МАЛОГАБАРИТНЫЙ 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 в высоковольтных однотактных схемах преобразования постоянного напряжения в высоковольтное импульсное, и может быть использовано в малогабаритных преобразователях схем электропитания различных устройств, например электрошоковых устройств, газовых лазеров.

Традиционная схема однотактного преобразователя включает в себя источник постоянного электропитания, управляемый ключ (УК), 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_п, характеризуемую напряжением U_п 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.

В патенте Российской Федерации 2069021, кл. H 10 F 19/08, 1996 (Высокочастотный импульсный трансформатор) предложена оптимизированная конструкция ВВТ и дано оптимальное соотношение длины обмотки L к ее среднему диаметру D, как для первичной обмотки, так и для вторичной. Однако данные величины характеризуют только геометрию магнитного пoля, определяя коэффициент магнитной связи (взаимную индуктивность и индуктивность рассеивания) обмоток. Величина числа витков n₂ вторичной обмотки, а также связь этой величины с параметрами схемы преобразователя полностью отсутствует. Используя соотношение между L и D, невозможно выбрать оптимальное значение величины n₂ для высоковольтного высокочастотного трансформатора в схеме однотактного преобразователя.

Известен ВВТ, выбранный авторами в качестве прототипа, содержащий замкнутый сердечник, первичную и вторичную обмотки, намотанные последовательно послойно (см. Авруцкий В. А. , Кужскин И.П., Чернов Е.Н. "Испытательные и электрофизические установки, техника эксперимента" - М.: МЭИ, 1983, с. 66-70). Недостатком данного устройства является отсутствие связи параметров трансформатора (эквивалентной емкости) с параметрами преобразователя, а именно динамической емкостью управляемого ключа в режиме выключения (далее - динамической емкостью), что не позволяет определить оптимальное число витков вторичной обмотки.

Задачей изобретения является уменьшение габаритов и трудоемкости изготовления преобразователя постоянного напряжения в высоковольтное импульсное. Для этого число витков n₂ вторичной обмотки ВВТ, содержащего замкнутый сердечник и две обмотки, в схеме однотактного преобразователя напряжения, выбрано из условия:

где С₁₂ - эквивалентная емкость трансформатора, С_T - динамическая емкость управляемого ключа, β - коэффициент линейности, причем величина коэффициента равна от 3,2 до 3,5.

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

На чертеже изображена эквивалентная электрическая схема ВВТ, работающего в схеме однотактного преобразователя с передачей энергии в паузе тока. Соответственно С₁₂ - эквивалентная емкость трансформатора, С_T - динамическая емкость управляемого ключа, УК - управляемый ключ, L₁ - индуктивность первичной обмотки, k= n₂/n₁, n₁ и n₂ число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора, I₀ - амплитуда тока в первичной обмотке.

Уменьшение габаритов преобразователя и трудоемкости его изготовления поясняется ниже.

Реализация трансформации амплитуды выброса напряжения (U₁), на закрытом УК, в амплитуду импульса выходного напряжения (U₂) в "идеальном" трансформаторе осуществляется через соотношение витков в первичной (n₁) и вторичной (n₂) обмотках, т.е.

U₂/U₁=n₂/n₁=k, (1)
соответственно число витков во вторичной обмотке n₂=kn₁.

В выражении (1) отсутствуют ограничения. А именно, величина k может быть задана сколь угодно большой, что крайне выгодно, как с точки зрения уменьшения величины U₁, определяющей тип УК (уменьшение габаритов и стоимости УК), так и получения максимальной величины U₂ - снижение габаритов высоковольтного блока.

Проведенные авторами изобретения исследования показали, что без учета эквивалентной емкости трансформатора увеличение числа витков вторичной обмотки n₂ выше некоторого значения не приводит к росту величины U₂, т.е. реально получаемая в экспериментах величина амплитуды импульса напряжения U<U₂. При этом эквивалентная электрическая схема, соответствующая полученным в экспериментах значениям величины U₂, может быть представлена в виде, изображенном на чертеже.

Следовательно, оптимальная величина коэффициента трансформации k для ВВТ в схеме однотактного преобразователя, осуществляющего передачу энергии в паузе тока, определяется величинами емкостей С₁₂ и С_T.

Проведенные эксперименты с различными вариантами конструкций ВВТ, обладающих различными величинами С₁₂ и n₂, подтвердили соответствие результатов расчета амплитуды импульса выходного напряжения по эквивалентной схеме и экспериментальных данных.

Анализ полученных результатов позволил определить оптимальное число витков высоковольтной обмотки (n₂), являющееся границей интервала изменения величины n₂, в котором выполняется выражение (1). А именно,

где β - коэффициент линейности, равный от 3,2 до 3,5.

В случае выбора величины β, меньшей чем 3,2, амплитуда импульса выходного напряжения оказывается меньше, чем реально возможная в данной конструкции трансформатора при заданном числе витков первичной обмотки. В случае выбора величины β, большей чем 3,5, происходит неоправданное увеличение числа витков вторичной обмотки, не приводящее к увеличению амплитуды выходного напряжения.

Таким образом, выражение (2) определяет реальную величину необходимого числа витков вторичной обмотки (n₂), при котором амплитуда импульса напряжения соответствует заданной величине U₂, а дальнейшее увеличение числа витков не только не приводит к росту выходного напряжения трансформатора, но и увеличивает его габариты и трудозатраты на производство при той же величине выходного напряжения U₂.

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 000 "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 - схемах питания газовых лазеров, электрошоковых устройств. Трансформатор состоит из замкнутого сердечника с зазором и двух обмоток. Оптимальное количество витков во вторичной обмотке определяется установленным соотношением между характеристиками трансформатора - эквивалентной емкостью, числом витков первичной обмотки и параметрами преобразователя, такими как динамическая емкость управляемого ключа, минимальные габариты устройства. Технический результат заключается в минимизации габарита и уменьшении трудозатрат при производстве трансформаторов. 1 ил.

Высокочастотный высоковольтный импульсный трансформатор в схеме однотактного преобразователя постоянного напряжения в высоковольтное импульсное, содержащий замкнутый сердечник с зазором и первичную и вторичную обмотки, отличающийся тем, что число витков вторичной обмотки n₂ равно

где β - коэффициент линейности, равный 3,2 - 3.5;
n₁ - число витков первичной обмотки;
С₁₂ - эквивалентная емкость трансформатора;
С_Т - динамическая емкость управляемого ключа в схеме однотактного преобразователя постоянного напряжения в высоковольтное импульсное.