?。ㄖ袊?guó)工程物理研宄院應(yīng)用電子學(xué)研宄所，高功率微波技術(shù)。圖中，C1為初級(jí)儲(chǔ)能電容，初級(jí)電壓為U0；C2為調(diào)諧電容，其電壓為U2；C3為負(fù)載電容，一般為形成線負(fù)載或傳輸線負(fù)載電容，其電壓為U2；L1為空芯變壓器初級(jí)繞組電感；L2為空芯變壓器次級(jí)繞組電感；M為空芯變壓器互感。此電路所具有3個(gè)本征頻率為及。當(dāng)能量傳輸效率為100%，也即電容器C1存貯的能量100%地傳遞到負(fù)載電容C3上時(shí)，電路發(fā)生諧振。此時(shí)，電容器C1及C2上的電壓、電流為零而C3上的電壓達(dá)到比較大值，電流為零。這種情況只能在3個(gè)本征頻率（假設(shè)<奶<）滿足，男，博士，從事脈沖功率技術(shù)研究；aeplm163.com，各電容的電壓的表達(dá)式為典型的波形如所示，其中了為周期。由可以看出，U2和U3比較大值的比為0. 36：1.00，也就是說(shuō)空芯變壓器上比較大所承受的電壓僅為負(fù)載上比較大電壓的36%，即理論上可以將空芯變壓器的輸出電壓提高到原電壓的2.77倍，這樣就大大減小了空芯變壓器高壓線圈上的耐壓，而相對(duì)于變壓器高壓線圈來(lái)說(shuō)，因不用考慮磁場(chǎng)耦合等因素，調(diào)諧電感的絕緣更容易滿足要求，這樣就增強(qiáng)了整個(gè)裝置的穩(wěn)定性。

　　2三諧振脈沖變壓器設(shè)計(jì)本文在負(fù)載不變的情況下，將己有350kV空芯變壓器設(shè)計(jì)成三諧振脈沖變壓器，一方面驗(yàn)證理論及模擬結(jié)果的正確性，另一方面驗(yàn)證將任意一臺(tái)雙諧振脈沖變壓器改造成三諧振脈沖變壓器的可行性。

　　2.1參數(shù)設(shè)計(jì)本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將一臺(tái)現(xiàn)有的空芯變壓器改造成三諧振脈沖變壓器，對(duì)于給定的空芯變壓器而言，己確定的參數(shù)為空芯變壓器的初次級(jí)電感及耦合系數(shù)、初級(jí)回路雜散電感及電阻、負(fù)載電容值等，還需要設(shè)計(jì)的參數(shù)為初級(jí)電容值、調(diào)諧電感及調(diào)諧電容。

　　然而，對(duì)于任意一臺(tái)雙諧振變壓器改造而成的三諧振脈沖變a'4，uL壓器，其3個(gè)固有頻率比不可能正好是1：2：3，而且需要考慮各種雜散參數(shù)。由理論分析可知，很難直接通過(guò)計(jì)算得到各個(gè)參數(shù)的確定值，因此，本文提出了迭代模擬法進(jìn)行求解，具體設(shè)計(jì)思路1為：1）假定所設(shè)計(jì)的三諧振脈沖變壓器的3個(gè)固有頻率比為1：3，根據(jù)理論分析所得的參數(shù)關(guān)系，得到一組理論設(shè)計(jì)值；（2）然后將理論設(shè)計(jì)值輸入Pspce程序，進(jìn)行電路模擬，模擬時(shí)要考慮己Fg.3erutoftrpleeoaneple知的各種電路參數(shù)，模擬電路圖如所示，圖中，i1和私分別為初級(jí)和次級(jí)回路電阻，包括初級(jí)和次級(jí)繞組的電阻、導(dǎo)線及開關(guān)三諧振變壓器模擬電路的電阻，風(fēng)為調(diào)諧電感L的電阻，Lk1為初級(jí)回路雜散電感，包括初級(jí)漏感及導(dǎo)線和開關(guān)的電感，LS2為二級(jí)回路雜散電感；3）再根據(jù)理論分析所得各參數(shù)變化的規(guī)律進(jìn)行判定，調(diào)整調(diào)諧電感、調(diào)諧電容及初級(jí)電容的數(shù)值，再次進(jìn)行電路模擬，比較終使三諧振脈沖變壓器輸出電壓達(dá)到比較大值時(shí)，初級(jí)電容和空芯變壓器高壓繞組上的電壓近似為零，從而確定所設(shè)計(jì)的各參數(shù)的值。其流程圖如所示。

　　己有空芯變壓器的參數(shù)為：初級(jí)電感L1=330nH，次級(jí)電感L2=128.0mH，耦合系數(shù)L=. 597；負(fù)載電容為80pF.按表1計(jì)算可得各參數(shù)的理論設(shè)計(jì)值為（計(jì)算時(shí)假定L=. 67）：初級(jí)電容C根據(jù)實(shí)際電容的大小，確定初級(jí)電容0=60pF.取Lkl=110nH，Ri=30mn，初級(jí)電容充電1kV時(shí)，模擬所得三諧振脈沖變壓器的波形如（a）所示。由圖可以看出，當(dāng)三諧振脈沖變壓器輸出電壓Uc3達(dá)到比較大時(shí)，空芯變壓器高壓繞組有負(fù)的剩余電壓存在，故應(yīng)該增大調(diào)諧電容C2的值；此外，1/.2第2個(gè)波峰的時(shí)間超前于Uc3達(dá)到比較大值的時(shí)間，故應(yīng)該增大調(diào)諧電感L3的值。

　　按照上述方法，經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代模擬，比較后確定的三諧振脈沖變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)為：初級(jí)儲(chǔ)能電壓U=1kV，變壓器工作電壓R= 500kV，初級(jí)儲(chǔ)能電容C1=60PF，調(diào)諧電容C2=180pF，初級(jí)線圈電感L1=330nH，次級(jí)線圈電感L2=128.0mH，負(fù)載電容C3=80pF，調(diào)諧電感L3=248.0mH，初級(jí)附加電感Lk1=110nH，互感M=121.8pH，初級(jí)加路電阻=30mn，費(fèi)合系數(shù)々m=0.597.當(dāng)初級(jí)電容充電1kV時(shí)，模擬所得三諧振脈沖變壓器的波形如（b）所示。由圖可知，負(fù)載電壓比較大時(shí)（比較大電壓為521.8kV）初級(jí)電容上的電壓和空芯變壓器次級(jí)輸出電壓基本為0，說(shuō)明此組參數(shù)基本滿足三諧振條件。此時(shí)，空芯變壓器次級(jí)上的比較大電壓為203.8kV，負(fù)載比較大電壓為其的2. 56倍，與理想的三諧振變壓器相當(dāng)，三諧振脈沖變壓器能量傳輸效率為36. 3%.由此可知，將任意一臺(tái)雙諧振脈沖變壓器改造成三諧振脈沖變壓器在理論上是可行的。

　　2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三諧振脈沖變壓器結(jié)構(gòu)示意圖如所示。在圖中，調(diào)諧電容器放置于空芯變壓器高壓繞組內(nèi)部，這樣調(diào)諧電容器不用單獨(dú)占用空間，使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，另外也便于連線和絕緣設(shè)計(jì)；周諧電感因?yàn)榻^緣的需要，單獨(dú)放置于一個(gè)腔體內(nèi)。為了測(cè)量的需要，在調(diào)諧電容與調(diào)諧電感之間加入一段測(cè)量段來(lái)測(cè)量空芯變壓器高壓繞組上的電壓，此測(cè)量段對(duì)變壓器的工作性能沒(méi)有影響。空芯變壓器高壓繞組輸出電壓波形及負(fù)載電容上電壓波形的測(cè)量均采用電容分壓器加二級(jí)電阻分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　調(diào)諧電容設(shè)計(jì)根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，為了將調(diào)諧電容放置于錐形高壓繞組內(nèi)部，就要求調(diào)諧電容總體長(zhǎng)度略大于繞組骨架的長(zhǎng)度，而且必須小于外筒的長(zhǎng)度。另外，為了不影響錐形高壓繞組的工作狀態(tài)，要求調(diào)諧電容的徑向尺寸盡量小，且要滿足絕緣要求。比較終選擇用陶瓷電容器串聯(lián)組合成所需的調(diào)諧電容，其結(jié)構(gòu)示意圖如所示。調(diào)諧電容由11個(gè)2.1nF/50kV的陶瓷電容器串聯(lián)而成，整體裝配于有機(jī)玻璃筒中，兩端連接銅電極，設(shè)計(jì)總電容值為190. 1pF，理論上調(diào)諧電容的比較大耐壓值為550kV，考慮到電容串聯(lián)后電壓分布的不均勻性，整個(gè)電容器組可以耐受300kV的設(shè)計(jì)電壓。

　　調(diào)諧電感設(shè)計(jì)調(diào)諧電感L設(shè)計(jì)值為200mH，耐壓要求大于650kV，此高壓大電感是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。經(jīng)綜合考慮，采用多層空芯線圈繞制此電感，其結(jié)構(gòu)示意圖如所示。調(diào)諧線圈用尼龍做骨架，共5層，每層尼龍的厚度為20mm，兩層之間有4mm的間隙作為油道，層間耐壓大于200kV.電感采用線徑1mm的聚氨酯漆包銅圓線QZ-3，其有效擊穿電壓為7.1kV，每層匝數(shù)約為450匝，總匝數(shù)為2 250匝。按每層耐壓200kV計(jì)算，匝間平均電壓為0.44kV，于是匝間電壓的安全因子高達(dá)7. 1/0.44=16，滿足匝間絕緣要求。

　　3.空芯變壓器輸出電壓比較大值U2為194.6kV，負(fù)載電壓第2峰U32為279.6kV，U32/U2=1.44，第3峰為U33為311.8kV，U33/U2=1.60由圖可知，調(diào)諧電感分布電容為50卩時(shí)，尺1=1.48，尺2=1.7，與，初級(jí)電容充電1 300V時(shí)，空芯變壓器輸出電壓比較大值U2為310kV，負(fù)載電壓比較大值為620.1kV，負(fù)載電壓的比較大值和錐形繞組輸出電壓的比較大值的比值比較大為2.0，此時(shí)調(diào)諧電感的調(diào)諧電容約為18.7pF，根據(jù)0可知，負(fù)載電壓的比較大值和錐形繞組輸出電壓的比較大值的比值為2.23，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

　　4結(jié)論本文設(shè)計(jì)了基于空芯變壓器的三諧振脈沖變壓器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的三諧振脈沖變壓器輸出電壓的峰值比較大可以達(dá)到錐形高壓繞組輸出電壓的2倍，系統(tǒng)比較大工作電壓可達(dá)600kV.實(shí)驗(yàn)和理論的結(jié)果都說(shuō)明，將任意一臺(tái)雙諧振脈沖變壓器改造成三諧振脈沖變壓器具有可行性。