Высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния

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, о...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автор:	Иванов, В.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2010
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електричні машини та апарати
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143385
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния / В.М. Иванов // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 5. — С. 17-20. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-143385
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1433852018-11-01T01:23:08Z Высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния Иванов, В.М. Електричні машини та апарати 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. 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. 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. 2010 Article Высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния / В.М. Иванов // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 5. — С. 17-20. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143385 621.314.21 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Иванов, В.М. Высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния Електротехніка і електромеханіка
description	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.
format	Article
author	Иванов, В.М.
author_facet	Иванов, В.М.
author_sort	Иванов, В.М.
title	Высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния
title_short	Высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния
title_full	Высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния
title_fullStr	Высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния
title_full_unstemmed	Высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния
title_sort	высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143385
citation_txt	Высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния / В.М. Иванов // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 5. — С. 17-20. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT ivanovvm vysokovolʹtnyeimpulʹsnyetransformatorysnizkojinduktivnostʹûrasseâniâ
first_indexed	2025-07-10T17:04:02Z
last_indexed	2025-07-10T17:04:02Z
_version_	1837280311302422528
fulltext	ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №5 17 УДК 621.314.21 В.М Иванов ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ С НИЗКОЙ ИНДУКТИВНОСТЬЮ РАССЕЯНИЯ Створені оригінальні високовольтні імпульсні трансформатори з низькою індуктивністю розсіювання, які використову- ються в різноманітних генераторах високовольтних імпульсів, у тому числі для технологічних установок, що призначе- ні для обробки різних матеріалів і продуктів харчування, отримання озону, очищення рідких і газоподібних відходів. Созданы оригинальные высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеивания, кото- рые 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 газо- образных 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 трансформа- торы. Использование высоковольтных импульсных трансформаторов часто является более предпочти- тельным по сравнению с другими схемами умноже- ния 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 перенапря- жение для формирования выходного напряжения с большой крутизной фронта. Отсюда следует, что высо- ковольтный импульсный трансформатор должен быть достаточно компактным с целью получения минималь- ного рассеивания магнитного потока и, следовательно, минимизации времени нарастания на его выходе. Целью работы является создание трансформа- торного импульсного мегавольтного генератора с временем tф нарастания импульсов на емкостной на- грузке ≈1 нФ tф≈250 нс. В схемах генераторов мегавольтного уровня на- пряжений с короткими временами нарастания напря- жения на емкостной нагрузке трудно изготовить один импульсный трансформатор с коэффициентом транс- формации ≈100 и низкой индуктивностью рассеива- ния. В таких схемах лучше использовать несколько (например, два) импульсных трансформаторов каж- дый с коэффициентом трансформации ≈10, что иллю- стрирует рис. 1. В такой схеме первичный накопитель энергии С0 разряжается через коммутатор Р0 на низ- ковольтную первичную обмотку первого импульсного трансформатора ИТ1. Первый импульсный трансфор- матор ИТ1 заряжает промежуточный емкостной на- копитель С1, который затем разряжается через ком- мутатор Р1 на низковольтную первичную обмотку второго импульсного трансформатора ИТ2 с низкой индуктивностью рассеивания для более быстрой за- рядки высоковольтной формирующей выходной ем- кости С2 генератора. После достижения напряжения на С2 требуемой величины происходит разряд емко- сти С2 через сработавший выходной коммутатор Р2. Рис. 1. Схема генератора КОНСТРУКЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРА Для получения мегавольтного уровня напряже- ния на выходе генератора по схеме на рис. 1 были спроектированы и изготовлены два импульсных трансформатора имеющие одинаковый коэффициент трансформации n = w2/w1 = 10,3. Число витков в пер- вичной обмотке каждого трансформатора w1 = 3, а во вторичной обмотке w2 = 31. Напряжение первичной обмотки 10 и 100 кВ, а вторичной 100 и 1000 кВ соот- ветственно. Методика расчета импульсных трансфор- маторов описана в [4, 5]. Для изготовления магнитопровода (сердечника) импульсных трансформаторов была использована электротехническая сталь толщиной 80 мкм и шири- ной ленты 40 мм. Составной сердечник выполнен из 8 сердечников малого размера с внутренним окном 125×125 мм и сечением 35×40 мм2. Каждый сердеч- ник малого сечения соединен с другими сердечника- ми как показано на рис. 2. В результате этого образу- ется один составной "крестообразный" сердечник с габаритными размерами 430×430 мм. Для снижения напряженности электрического поля на острых краях сердечника последние закрыты градиентными экранами с закруглениями. Экран из- готовлен из латуни толщиной 1 мм. Первичные обмотки импульсных трансформато- ров 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 δ = 20 мкм. Для уменьшения индуктивно- сти подвода расстояние между вводами обмотки сде- лано минимальным. Для этого между витками пер- вичной обмотки и низковольтным вводом, проложен- ным под обмоткой, уложено 10 слоев фторопластовой 18 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №5 пленки. Вторичные обмотки намотаны в один слой на изоляторах из оргстекла, которые уложены на пер- вичную обмотку, проводом МПО-33-11 во фторопла- стовой изоляции. Вторичная обмотка импульсного трансформатора ИТ2 намотана на изоляторах в виде пирамиды. Для снижения напряженности поля на вы- соковольтном конце обмотки последний виток вы- полнен проводом большего диаметра, а вывод обмот- ки 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 намота- ны встречно (см. рис. 2). A A A-A 90 430 125 – Направление магнитного потока 140 Рис. 2. Импульсный трансформатор ИТ1 Высокое напряжение, прикладываемое к обмот- кам импульсного трансформатора, воздействует на изоляцию, разделяющую обмотки между собой и ка- ждую обмотку относительно сердечника. В качестве основной изоляции в трансформаторе используется трансформаторное масло. Трансформатор закреплен в металлическом кор- пусе. На рис. 3 приведены фотографии импульсных трансформаторов ИТ1 (рис. 3,а) и ИТ2 (рис. 3,б), за- крепленных в корпусе, но не залитых трансформатор- ным маслом. Индуктивность рассеивания импульсного транс- форматора с сердечником, несущим на одном стержне две обмотки в виде однослойных соленоидов высотой h, приведенная ко вторичной обмотке рассчитывается при помощи соотношения [4]: ( )[ ] ,321 2 20 hDDdgwLs ++μ= где μ0=4π×10-7 Гн/м, w2 – число витков вторичной обмотки, g – периметр вторичной обмотки, D1, D2 – диаметры проводов первичной и вторичной обмоток, d – расстояние между обмотками. Рассчитанная индуктивность рассеивания им- пульсного трансформатора, приведенная ко вторич- ной обмотке, составила 4,75×10-5 Гн. а б Рис. 3. Фотографии импульсных трансформаторов ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СХЕМА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ Для проведения экспериментальных исследова- ний импульсного трансформатора на низком напря- жении была собрана экспериментальная схема, пока- занная на рис. 4. ЗУ БУ С0 С1 ~220 В ИТ К ЭО R Рис. 4. Схема для исследований импульсного трансформатора: ЗУ – зарядное устройство, БУ – блок управления, С0, С1 – накопительная и нагрузочная емкости соответственно, R – 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 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №5 19 С0 от зарядной цепи к первичному контуру испытуе- мого импульсного трансформатора ИТ. Накопитель- ный конденсатор С0 разряжался на исследуемый им- пульсный трансформатор ИТ через который заряжал- ся накопительный конденсатор С1. Эквивалентная схема разряда накопительного конденсатора через импульсный трансформатор на нагрузочную емкость (без учета индуктивности на- магничивания трансформатора) приведена на рис. 5. С0 С1' L R Рис. 5. Эквивалентная схема разрядного контура: R – эквивалентное сопротивление разрядного контура, L – 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 ну- ля, или же при разряде получаются колебания, т. е. конденсатор разряжается до нуля, затем начинает за- ряжаться в противоположном направлении, потом опять разряжается, заряжается и т.д. При параметрах схемы удовлетворяющих соот- ношению 1/LC > r2 / 4L2, где С – эквивалентная ем- кость 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 R-L-C1', где C1' – приведенная нагрузочная ем- кость, от величины нагрузочной емкости зависит ве- личина максимального напряжения, до которого на- грузочная 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, по- казанный на рис. 6. Предварительные испытания импульсного трансформатора ИТ2 проводились на низком напря- жении 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 нагрузоч- ной емкости составил 1,23 мкс. Индуктивность Lэ все- го разрядного контура рассчитывалась по формуле CTL 22 э 4π= , (1) где T – период колебаний, С – эквивалентная емкость разрядного контура (4,37×10-5 Гн). 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 напряже- ния на емкости равной 20 нФ во вторичной обмотке трансформатора при емкости в первичной обмотке трансформатора равной 2 мкФ. Из полученных ос- циллограмм видно, что при подключении всех четы- рех обмоток (рис. 7,а) период колебаний составил 4 мкс, при подключении двух обмоток (рис. 7,б) пе- риод составил 5 мкс, а при подключении одной об- мотки (рис. 7,в) период составил 7 мкс. Рассчитанный период колебаний передаваемого импульса из (1) со- ставил: для четырех обмоток – 4,33 мкс, для двух об- моток – 6,12 мкс и для одной обмотки – 8,66 мкс. 4 мкс 5 мкс 7 мкс а в б Рис. 7. Осциллограммы импульсов напряжения на вторичной обмотке импульсного трансформатора ИТ2 (цена деления 2 мкс) 20 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №5 При работе импульсного трансформатора ИТ1 в составе установки по генерированию импульсов высо- кого напряжения, после заряда емкостного накопителя и его разряда через управляемый разрядник Р0, на пер- вичную обмотку подавался импульс напряжения ам- плитудой 8,6 кВ. К вторичной обмотке была подклю- чена 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 срабатыва- ния управляемого разрядника Р1 и обусловлены нано- секундным временем его коммутации. После сраба- тывания разрядника Р1 импульсное напряжение пода- валось на первичную обмотку ИТ2. При этом на вто- ричной обмотке ИТ2, нагруженной на С2, создавалось импульсное напряжение с амплитудой до 800 кВ. По- сле срабатывания разрядника Р2 это импульсное на- пряжение с обостренным фронтом подавалось на на- грузку Z. При напряжении срабатывания Р1 100кВ на С2 можно получить напряжение 1 МВ и более. 8,6 кВ 1 мкс 80 кВ 1 мкс а б Рис. 8. Осциллограммы импульсов напряжения на обмотках импульсного трансформатора ИТ1 при работе в составе установки по генерированию импульсов напряжения ВЫВОДЫ 1. Созданы высоковольтные импульсные транс- форматоры (на 100 и 1000 кВ) с низкой индуктивно- стью рассеивания для импульсного мегавольтного генератора. 2. Оригинальность конструкции созданных трансформаторов, состоящая в том, что части как вто- ричной, так и первичной обмоток разнесены и распо- ложены 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 включен- ными четырьмя обмотками каждого из двух импульс- ных трансформаторов индуктивность разрядного кон- тура уменьшилась в ≈3 раза. 3. Использование двух импульсных трансфор- маторов с коэффициентами трансформации n = 10 у каждого позволило создать компактный трансформа- торный импульсный мегавольтный генератор с вре- менем tф нарастания импульсов на емкостной нагруз- ке ≈1 нФ tф ≈ 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 техно- логии для решения проблемы отходов / Мир техники и тех- нологий. – №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 импульс- ных электрических полей и искровых разрядов / Техниче- ская 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 универси- тета "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.

Высоковольтные импульсные трансформаторы с низкой индуктивностью рассеяния

Репозитарії

Схожі ресурси