заливке электротехнических элементов эпоксидным компаундом. Недостатком этого способа является возникновение в монолите эпоксидного компаунда термоупругих напряжений, которые при изготовлении и эксплуатации в большом диапазоне температур приводят к нарушению изоляции и электрическим пробоям в импульсных высоковольтных трансформаторах. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является импульсный высоковольтный трансформатор, содержащий сердечник с многорядной обмоткой, пропитанной эпоксидным компаундом, и размещенный в блоке с жидким диэлектриком и способ его изготовления, при котором намотанную на сердечник обмотку пропитывают эпоксидным компаундом, отверждают и размещают в блоке с последующей заливкой жидким диэлектриком. При появлении трещин в монолите компаунда, выходящих на периферию, они заполняются жидким диэлектриком и электро- прочность всего трансформатора не нарушается. Недостаток этого трансформатора заключается в том, что трещины, не выходящие на периферию залитого трансформатора, не заполняются жидким диэлектриком, следствием этого является снижение электрической прочности трансформатора. Цель изобретения — повышение электрической прочности в условиях эксплуатации при знакопеременных температурах путем исключения термомеханических напряжений в компаунде. Поставленная цель достигается тем, что в известном высоковольтном импульсном трансформаторе, содержащем сердечник с многорядной обмоткой, пропитанной эпоксидным компаундом, и размещенном в блоке с жидким диэлектриком, между каждым рядом обмотки размещен обладающий низкой адгезией к эпоксидному компаунду слой полимерного материала с зазором, заполненным жидким диэлектриком. Способ изготовления данного высоковольтного импульсного трансформатора заключается в том, что перед пропиткой на каждый ряд обмотки наматывают слой полимерного материала, обладающего низкой адгезией к эпоксидному компаунду, после отверждения подвергают воздействию знакопеременных температур, обеспечивающих отслоение компаунда от полимерного материала с образованием зазоров между ними и опрессовывают жидким диэлектриком под давлением, обеспечивающем заполнение им указанных зазоров. Конструкция высоковольтного импульсного трансформатора показана на чертеже. Трансформатор содержит сердечник 1, на котором размещена высоковольтная обмотка 2. Между рядами обмотки проложена пленка 3 из полимерного материала, например фторопласта. Обмотка пропитана эпоксидным компаундом 4. В местах стыка пленки с эпоксидным компаундом имеются зазоры 5, заполненные жидким диэлектриком 6. Трансформатор помещен в герметичный блок 7. Способ осуществляется следующим образом. На каждый ряд высоковольтной обмотки наматывается один виток фторопластовой пленки толщиной 0,005 мм, шириной большей, чем ширина обмотки. Утолщение пленки приведет к увеличению габаритов трансформатора. После пропитки трансформатора компаундом торцы обмотки протачиваются, чтобы открыть промежутки между фторопластовой пленкой и компаундом, так как последний не имеет адгезии к этой пленке. Для надежного отслоения компаунда от фторопластовой пленки трансформатор подвергают воздействию теплового удара нагреванием до 605оС с последующим охлаждением до минус 605оС, после чего трансформатор опрессовывают жидким диэлектриком под давлением 150 атм. Для этого трансформатор помещают в отдельную форму, заливают жидким диэлектриком при 60о5оС и дают на диэлектрик давление 150 атм в течение 10 ч 5 мин. Затем готовый трансформатор помещают в корпус блока вместе с подсоединенными другими элементами, герметично заваривают корпус и заливают блок жидким диэлектриком известными способами. Таким образом, фторопластовая пленка делит весь объем залитой обмотки трансформатора на объемы, в которых при воздействии температур не возникает термоупругих напряжений, приводящих к возникновению скрытых в толще компаунда трещин и, как следствие этого, к пробоям изоляции. Специально образованные промежутки между фторопластовой пленкой и эпоксидным компаундом в результате их заполнения при опрессовке жидким диэлектрическом повышают электрическую прочность трансформатора. Предлагаемое изобретение позволит увеличить электрическую прочность изоляции импульсных высоковольтных трансформаторов, пропитанных эпоксидным компаундом и работающих в блоке с жидким диэлектриком.

Формула изобретения

1. Высоковольтный импульсный трансформатор, содержащий сердечник с многорядной обмоткой, пропитанной эпоксидным компаундом, и размещенный в блоке с жидким диэлектриком, отличающийся тем, что, с целью повышения электрической прочности в условиях эксплуатации при знакопеременных температурах путем исключения термомеханических напряжений в компаунде, между каждым рядом обмотки размещен обладающий низкой адгезией к эпоксидному компаунду слой полимерного материала с зазором, заполненным жидким диэлектриком. 2. Способ изготовления высоковольтного импульсного трансформатора, при котором на сердечник наматывают многорядную обмотку с изоляцией, пропитывают эпоксидным компаундом, отверждают, размещают в блоке с последующей заливкой его жидким диэлектриком, отличающийся тем, что, с целью повышения электрической прочности в условиях эксплуатации при знакопеременных температурах путем исключения термомеханических напряжений, перед пропиткой на каждый ряд обмотки наматывают слой полимерного материала, обладающего низкой адгезией к эпоксидному компаунду, после отверждения подвергают воздействию знакопеременных температур, обеспечивающих отслоение компаунда от полимерного материала с образованием зазоров между ними, и опрессовывают жидким диэлектриком под давлением, обеспечивающем заполнение им указанных зазоров.

РИСУНКИ

Рисунок 1

Импульсный трансформатор — Википедия. Что такое Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор (ИТ) — трансформатор, предназначенный для преобразования тока и напряжения импульсных сигналов с минимальным искажением исходной формы импульса на выходе.

Описание

Импульсные трансформаторы, предназначенные для трансформирования коротких импульсов с минимальными искажениями и работающие в режиме переходных процессов, находят применение в различных импульсных устройствах[1][2]. Импульсные трансформаторы позволяют изменить уровень и полярность формируемого импульса напряжения или тока, согласовать сопротивление генератора импульсов с сопротивлением нагрузки, отделить потенциалы источника и приёмника импульсов, получить на нескольких раздельных нагрузках импульсы от одного генератора, создать обратную связь в контурах схемы импульсного устройства. Импульсный трансформатор может быть также использован и как преобразовательный элемент, например дифференцирующий трансформатор.

Генерация мощных импульсов современных параметров невозможна без применения высоковольтных импульсных трансформаторов. Получаемая форма выходных импульсов во многом определяется свойствами ИТ, особенно при большом коэффициенте трансформации. Применение выходных повышающих ИТ позволяет резко сократить габариты, вес и стоимость генерирующих устройств[3], хотя и негативно влияет на форму квазипрямоугольных импульсов, увеличивая относительные длительности фронта, среза и неравномерность вершины. В связи с этим величина коэффициента трансформации современных выходных ИТ при длительности импульсов в единицы и десятки микросекунд возрастает до 10 — 20 и более.

Наибольшее распространение получили ИТ, трансформирующие импульсы, по форме близкие к прямоугольным, которые обладают крутым фронтом и постоянством напряжения вершины импульса, необходимыми для работы широкого класса нагрузок. Импульс прямоугольной формы должен быть трансформирован с малыми искажениями, длительность фронта импульса должна быть значительно меньше длительности импульса и переходные процессы при трансформации фронта и вершины импульса рассматриваются раздельно. Эквивалентные схемы ИТ при раздельном рассмотрении переходных процессов упрощаются и позволяют установить связь между параметрами эквивалентных схем и конструктивными параметрами ИТ и найти такие соотношения между ними, при которых удовлетворяются требования к длительности фронта и скосу вершины импульса[4]

Эквивалентные схемы

Трансформация фронта импульса с малыми искажениями достигается при малых значениях индуктивности рассеяния и распределенной ёмкости трансформатора, которые уменьшаются с уменьшением числа витков обмоток и сечения магнитопровода ИТ. В то же время для трансформации вершины импульса с малым спадом следует стремиться к увеличению индуктивности намагничивания трансформатора, возрастающей с увеличением числа витков и сечения магнитопровода.

Удовлетворение одновременно нескольким поставленным требованиям при расчёте ИТ потребует нахождения компромиссного решения. Оно должно быть принято в зависимости от значимости того или иного поставленного требования.

Расчеты ИТ производятся на основе приближённой эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами. Индуктивный эффект и потери в проводах обмоток можно учитывать с помощью известной Т-образной эквивалентной схемы.

Эквивалентная Т-образная схема импульсного трансформатора

Параметры схемы:

Lμ{\displaystyle L_{\mu }} — индуктивность намагничивания трансформатора, учитывающая запасание энергии в основном потоке взаимной индукции магнитопровода при приложении напряжения к первичной обмотке. С потоком в сердечнике связан ток намагничивания, протекающий по первичной обмотке;

Ls1,Ls2{\displaystyle L_{s1},L_{s2}} — индуктивности рассеяния обмоток, учитывающие запасание энергии в потоках рассеяния, связанных с протеканием по обмоткам тока нагрузки;

R1,R2{\displaystyle R_{1},R_{2}} — активные сопротивления проводов обмоток, учитывающие потери при протекании по ним тока нагрузки;

RB{\displaystyle R_{B}} — эквивалентное сопротивление, учитывающие потери энергии в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи.

Наряду с запасанием энергии в магнитных полях, а также потерями в проводах обмоток в ИТ необходимо учитывать запасание энергии в электрических полях между обмоткой и магнитопроводом и между слоями обмоток. Учёт этой энергии производят введением трех ёмкостей, образующих П-образную структуру: C1{\displaystyle C_{1}} — ёмкость первичной обмотки, C2{\displaystyle C_{2}} — ёмкость вторичной обмотки, C1,2{\displaystyle C_{1,2}} — ёмкость между обмотками.

Получившаяся эквивалентная схема ИТ описывается уравнением высокого порядка, что затрудняет анализ в общем виде:

C_{{1,2}} Эквивалентная схема ИТ шестого порядка

Однако без внесения заметной погрешности можно упростить схему, если иметь в виду следующее:

1. Намагничивающий ток составляет обычно небольшую часть тока нагрузки и поэтому можно пренебречь его влиянием на поток рассеяния. Это позволяет перейти от Т-образной схемы из индуктивных ветвей к Г-образной схеме.

2. Так как электрическая энергия пропорциональна квадрату напряжения, то основная её часть запасается в обмотке высшего напряжения. Поэтому П-образная схема ёмкостных элементов замещается одной эквивалентной ёмкостью, подключенной параллельно обмотке высшего напряжения.

3. Число витков обмоток ИТ мало и, следовательно, можно пренебречь при расчётах наиболее важных электрических характеристик сопротивлением обмоток, полагая R1=R2=0{\displaystyle R_{1}=R_{2}=0}. Сопротивление обмоток учитывается при определении потерь.

В результате указанных упрощений, фронт анализируется на основе эквивалентной схемы 2-го порядка с сосредоточенными индуктивностью и ёмкостью, определяемыми из энергетических соображений:

R_{{1}}=R_{{2}}=0 Эквивалентная схема формирования фронта 2-го порядка

Она хотя и удобна для математического описания, но не отражает в полной мере процессы, происходящие при передаче импульса, так как при этом считается, что большая часть электрической энергии паразитной ёмкости запасается в обмотке высшего напряжения.

Между тем использование такой схемы недопустимо при соизмеримости приведенных ёмкостей обмоток, включающих в себя паразитные ёмкости нагрузки и генератора, так как нельзя отдать предпочтение ни одной из ёмкостей. Кроме того, при резком различии приведенных ёмкостей, когда, казалось бы, можно ограничиться одной из них, возможно формирование фронта с паразитными колебаниями, наложенными на самом фронте, а не на вершине. Такие колебания должны быть исключены, например, при импульсной модуляции мощных магнетронных генераторов. Но схема 2-го порядка не только не позволяет определить условия их появления, но даже исключает само их существование. В работах вышеупомянутых авторов такой вид искажения фронта прямоугольного импульса отсутствует. Поэтому надо как минимум учитывать разделение ёмкостей обмоток индуктивностью рассеяния. Следовательно, предпочтительнее рассматривать эквивалентную схему 3-го порядка, как это сделано в работе[5]:

R_{{1}}=R_{{2}}=0 Эквивалентная схема формирования фронта 3-го порядка

L{\displaystyle L} — индуктивность рассеяния;

R{\displaystyle R} — сопротивление обмоток, включающее приведенное сопротивление вторичной обмотки;

Ri{\displaystyle R_{i}} — сопротивление генератора импульсов;

C1{\displaystyle C_{1}} — эквивалентная ёмкость первичной обмотки, включающая выходную ёмкость генератора;

C2{\displaystyle C_{2}} — эквивалентная приведённая ёмкость вторичной обмотки включающая паразитную ёмкость нагрузки.

Виды импульсных трансформаторов

Все конструктивные схемы можно свести к четырём основным[2]:

  1. Стержневой
  2. Броневой
  3. Бронестержневой
  4. Тороидальный

Источники

  1. Матханов П. Н., Гоголицын Л. З. Расчет импульсных трансформаторов. — Энергия, 1980.
  2. 1 2 Вдовин С. С. Проектирование импульсных трансформаторов 2-е изд. перераб. и доп. — Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. — 208 с. с. — ISBN 5-283-04484-X.
  3. Каштанов В. В., Сапрыгин А. В. Возможности снижения массы и габаритов мощных микро-миллисекундных импульсных модуляторов // Вопросы прикладной физики. — 1997. — Т. 3. — С. 75 – 78.
  4. Ицхоки Я. С. Импульсные устройства. — Сов.Радио, 1959. — 729 с.
  5. Каштанов В. В. Анализ фронта выходных импульсов трансформатора. — Радиотехника, 1995. — Т. 12. — С. 38 — 40.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о