ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2002 года по МПК H01F19/08 

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники, а именно к высокочастотным высоковольтным импульсным трансформаторам с замкнутым сердечником с зазором в высоковольтных однотактных схемах преобразования постоянного напряжения в высоковольтное импульсное и может быть использовано в малогабаритных преобразователях схем электропитания различных устройств, например, электрошоковых устройств (ЭШУ), газовых лазеров.

Традиционная схема однотактного преобразователя включает в себя источник постоянного электропитания (ИПЭ), управляемый ключ, схему управления ключом, высокочастотный высоковольтный импульсный трансформатор (ВВТ), две обмотки которого расположены на замкнутом сердечнике.

Общая задача, решаемая схемой преобразователя, формулируется следующим образом.

Заданную мощность источника постоянного напряжения Р_n, характеризуемую напряжением U_n и допустимым средним током потребления i, необходимо передать в виде импульсов высокого напряжения амплитудой U₂ (режим холостого хода) в нагрузку. При этом следует учитывать следующее принципиальное для малогабаритных конструкций требование: преобразователь должен иметь минимально возможные массогабаритные характеристики и, следовательно, конструкция ВВТ, обладающая наибольшими массогабаритными показателями из всех элементов преобразователя, должна иметь минимально возможные габариты.

Известны однотактные преобразователи в схемах питания ЭШУ "Тандер", "Скорпион", "Мальвина", использующие конструкцию ВВТ, содержащую замкнутый сердечник с зазором, первичную и вторичную обмотки. В качестве сердечника в этих ВВТ использован ферритовый сердечник типа Кв 10 с характерными внешними размерами 27 х 27 х 19.

К недостаткам этой конструкции ВВТ следует отнести то, что типоразмер сердечника в 1,5-2 раза превосходит размер, необходимый для 100%-ной передачи мощности ИПЭ, используемых в данных ЭШУ. Кроме того, из-за отсутствия оптимизации величины количества витков первичной обмотки преобразователь с данным ВВТ обладает низким КПД (менее 60%) при больших средних токах потребления (более 1 А), что крайне отрицательно сказывается на условиях работы источника постоянного тока.

В патенте Российской Федерации 2069021, кл. H 10 F 19/08, 1996 (Высокочастотный импульсный трансформатор) предложена оптимизированная конструкция высоковольтного высокочастотного импульсного трансформатора и дано оптимальное соотношение длины обмотки L к ее среднему диаметру Д, как для первичной обмотки, так и для вторичной. Однако данные величины характеризуют только геометрию магнитного поля, определяя коэффициент магнитной связи (взаимную индуктивность и индуктивность рассеивания) обмоток. Величина числа витков n₁ в первичной обмотке, а также связь этой величины с характеристиками используемого сердечника и параметрами схемы генератора полностью отсутствуют. Используя соотношение между L и Д невозможно выбрать оптимальное значение величины n₁ для высоковольтного высокочастотного трансформатора в схеме однотактного преобразователя.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому устройству является ВВТ, используемый в преобразователе ЭШУ "Air Taser" по патенту США 5786546, МКИ F 42 B 005/03, опубл. 28.07.98, содержащий замкнутый сердечник с зазором, первичную и вторичную обмотки. Из всех перечисленных выше устройств данный преобразователь обладает наиболее высоким КПД преобразования мощности источника питания (источник постоянного тока "Energaizer" - 9 В) в высоковольтные импульсы. Мощность, потребляемая от источника преобразователем, составляет Р_п= U_пi=8 В•1,2 А=9,6 Вт, амплитуда импульсов напряжения высоковольтного высокочастотного трансформатора в режиме холостого хода U₂=2 кВ, а КПД преобразователя - 73%.

Исследование параметров ВВТ, выполненного на ферритовом сердечнике Ш 6 x 6 с полным объемом 24 x 24 x 19 и характеристик высокочастотного преобразователя ЭШУ "Air Taser" показали, что конструкция трансформатора (число витков n₁, диаметр первичной обмотки и величина зазора) не оптимизирована. Число ампервитков в первичной обмотке не соответствует предельно допустимой напряженности магнитного поля в сердечнике при выбранном зазоре d, диаметр первичной обмотки неоправданно завышен. Это, в свою очередь, приводит к завышенному потреблению среднего тока от источника питания (1.2 А), заниженной величине КПД и, как следствие этого, уменьшает срок службы источника и снижает потребительские характеристики ЭШУ.

Целью изобретения является повышение КПД преобразователя постоянного напряжения в высоковольтное импульсное напряжение при минимально возможных габаритах устройства, для этого число витков n₁ первичной обмотки высокочастотного высоковольтного импульсного трансформатора, содержащего замкнутый сердечник с зазором и две обмотки, в схеме однотактного преобразователя напряжения, выбрано из условия

где d - величина зазора в сердечнике, α - коэффициент формы обмотки, Нp - рабочая напряженность магнитного поля сердечника без зазора, соответствующая величине индукции насыщения В_м материала сердечника, μ_c - относительная магнитная проницаемость материала сердечника, I - амплитуда тока в первичной обмотке, причем величина зазора выбирается не более 0,03 эффективной длины магнитной линии сердечника, а коэффициент формы обмотки равен от 1 до 1,2.

Авторам неизвестны технические решения с указанной в формуле изобретения совокупностью признаков, направленные на достижение той же цели, что и в заявляемом в качестве изобретения объекте, поэтому предлагаемое техническое решение отвечает критерию "существенные отличия".

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство ВВТ. Первичная обмотка 1 и вторичная обмотка 2 выполнены по типу слоевой намотки шириной l. Сердечник 3 ВВТ выполнен с зазором d, l₁ - межобмоточная изоляции ВВТ, а l₂ - межслоевая изоляция вторичной обмотки, ▿ - изоляция между витками первичной обмотки и сердечником ВВТ.

Получение повышенного КПД преобразователя, использующего оптимизированный ВВТ, при его минимально возможных габаритах поясняется ниже.

Исходя из задачи, решаемой преобразователем: передача максимальной мощности источника постоянного тока нагрузке в виде высоковольтных импульсов амплитудой U₂, можно задать величины, необходимые для создания оптимальной конструкции ВВТ, а именно:
1. ВВТ должен передавать мощность
P_Т ≅ U_n•i;
2. Частота следования высоковольтных импульсов должна быть равна
f=1/Т, где Т - период;
3. Коэффициент трансформации ВВТ должен обеспечивать
k=U₂/U₁=n₂/n₁.

Кроме того, к заданным величинам следует добавить требование минимально возможных габаритов, а следовательно, и минимально возможных размеров сердечника ВВТ, а также минимально возможное число витков первичной (n₁) обмотки.

Для реализации передачи заданной мощности, на частоте f, в выбранном сердечнике необходимо в каждом импульсе запасать определенное количество энергии. Исходя из закона электромагнитной индукции и общих уравнений электротехники можно показать, что амплитуда импульса тока (I), необходимая для "накачки" максимальной мощности, составляет

где i - ток, потребляемый от источника постоянного тока, Т - период следования импульсов, t_И - длительность импульса "накачки" (t_И< Т).

Данная амплитуда тока соответствует предельно допустимой величине напряженности магнитного поля в первичной обмотке трансформатора, не приводящей к насыщению сердечника, следовательно, можно определить оптимальное число витков первичной обмотки как

где Нр - рабочая напряженность магнитного поля, соответствующая величине В_м для сердечника без зазора, μ_c - относительная магнитная проницаемость используемого материала сердечника, d - величина зазора в сердечнике. Отметим важный при конструировании трансформаторов факт: величины Нр, μ_c являются величинами, заданными ГОСТом для материала сердечника и приводятся в справочниках.

Экспериментальные исследования, проведенные авторами изобретения, показали, что увеличение величины зазора d более 0,03 эффективной длины магнитной линии сердечника, с целью повышения плотности запасаемой в сердечнике энергии, не приводит к положительному результату, так как потери, связанные с потоками рассеивания, превышают положительный эффект. К аналогичному результату приводит наличие изоляции (см. чертеж, изоляционный зазор ▿) между витками первичной обмотки и сердечником. Компенсировать эти потери авторы изобретения смогли за счет увеличения числа витков первичной обмотки, т.е. введения в формулу (2) поправочного коэффициента α - коэффициента формы обмотки. Тогда оптимальное число витков первичной обмотки определяется из следующего выражения:

где [Hp] - A/м, [I] - A, [d] - м, μ_c,α - безразмерные величины; n₁ - безразмерная величина, численно равная количеству витков первичной обмотки.

Значение поправочного коэффициента α (коэффициент формы обмотки) зависит от соотношения величин диаметра обмотки и эффективной длины магнитной линии сердечника, величины изоляционного зазора ▿, плотности заполнения витками объема обмотки. В случае идеальной обмотки (▿=0, между витками обмотки в слое нет зазора, длина эффективной магнитной линии сердечника много больше диаметра обмотки) величина α = 1. По мере увеличения выходного напряжения трансформатора растет величина ▿, появляются изоляционные зазоры между витками, что приводит к росту величины α".

Анализ экспериментальных результатов, полученных при различных значениях величины ▿, позволил установить диапазон изменения α, приводящий к положительному эффекту, от 1 до 1,2. При этом уменьшение величины α менее 1 уменьшает КПД устройства, а увеличение более 1,2 приводит к неоправданному завышению числа витков первичной обмотки и, как следствие этого, к увеличению габаритов устройства.

Замена трансформатора, в схеме высокочастотного преобразователя ЭШУ "Air Taser", на вариант трансформатора, удовлетворяющего соотношению (3), выполненного на ферритовом сердечнике Ш 6 х 6 - оптимизированный вариант, позволило снизить средний ток потребления до 0,9 А при сохранении величины U₂. Величина КПД преобразования при этом повысилась до 89%, а объем трансформатора составил 24 х 24 х 16.

На основании вышеизложенного предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает достижение положительного эффекта и обладает критерием "положительный эффект".

Испытания предлагаемого изобретения проведены в 2000 г. в НИИ ООО "НПО СМ". Работоспособность и эффективность предлагаемого устройства опробована в схеме однотактного преобразователя ЭШУ "ЛАСКА М", устройство находится на стадии серийного выпуска.

Использование: в схеме однотактного преобразователя постоянного напряжения в высоковольтное импульсное с передачей энергии в паузе тока, применяемой в малогабаритных конструкциях высоковольтных устройств: схемы питания газовых лазеров, электрошоковые устройства. Трансформатор состоит из замкнутого сердечника с зазором и двух обмоток. Оптимальное количество витков в первичной обмотке определяется установленным соотношением между характеристиками сердечника трансформатора: материалом сердечника, величиной зазора, конструктивным выполнением обмотки, например коэффициентом ее формы и параметрами преобразователя, такими как допустимая величина амплитуды импульса тока в первичной обмотке, минимальные габариты устройства. Технический результат заключается в увеличении КПД при минимальных размерах устройства. 1 ил.

Высокочастотный высоковольтный импульсный трансформатор в схеме однотактного преобразователя постоянного напряжения, содержащий замкнутый сердечник с зазором и первичную и вторичную обмотки, отличающийся тем, что число витков первичной обмотки n₁ равно
,
где Н_p- рабочая напряженность магнитного поля сердечника без зазора, соответствующая величине индукции насыщения В_м материала сердечника;
μ_c - относительная магнитная проницаемость материала сердечника;
I - амплитуда тока в первичной обмотке;
d - величина зазора в сердечнике выбрана не более 0,03 эффективной длины магнитной силовой линии сердечника,
α - коэффициент формы обмотки, равный 1 - 1,2.