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容性負載方波調制高壓變壓器的設計

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-10-21     來源:[標簽:出處]     作者:[標簽:作者]     瀏覽次數(shù):162
核心提示:
摘  要:為解決在靜電陀螺和靜電加速度計等高精度慣性儀表中,方波調制高壓變壓器輸出方波發(fā)生畸變,降低了波形的實際出力系數(shù)的問題,該文對方波變壓器的特性進行分析,得出了影響其波形畸變的各種因素。以此為依據(jù)設計的一種變壓器,獲得了最大輸出電壓1.76 kV、出力系數(shù)0.92、帶寬大干47 kHz的優(yōu)異性能。結果表明,通過對方波變壓器的特性進行分析,選擇合理的參數(shù)和工藝,能夠顯著提高方波的出力系數(shù)。
關鍵詞:高壓變壓器;容性負載;特性分析;出力系數(shù)


    高壓變壓器是交流靜電懸浮系統(tǒng)中的關鍵元件之一,對其要求為輸出電壓高、體積小、效率高、絕緣性能好、制作工藝簡單。交流靜電懸浮系統(tǒng)的調制波有正弦波和方波兩種,其中正弦波出力系數(shù)低,僅用于對承載能力要求不高的場合;方波的突出優(yōu)點是出力系數(shù)大,美國Honeywell公司1960年代末研制的方波靜電懸浮系統(tǒng),出力系數(shù)近0.9,并應用于航空靜電陀螺儀;中國對方波靜電懸浮系統(tǒng)的研究始于l970年代,設計出的方波變壓器出力系數(shù)達0.84。但方波靜電懸浮系統(tǒng)至今在國內仍沒得到應用,究其原因,除相對功耗較大外,方波調制高壓變壓器(以下簡稱方波變壓器)輸出方波波形的畸變導致出力系數(shù)降低也是個重要因素。因此建立方波變壓器的理論模型,分析影響其輸出波形的各種因素,對于方波靜電懸浮系統(tǒng)的研制具有重要意義。


1 方波變壓器的特性分析
   
方波高壓變壓器的T型等效電路如圖l所示。

    圖中ui為初級電壓,u'o為輸出電壓,R1為初級銅阻,Ls為漏感,L1為激磁電感,RT為鐵損分量,C'1為分布電容,R'2為次級銅阻。帶“'”的參數(shù)為折算到初級后的結果。
    這是一個3階網(wǎng)絡,其解析解形式復雜,不利于直接分析電路中各參數(shù)對變壓器輸出波形的影響;而每個方波脈沖都由上升沿、平頂、下降沿3部分組成,導致各部分畸變的主要因素也不同,因此可按方波的3個組成部分分別對圖1進行簡化建模,得出直觀的結果。


1.1 方波上升沿
   
由于高壓變壓器繞組間存在漏感,繞組及高壓引線間存在分布電容,這些寄生參數(shù)的存在,使前沿很陡的方波加到變壓器上時,在變壓器中將產(chǎn)生復雜的振蕩過程。高壓變壓器的激磁電感遠大于漏感,因此在研究方波上升沿形成過程時其分流作用可以忽略不計,此時變壓器等效電路如圖2所示。

    對于高壓變壓器有R1《RT和Ls《RT成立,因此鐵損分量對方波上升沿的影響可以忽略。設輸入為單位電壓,即ui=1;其中ξ為系統(tǒng)阻尼比,ωn為無阻尼自然頻率,則方程的解為:



    不同ξ值時的方波前沿曲線如圖3所示。
    由圖3可知,方波上升沿僅與ξ有關,而ξ與R1及成正比。

1.2 方波平頂
    方波前沿結束后,分布電容上的電壓和流過漏感的電流都達到穩(wěn)定值,且在平頂期間變化不顯著,因此在分析平頂?shù)男纬蛇^程時可忽略分布電容及漏感的影響,則反映方波平頂形成過程的變壓器等效電路如圖4所示。


式中TD=L1/R1,為變壓器電路的低頻時間常數(shù)。
    式(5)表明,方波前沿結束后,變壓器輸出電壓隨時間按指數(shù)規(guī)律下降,而且低頻時間常數(shù)越小,電壓降低的速度越快。設方波周期為T,則方波平頂期間電壓的相對變化量為


式(6)表明,方波平頂降落的大小與R1、T成正比,與L1成反比。因此可采取減小初級銅阻、增大激磁電感和提高變壓器工作頻率的措施減小方波的平頂降落。


1.3 方波下降沿
    方波平頂結束后,變壓器從功率放大電路“斷開”,存儲在激磁電感、漏感、分布電容中的能量就會被釋放出來。反應方波下降沿形成過程的變壓器等效電路如圖5所示。


    由圖6可知方波下降沿僅與δ有關,且δ越大方波下降沿畸變越小。<

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