Лекция 9 импульсные трансформаторы

9.1. Назначение импульсных трансформаторов

Импульсные трансформаторы (ИТ) имеют широкое применение в импульсных устройствах различного назначения. Это:

- системы согласования и гальванической развязки в радиотехнических устройствах;

- компактные высоковольтные импульсные генераторы для проведения испытаний электрической прочности изоляции;

- электроимпульсные технологии;

- импульсные источники ускорителей элементарных частиц;

- генераторы радиолокационных устройств;

- генераторы разогрева плазмы в устройствах термоядерного синтеза и др.

Диапазон мощностей ИТ практически не ограничен. Так в импульсных устройствах разогрева плазмы «Токамаках» мощность достигает сотен мегаватт.

По определению, ИТ должен повысить или понизить амплитуду импульса напряжения на нагрузке, минимально исказив форму трансформируемого импульса. Такому требованию наилучшим образом соответствуют трансформаторы со стальным сердечником.

Специальная особенность ИТ в том, что в них стремятся иметь минимальное отношение потока рассеяния к основному потоку индукции.

9.2. Эквивалентная схема импульсного трансформатора

Трансформатор может быть заменен идеальной схемой замещения (рис. 9.1), в которой потоки рассеяния и сопротивления обмоток заменены соответствующими индуктивностями, а сопротивления обмоток равны нулю. Эти параметры заменены некими нагрузками в обмотках , , где и - индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток, сопротивления обмоток.

Рис. 9.1. Схема идеального трансформатора

В такой схеме ‑ индуктивность намагничивания, по которой проходит намагничивающий ток , ‑ сопротивление, учитывающее потери в трансформаторе на гистерезис и вихревые токи.

и могут быть определены:

, ,

(9.1)

где ‑ составляющая напряжения которая уравнивает э.д.с. индуктируемую в первичной обмотке потоком .

Если вторичная обмотка приведена к первичной, уравнения и схема идеального трансформатора (рис. 9.1Б) имеют вид:

;

(9.2)

Характерной особенностью работы ИТ является влияние паразитных емкостных связей между элементами конструкции трансформатора (рис. 9.2А). Это связи между:

‑ первичной обмоткой и магнитопроводом;

‑ магнитопроводом и вторичной обмоткой;

‑ межвитковые емкости первичной обмотки;

‑ межвитковые емкости вторичной обмотки.

Все эти емкости носят распределенный характер, что усложняет расчеты.

Если пренебречь межвитковыми связями (они не велики) упрощенная схема емкостных связей имеет вид, приведенный на рис. 9.2Б. Магнитопровод ИТ, как правило, заземлен.

Рис. 9.2. Схемы емкостных связей ИТ: полная (А) и упрощенная (Б).

С учетом паразитных емкостей схема замещения ИТ будет иметь вид, приведенный на рис. 9.3. На основе этой схемы рассматриваются все процессы в ИТ.

Следует отметить следующее. В ИТ, работающем в режиме трансформирования импульсов с крутыми фронтами и малой длительностью, т.е. имеющей высокочастотный спектр трансформируемого сигнала, существенную роль играют распределенные емкости и магнитное рассеяние. Более точной схемой замещения является схема с распределенными параметрами. Упрощение схемы до вида, приведеного на рис. 9.3, приводит к погрешностям при анализе в ИТ динамических процессов, однако позволяет получить приемлемые для практических целей результаты.

Рис. 9.3. Эквивалентная схема ИТ.

ИТ входит составным элементом в различных типах генераторов электрических импульсов, выполняя функцию согласующего звена между генератором и нагрузкой. При расчете такой схемы необходимо учитывать не только параметры ИТ, но и особенности генератора и нагрузки. Примером такого использования ИТ является схема на основе формирующей линии, коммутируемой мощной газоразрядной лампой или полупроводниковым прибором, работающим в ключевом режиме (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Схема с ИТ и накопителем ‑ формирующей линией.

В этой схеме ‑ зарядное сопротивление, ‑ индуктивности и емкости соединительных цепей, ‑ формирующая линия, ‑ сопротивление и емкость нагрузки, являющейся в ряде генератором СВЧ, магнетроном, лампой бегущей волны, усилительным клистроном и т.д., ‑ емкость между анодом и катодом коммутирующего прибора.

С учетом приведенных параметров генератора полная приведенная схема замещения, в которую входит ИТ, имеет вид, приведенный на рис. 9.5.

В настоящее время расчет такой схемы не затруднителен. Если ИТ повышающий, паразитные параметры вторичной обмотки значительно превышают те же параметры первичной обмотки и при оценочных расчетах ими можно пренебречь. Тогда упрощенная схема замещения такой цепи с повышающим ИТ имеет вид, приведенный на рис. 9.6А.

Если ИТ понижающий, паразитные параметры больше в первичной обмотке. Тогда упрощенная схема замещения имеет вид, приведенный на рисунке 9.6Б.

Рис. 9.5. Эквивалентная схема замещения цепи с ИТ.

Рис. 9.6. Упрощенная схема замещения: А - с повышающим ИТ, Б – с понижающим ИТ.

Естественно предположить у идеального ИТ ; такая цепь не вносит никаких искажений в трансформируемый импульс.