容性负载方波调制高压变压器的规划
摘 要：为处理在静电陀螺和静电加速度计等高精度惯性外表中，方波调制高压变压器输出方波发作畸变，下降了波形的实践出力系数的问题，该文对方波变压器的特性进行剖析，得出了影响其波形畸变的各种因素。以此为依据规划的一种变压器，获得了最大输出电压1．76 kV、出力系数0．92、带宽大干47 kHz的优异功能。成果标明，经过对方波变压器的特性进行剖析，挑选合理的参数和工艺，能够明显进步方波的出力系数。
高压变压器是沟通静电悬浮体系中的要害元件之一，对其要求为输出电压高、体积小、效率高、绝缘功能好、制造工艺简略。沟通静电悬浮体系的调制波有正弦波和方波两种，其间正弦波出力系数低，仅用于对承载才能要求不高的场合；方波的杰出长处是出力系数大，美国Honeywell公司1960时代末研发的方波静电悬浮体系，出力系数近0．9，并使用于航空静电陀螺仪；我国对方波静电悬浮体系的研讨始于l970时代，规划出的方波变压器出力系数达0．84。但方波静电悬浮体系至今在国内仍没得到使用，究其原因，除相对功耗较大外，方波调制高压变压器(以下简称方波变压器)输出方波波形的畸变导致出力系数下降也是个重要因素。因而树立方波变压器的理论模型，剖析影响其输出波形的各种因素，关于方波静电悬浮体系的研发具有重要意义。
1 方波变压器的特性剖析
方波高压变压器的T型等效电路如图l所示。
图中ui为初级电压,u＇o为输出电压，R1为初级铜阻，Ls为漏感，L1为激磁电感，RT为铁损重量，C＇1为分布电容，R＇2为次级铜阻。带“＇”的参数为折算到初级后的成果。
这是一个3阶网络，其解析解方式杂乱，晦气于直接剖析电路中各参数对变压器输出波形的影响；而每个方波脉冲都由上升沿、平顶、下降沿3部分组成，导致各部分畸变的首要因素也不同，因而可按方波的3个组成部分分别对图1进行简化建模，得出直观的成果。
1．1 方波上升沿
因为高压变压器绕组间存在漏感，绕组及高压引线间存在分布电容，这些寄生参数的存在，使前沿很陡的方波加到变压器上时，在变压器中将发生杂乱的振动进程。高压变压器的激磁电感远大于漏感，因而在研讨方波上升沿构成进程时其分流效果能够疏忽不计，此刻变压器等效电路如图2所示。
关于高压变压器有R1《RT和Ls《RT建立，因而铁损重量对方波上升沿的影响能够疏忽。设输入为单位电压，即ui=1；
其间ξ为体系阻尼比，ωn为无阻尼天然频率，则方程的解为：
不同ξ值时的方波前沿曲线如图3所示。
由图3可知，方波上升沿仅与ξ有关，而ξ与R1及
成正比。
1．2 方波平顶
方波前沿完毕后，分布电容上的电压和流过漏感的电流都到达安稳值，且在平顶期间改变不明显，因而在剖析平顶的构成进程时可疏忽分布电容及漏感的影响，则反映方波平顶构成进程的变压器等效电路如图4所示。
式中TD=L1/R1，为变压器电路的低频时刻常数。
式(5)标明，方波前沿完毕后，变压器输出电压随时刻按指数规则下降，并且低频时刻常数越小，电压下降的速度越快。设方波周期为T，则方波平顶期间电压的相对改变量为
式(6)标明，方波平顶降落的巨细与R1、T成正比，与L1成反比。因而可采纳减小初级铜阻、增大激磁电感和进步变压器作业频率的办法减小方波的平顶降落。1．3 方波下降沿
方波平顶完毕后，变压器从功率放大电路“断开”，存储在激磁电感、漏感、分布电容中的能量就会被释放出来。反响方波下降沿构成进程的变压器等效电路如图5所示。
由图6可知方波下降沿仅与δ有关，且δ越大方波下降沿畸变越小。
归纳以上剖析可知，变压器的各参数对输出方波的影响如下：
1)激磁电感L1首要影响方波平顶和下降沿，其值越大，平顶降落和下降沿畸变越小；
2)分布电容C＇1首要影响方波前后沿，其值越小，方波上升和下降时刻越短；
3)初级铜阻R1首要影响方波上升沿和平顶，其值越小，方波上升时刻越短，平顶降落越小；
4)漏感Ls首要影响方波上升沿，从减小上升时刻和改善振动考虑对其有不同要求，且在变压器加工进程中漏感和发布电容的操控相冲突，因而在规划时可不将其作要点操控目标，随后依据试验状况调整体系参数削弱其晦气影响；
5)铁损重量RT首要影响方波下降沿，但其首要由铁芯资料和变压器作业频率决议。
2 变压器规划与功能剖析
2．1 变压器规划
归纳考虑体系带宽、功耗及变压器体积约束，方波变压器的适合作业频率为1．5～4．O kHz；在铁心选材方面，数据标明，在铁氧体、玻莫合金、非晶和微晶合金等铁磁资猜中，微晶合金具有磁导率高、饱满磁通密度大、电阻率大和比损耗小的长处，是制造方波变压器铁心的抱负资料；为简化制造工艺，变压器选用了C型铁心和同轴圆筒式绕组结构，并选用双线并绕和分层分段绕制工艺。经重复核算和屡次改善后，变压器的终究结构参数如表l所示。
2．2 功能剖析
衡量变压器功能的首要目标包含出力系数、最大输出电压、通频带宽度和功耗等。
1)出力系数
出力系数又称为力-电压系数，是表征波形承载才能的量值。因为静电力与所施加电压的平方成正比，波形出力系数的界说为
式中um为电压幅值。
当u(t)=umsinωt时，kf=0．5。方渡变压器典型输出波形如图7所示，其上升沿、平顶和下降沿可分别看作一段直线，则由式(11)可导出其出力系数为
式中：T为方波周期，tr为上升时刻，td为下降时刻，△为平顶相对改变量。
关于抱负方波，tr=td=0，△=O，则kf=1。实测变压器带75 pF负载作业于1．6 kHz时，输出波形如图7所示，tr=8．0μs，td=4．8 μs，△≤5％，则其出力系数为kf≈O．92。
2) 变压器其它功能目标
变压器空载和带额定负载时的频率特性曲线如图8所示。从图8能够看出：1)变压器在通频带内具有杰出的带通特性；2)变压器空载时通频带为92．6 kHz，带负载后为47．1 kHz；3)因为负载为电容性，变压器带负载后串、并联谐振频率下降，实测空载时的串、并联谐振频率分别为58．0 kHz、3．10 kHz，带负载后串、并联谐振频率降为30．1kHz、1．6 kHz。
变压器带负载后输出800 V时功耗为3．24 W最大输出电压1．76 kV时的功耗为6．91W。
3 结 论
本文依据方波的3个组成部分树立了上升沿、平顶和下降沿构成时的变压器模型，剖析了变压器各参数对输出波形的影响，为方波变压器的规划和功能优化供给了理论依据。以此为辅导规划的一种方波变压器，获得了最大输出电压1．76 kV，带宽47 kHz，出力系数0．92的优异功能。
