ТРАНСФОРМАТОР ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H01F38/16 H01F30/04 H01F27/38 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к трансформатору высокого напряжения. Более конкретно, изобретение относится к трансформатору высокого напряжения для каскадного соединения, включающему первичную обмотку, обмотку высокого напряжения и магнитопровод, причем первичная обмотка и обмотка высокого напряжения охватывают по меньшей мере часть магнитопровода трансформатора.

Уровень техники

В данном описании используется понятие «хорошие высокочастотные свойства». В отношении так называемого импульсного трансформатора оно означает, что указанный трансформатор имеет относительно низкую индуктивность связи между первичной и вторичной обмотками, относительно слабо выраженные скин-эффект и эффект близости в обмотках на относительно высоких частотах, относительно низкую паразитную емкость внутри обмоток и относительно низкую емкость между обмотками и между обмотками и магнитопроводом трансформатора. Это относится, в частности, к обмотке высокого напряжения. Перечисленные физические параметры хорошо известны специалисту в данной области, и поэтому в дальнейшем изложении не поясняются.

Для импульсных трансформаторов, работающих вблизи области насыщения (что типично для инверторов), используется выражение

$$U=4B_s^{*}f*n*A_e$$

где B_s - плотность магнитного потока при насыщении, U - пиковое напряжение на обмотке, f - рабочая частота, n - количество витков, A_e - эффективное поперечное сечение магнитопровода трансформатора.

Из данного выражения следует, что высокое выходное напряжение можно получить, повышая частоту, увеличивая напряженность поля насыщения, увеличивая поперечное сечение магнитопровода и увеличивая количество витков.

При недостатке места часто наиболее простым решением является увеличение частоты. Во избежание слишком больших потерь на вихревые токи для изготовления магнитопровода приходится использовать материалы с низкой электрической проводимостью, например феррит, порошкообразное железо, или так называемые витые ленточные магнитопроводы.

Способы питания трансформатора на относительно высокой частоте включают использование так называемого способа SMPS (Switched Mode Power Supply, импульсный источник питания). В данном способе входное напряжение преобразуется в высокочастотные импульсы, обычно прямоугольной формы, которые затем подаются на трансформатор высокого напряжения.

Как уже упоминалось, количество витков во вторичной обмотке трансформатора высокого напряжения известного уровня техники, определяемое режимом работы, относительно велико. Как следствие, возрастает емкость вторичной обмотки, поскольку такая обмотка содержит много слоев относительно тонкого провода с меньшим средним расстоянием между ними, чем в трансформаторе с обмоткой, намотанной проводом большего диаметра.

Пространство, требуемое для увеличения количества витков вторичной обмотки, ведет к увеличению размеров магнитопровода трансформатора и первичной обмотки. Кроме того, между обмоткой высокого напряжения, первичной обмоткой и магнитопроводом трансформатора необходима изоляция значительной толщины. При этом рост размеров трансформатора ведет к возрастанию потерь в обмотках трансформатора, к тому же трансформаторы высокого напряжения такого типа имеют относительно небольшой коэффициент связи. Небольшой коэффициент связи можно интерпретировать как относительно высокую индуктивность связи. Причиной снижения коэффициента связи является то, что относительно большое расстояние между первичной и вторичной обмотками ухудшает магнитную связь между ними.

Эта нежелательная и, по большей части, неизбежная паразитная индуктивность связи так же, как и вторичная емкость (и в сочетании со вторичной емкостью), влияет на ток в трансформаторе. Поскольку индуктивность связи ограничивает высокочастотный ток, а также поскольку большая часть данного тока расходуется на питание внутренней паразитной емкости вторичной обмотки, возникает очевидное ограничение выходной мощности, снимаемой со вторичной обмотки на высоких частотах. Поэтому высокочастотные трансформаторы такого типа имеют относительно узкую полосу частот, т.е. наивысшую частоту питания, на которой может работать высокочастотный трансформатор.

Известная низковольтная технология SMPS дает возможность получать напряжения до примерно 1 кВ. Для получения более высоких напряжений необходима модификация трансформатора посредством использования таких известных технологий, как умножение напряжения, каскадное включение высокочастотных трансформаторов, слоевая намотка и так называемая «резонансная коммутация», компенсирующих влияние относительно узкой полосы частот высокочастотного трансформатора.

Общим для всех перечисленных технологий является то, что они, лишь частично устраняя недостатки, усложняют конструкцию и увеличивают стоимость всего высокочастотного преобразователя.

Известно, что снижение количества слоев в обмотках позволяет улучшить характеристики трансформатора. В патенте США 7274281 рассмотрен трансформатор для газоразрядной лампы (например, люминесцентной), имеющий две последовательно соединенные первичные обмотки, которые могут быть образованы одним слоем намотки.

В патенте США 1680910 рассмотрен трансформатор для каскадного соединения. Он, однако, непригоден для импульсных источников, поскольку имеет высокую емкость обмоток и низкий коэффициент связи.

В патенте США 4518941 рассмотрен трансформатор, пригодный для импульсных источников питания, но имеющий номинальный коэффициент трансформации 1:1. Трансформатор в соответствии с данным документом непригоден для использования в качестве трансформатора высокого напряжения.

В патенте США 3678429 рассмотрен трансформатор высокого напряжения для каскадного соединения, снабженный, помимо первичной обмотки и вторичной обмотки, обмоткой для каскадного соединения. Из-за особенностей конструкции обмотки высокого напряжения трансформатор в соответствии с указанным патентом непригоден для использования в импульсных источниках.

В патенте США 3579078 рассмотрен однокаскадный трансформатор, работающий совместно с так называемым учетверителем напряжения. Указанный трансформатор, однако, не решает существующую техническую проблему, поскольку один каскад не позволяет получить достаточно высокое напряжение.

Из патента WO 2007045275 известно использование вместе с так называемым обратноходовым преобразователем двух вторичных обмоток для каскадного соединения, что позволяет получить стабильное выходное напряжение в каждом каскаде.

В известном уровне техники нет трансформаторов, обеспечивающих достаточно высокое напряжение и при этом пригодных для каскадного соединения.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является устранение или снижение по меньшей мере одного из недостатков известного уровня техники.

Указанная цель достигается настоящим изобретением благодаря особенностям, указанным в нижеследующих описании и формуле изобретения.

Предложен трансформатор высокого напряжения для каскадного соединения, включающий первичную обмотку, обмотку высокого напряжения и магнитопровод, причем первичная обмотка и обмотка высокого напряжения концентрично охватывают по меньшей мере часть магнитопровода трансформатора, вторичную обмотку, при этом обмотка высокого напряжения состоит из одного отдельного слоя либо нескольких параллельно соединенных отдельных слоев.

В трансформаторе высокого напряжения в соответствии с настоящим изобретением напряжение на первичной и вторичной обмотках невысоко по сравнению с напряжением на обмотке высокого напряжения. Вторичная обмотка рассчитана на передачу большей мощности, чем обмотка высокого напряжения.

Обмотка высокого напряжения тоже является вторичной обмоткой, но, чтобы отличать ее от вторичной обмотки с относительно низким напряжением, используется данное наименование.

Выполняя обмотку высокого напряжения в виде одного слоя, имеющего форму трубки, внутреннюю паразитную емкость обмотки высокого напряжения сводят к практически достижимому минимуму. Для снижения сопротивления обмотки высокого напряжения она может быть образована несколькими однослойными обмотками, соединенными параллельно, например, в области выводов обмотки высокого напряжения. Может быть целесообразным использование между слоями изоляционных прокладок, изготовленных, например, из полиамидной пленки. Собственная емкость многослойной обмотки высокого напряжения такой конструкции ниже емкости обмотки высокого напряжения известной конструкции, в которой последовательно соединены слои, намотанные туда и обратно.

Между первичной обмоткой и вторичными обмотками может быть кольцевое отверстие для протекания охлаждающей текучей среды. Такое отверстие между обмотками и магнитопроводом трансформатора одновременно обеспечивает и необходимую толщину изоляции, и относительно низкую емкость как между обмотками, так и между обмотками и магнитопроводом трансформатора.

Поскольку обмотка высокого напряжения, намотанная в форме трубки, по оси находится вне первичной обмотки и обычно концентрична с ней, достигается относительно высокий коэффициент связи между обмотками. Индуктивность утечки между обмотками поэтому пренебрежимо мала. Частота f_s последовательного резонанса трансформатора определяется выражением:

где $${\text{L}}_{\text{s\_prim}}\text{:}={\text{L}}_{\text{m}}\left(\text{1}-{\text{k}}_{\text{p}}^{\text{2}}\right){\text{, C}}_{\text{p\_prim}}\text{:}={\text{C}}_{\text{s}}\cdot {\left(\frac{{\text{N}}_{\text{sek}}}{{\text{N}}_{\text{prim}}}\right)}^{\text{2}}$$

Здесь L_m - индуктивность намагничивания первичной обмотки, k_p - коэффициент связи, N_sek и N_prim - соответственно количество витков во вторичной и первичной обмотках. C_s представляет собой полную паразитную емкость вторичной обмотки. Частота последовательного резонанса является непосредственной мерой высокочастотных свойств трансформатора.

В известном уровне техники с целью снижения сопротивления и потерь в проводниках общепринято заполнять так называемое окно трансформатора обмотками. Обмотка высокого напряжения, имея относительно большой объем, обычно занимает значительную долю этого окна. Тем самым выполнение обмотки высокого напряжения в виде всего лишь одного слоя нарушает известные принципы проектирования трансформаторов.

Несмотря на то что в соответствии с настоящим изобретением в обмотке высокого напряжения используется только один слой, для надлежащего повышения напряжения количество витков в обмотке высокого напряжения должно быть достаточно большим по отношению к первичной обмотке. Поскольку обмотка высокого напряжения должна занимать такую же общую длину, что и первичная обмотка, а эта длина ограничивается размером окна, в обмотке высокого напряжения необходимо использовать относительно тонкий провод. Это ведет к росту сопротивления обмотки высокого напряжения и необходимости выполнять обмотку высокого напряжения в форме тонкой трубки. Указанный эффект компенсируется тем, что трансформатор может быть сделан относительно небольшим, благодаря чему длина каждого витка сокращается. Соответственно, снижается и сопротивление.

Если трансформатор высокого напряжения данного типа используется в каскадном соединении, то требуемая мощность каждой обмотки высокого напряжения снижается в соответствии с формулой:

$$P_{sek\_M}=P_{prim\_M}\left(1-\frac{1}{N}\right).$$

Здесь M - номер каскада, а N - количество каскадов.

Поскольку обмотка высокого напряжения намотана относительно тонким проводом, мощность, которую можно снять с данной обмотки, ограничена. Этот недостаток в значительной мере компенсируется тем, что трансформатор в соответствии с настоящим изобретением имеет по сравнению с трансформаторами известного уровня техники повышенную эффективность, а тонкий провод обмотки оставляет место для охлаждающего просвета между обмотками и между обмотками и магнитопроводом трансформатора, что дает возможность обеспечить хорошее охлаждение указанных элементов и хорошую изоляцию между ними.

Если трансформатор в соответствии с настоящим изобретением используется в вышеописанном каскадном соединении, то требование к мощности, снимаемой с обмотки высокого напряжения, значительно снижается по сравнению с известным уровнем техники, и тем самым значимость недостатка, связанного с высоким сопротивлением обмотки высокого напряжения, дополнительно снижается. Это делает трансформатор высокого напряжения в соответствии с настоящим изобретением пригодным для питания от импульсного источника.

Обмотка высокого напряжения в трансформаторе высокого напряжения может располагаться между первичной обмоткой и вторичной обмоткой.

При соединении вторичной обмотки первого трансформатора последовательно с первичной обмоткой второго трансформатора, а обмотки высокого напряжения первого трансформатора последовательно с обмоткой высокого напряжения второго трансформатора с непосредственным выпрямлением напряжения на обмотках высокого напряжения складываются, а часть мощности передается от первого трансформатора второму трансформатору через вторичную обмотку первого трансформатора, а не через обмотку высокого напряжения первого трансформатора.

Блок высокого напряжения может, таким образом, включать два или более каскадно соединенных трансформатора. Выходная мощность на высоковольтной стороне делится между обмотками высокого напряжения нескольких каскадов, в большей части которых выходное напряжение должно быть выпрямлено перед последовательным соединением во избежание нагружения обмотки высокого напряжения одного каскада на паразитную емкость обмоток следующего каскада.

Благодаря тому, что полная выходная мощность делится между несколькими обмотками высокого напряжения, каждая обмотка высокого напряжения может быть рассчитана только на долю выходной мощности, определяемую количеством каскадов.

Чтобы дополнительно повысить выходное напряжение либо уменьшить количество витков с целью использования в обмотке более толстого провода, обмотка высокого напряжения первого трансформатора может соединяться с умножителем напряжения известного типа. Каскадно соединенные второй и последующие трансформаторы также могут соединяться со своими умножителями напряжения.

Обмотка высокого напряжения, имеющая только один слой и поэтому занимающая меньше места, позволяет увеличить толщину изоляции между слоями. Конструкция обмотки в форме тонкой трубки позволяет улучшить охлаждение как обмотки, так и магнитопровода трансформатора, благодаря чему трансформатор может работать при относительно более высокой мощности по отношению к его физическому размеру. Поскольку внутренние элементы трансформатора хорошо охлаждаются, а также поскольку устраняется внутренний разогрев однослойной обмотки, такой трансформатор также пригоден для использования при относительно высокой температуре окружающей среды.

Несколько каскадно соединенных трансформаторов в соответствии с настоящим изобретением могут выдавать при высоком напряжении как постоянный ток, так и постоянный ток в сочетании с переменным, поскольку в одном каскаде выпрямление может не использоваться. Поскольку первичное питающее напряжение во все каскады подается через обмотки низкого напряжения, с целью формирования разных напряжений, которые могут требоваться в системе, можно использовать указанное переменное напряжение для питания в высоковольтном каскаде одного или нескольких дополнительных трансформаторов с другими коэффициентами трансформации. Напряжение со вторичной обмотки в последнем каскаде может, например, питать дополнительный трансформатор для формирования напряжения накала рентгеновской трубки. При этом трансформатор может выдавать как отдельное низкое переменное напряжение, так и выпрямленное переменное напряжение, наложенное на высокое напряжение.

Трансформатор в соответствии с настоящим изобретением особенно хорошо подходит для использования в миниатюрных источниках высокого напряжения. Трансформатор занимает относительно немного места, работоспособен при относительно высокой температуре окружающей среды, может быть выполнен в форме удлиненного цилиндра и может использоваться там, где есть потребность в постоянном высоком напряжении или в постоянном высоком напряжении с наложенным переменным напряжением.

Трансформатор, таким образом, может найти применение в нефтяных скважинах, окрасочных производствах, рентгеновских аппаратах, электростатических фильтрах, для создания холодной плазмы и т.п.

Краткое описание чертежей

Далее описывается пример предпочтительного варианта осуществления изобретения, иллюстрируемый сопровождающими чертежами.

Фиг.1 представляет собой вид в аксонометрии трансформатора высокого напряжения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 представляет собой сечение по I-I (фиг.1).

Фиг.3 представляет собой схему блока высокого напряжения с каскадным включением трансформаторов и умножителями напряжения.

Фиг.4 представляет собой типовую осциллограмму напряжений при работе первого каскада по схеме на фиг.3.

Фиг.5 представляет собой вид в аксонометрии блока высокого напряжения по схеме на фиг.3, рассчитанного на установку в цилиндрическую полость.

Фиг.6 представляет собой схему упрощенного варианта блока высокого напряжения с каскадным включением трансформаторов.

Далее при обозначении конкретного компонента из числа нескольких одинаковых компонентов (например, трансформаторов) в номере позиции используется индекс. В описании упоминаются не все показанные на чертежах номера позиций с индексами.

Осуществление изобретения

На чертежах показан блок 1 высокого напряжения с трансформатором 2. Трансформатор 2 включает два Ш-образных встречно направленных ферритовых магнитопровода 4, вокруг центрального стержня 6 которых на отстоящей на некотором расстоянии цилиндрической изолирующей гильзе 10 первичной обмотки намотана первичная обмотка 8. Первый вывод 12 и второй вывод 14 первичной обмотки 8 выведены с одной стороны первичной обмотки 8.

Обмотка 16 высокого напряжения охватывает первичную обмотку 8 с радиальным зазором. Обмотка 16 высокого напряжения намотана в один слой на цилиндрической изолирующей гильзе 18 обмотки высокого напряжения. Первый вывод 20 и второй вывод 22 обмотки 16 высокого напряжения выведены с разных сторон обмотки 16 высокого напряжения.

Вторичная обмотка 24 охватывает обмотку 16 высокого напряжения с радиальным зазором. Вторичная обмотка 24 намотана на цилиндрической изолирующей гильзе 26 вторичной обмотки. Первый вывод 28 и второй вывод 30 вторичной обмотки 24 выведены с одной стороны вторичной обмотки 24.

На фиг.1 и 2 вторичная обмотка 24 также окружена электростатическим экраном 32, подключенным к магнитопроводу 4 трансформатора. Предпочтительно, электростатический экран 32 охватывает большую часть вторичной обмотки 24, но не всю указанную обмотку, поскольку иначе в трансформаторе 2 будет присутствовать короткозамкнутый виток. Электростатический экран 32 служит для улучшения высоковольтной изоляции между трансформатором 2 и расположенными рядом элементами, не показанными на фиг.1 и 2.

В первичной обмотке 8 и во вторичной обмотке 24 примерно равное количество витков, тогда как в обмотке 16 высокого напряжения количество витков значительно выше.

Обмотки соединяются между собой известным способом посредством проводников монтажной платы.

Трансформатор 2 может питаться постоянным напряжением от импульсного источника 34 питания, подключенного к первому выводу 12 и второму выводу 14 первичной обмотки 8, как показано на фиг.3. При этом с первого вывода 20 и второго вывода 22 обмотки 16 высокого напряжения может сниматься переменное напряжение, а с первого вывода 28 и второго вывода 30 вторичной обмотки 24 может сниматься переменное напряжение, сопоставимое с напряжением питания.

На схеме на фиг.3 показан блок 1 высокого напряжения, в данном варианте осуществления помимо первого трансформатора 2₁ также включающий второй трансформатор 2₂ и третий трансформатор 2₃. Второй трансформатор 2₂ и третий трансформатор 2₃ имеют такую же конструкцию, как и первый трансформатор 2₁.

Импульсный источник 34 питания подключен к первому выводу 12₁ и второму выводу 14₁ первичной обмотки первого трансформатора 2₁. Вторичная обмотка 24₁ первого трансформатора 2₁ с помощью первого вывода 28₁ подключена к первому выводу 12₂ первичной обмотки 8₂ второго трансформатора 2₂. Второй вывод 30₁ вторичной обмотки 24₁ подключен, соответственно, ко второму выводу 14₂ первичной обмотки 8₂.

Такое же соединение выполнено между вторым трансформатором 2₂ и третьим трансформатором 2₃. Первый вывод 28₂ вторичной обмотки 24₂ подключен к первому выводу 12₃ первичной обмотки 8₃, а второй вывод 30₂ вторичной обмотки 24₂ подключен ко второму выводу 14₃ первичной обмотки 8₃. Первый вывод 28₃ и второй вывод 303 вторичной обмотки 24₃ третьего трансформатора 2₃ подключены к так называемой нагрузке 36 холостого хода, имеющей относительно высокое электрическое сопротивление. Все вторые выводы 22₁, 22₂, 22₃ обмоток высокого напряжения 16₁, 16₂, 16₃ подключены к магнитопроводам соответствующих трансформаторов 4₁, 4₂, 4₃, являющимся местными точками нулевого потенциала.

Импульсный источник 34 питания заземлен в точке 38 заземления.

Первый конденсатор 40₁ включен между точкой 38 заземления и вторым выводом 22₁ обмотки 16₁ высокого напряжения первого трансформатора 2₁. К точке 38 заземления также подключен анод первого диода 42₁. Катод первого диода 42₁ подключен к аноду второго диода 44₁ и, через второй конденсатор 46₁, к первому выводу 20₁ обмотки 16₁ высокого напряжения.

Катод второго диода 44₁ подключен к аноду третьего катода 48₁ и ко второму выводу 22₁ обмотки 16₁ высокого напряжения, а тем самым и к магнитопроводу 4₁ трансформатора, являющемуся местной точкой нулевого потенциала.

Катод третьего диода 48₁ подключен к аноду четвертого диода 50₁ и, через третий конденсатор 52₁, к первому выводу 20₁ обмотки 16₁ высокого напряжения. Катод четвертого диода 50₁ подключен ко второму выводу 30₁ вторичной обмотки 24₁ и, через четвертый конденсатор 54₁ ко второму выводу 22₁ обмотки 16₁ высокого напряжения.

Диоды 42₁, 44₁, 48₁, 50₁ и конденсаторы 40₁, 46₁, 52₁, 54₁ образуют умножитель 56₁ напряжения известной конструкции.

Ко второму трансформатору 2₂ подключен, соответственно, второй умножитель 56₂ напряжения, но в данном случае первый конденсатор 40₂ и анод первого диода 42₂ подключены ко второму выводу 14₂ первичной обмотки 8₂.

Таким же образом к третьему трансформатору 2₃ подключен третий умножитель 56₃ напряжения, в котором первый конденсатор 40₃ и анод первого диода 42₃ подключены ко второму выводу 14₃ первичной обмотки 8₃.

Нагрузка 58 включена между вторым выводом 30₃ вторичной обмотки 24₃ третьего трансформатора 2₃ и точкой 38 заземления.

Первый трансформатор 2₁ и первый умножитель 56₁ напряжения образуют первый каскад 60₁ блока 1 высокого напряжения. Второй трансформатор 2₂ и второй умножитель 56₂ напряжения образуют второй каскад 60₂, а третий трансформатор 2₃ и третий умножитель 56₃ напряжения образуют третий каскад 60₃.

Когда напряжение питания, в данном случае в виде импульсов, сформированных преобразованием постоянного напряжения в импульсном источнике 34 питания, подается на первичную обмотку 8₁ первого трансформатора, часть мощности снимается с обмотки высокого напряжения 16₁, а оставшаяся часть снимается со вторичной обмотки 24_1. Вторичная обмотка 24₁ также дает вклад в стабилизацию напряжения первого каскада 60₁. Соотношение между мощностью, снимаемой с обмотки высокого напряжения 16₁, и мощностью, снимаемой со вторичной обмотки 24₁, регулируется, как описано в общей части настоящего описания. Переменное напряжение со вторичной обмотки 24₁ и выпрямленное высокое напряжение с обмотки 16₁ высокого напряжения первого каскада 60₁ передаются во второй каскад 60₂ через один провод, как показано на фиг.3. Высокое напряжение с обмотки 16₃ высокого напряжения на следующие каскады не передается. Также вторичная обмотка 24₃ не передает на следующие каскады первичное напряжение питания. Несмотря на то что выход высокого напряжения соединен со вторичной обмоткой 24₃ для внутреннего распределения зарядов и деления напряжения, трансформатор 2₃ аналогичен остальным трансформаторам 2₁, 2₂, а дополнительные компоненты у трансформатора 2₃ такие же, как у остальных трансформаторов 2₁, 2₂.

Чтобы получить на каждом каскаде 60 наибольшее возможное напряжение при наименьшем количестве витков в обмотках 16₁, 16₂, 16₃ высокого напряжения, каждый каскад 60₁, 60₂, 60₃ включает соответствующий умножитель 56₁, 56₂, 56₃ напряжения.

В первом каскаде 60₁ представленной схемы имеет место удвоение отрицательного пикового напряжения на аноде первого диода 42₁ относительно пикового напряжения на обмотке 16₁ высокого напряжения, а также удвоение положительного напряжения на катоде четвертого диода 50₁ относительно пикового напряжения на обмотке 16₁ высокого напряжения. Первый конденсатор 40₁ накапливает и стабилизирует удвоенное отрицательное напряжение, тогда как четвертый конденсатор 54₁ накапливает и стабилизирует удвоенное положительное напряжение. Первый конденсатор 40₁ и четвертый конденсатор 54₁ подключены к местным точкам нулевого потенциала, к которым также подключены второй вывод 22₁ обмотки 16₁ высокого напряжения и магнитопровод 4₁ трансформатора.

Третий конденсатор 52₁, третий диод 48₁ и четвертый диод 50₁ удваивают положительное пиковое напряжение, а второй конденсатор 46₁ вместе с первым диодом 42₁ и вторым диодом 44₁ удваивают отрицательное пиковое напряжение.

Выпрямленное высокое напряжение с первого каскада 60₁ подается на второй каскад 60₂, где складывается с напряжением с второго каскада 60₂, и на третий каскад 60₃, откуда суммарное напряжение со всех трех каскадов 60₁, 60₂, 60₃ подается на нагрузку 58.

На фиг.4 представлен график, на оси абсцисс которого отложено время в микросекундах, а на оси ординат отложено напряжение в вольтах. Кривые 62 и 64 показывают первичное напряжение с частотой 100 кГц и амплитудой 1 кВ. Кривая 62 изображена пунктирной и более тонкой, чем кривая 64, линией. Кривая 66 показывает переменное напряжение на обмотке 16₁ высокого напряжения. Кривая 68 показывает относительно стабильное напряжение в местной точке нулевого потенциала, т.е. на втором выводе 22₁ обмотки 16₁ высокого напряжения, а кривая 70 показывает удвоенное положительное пиковое напряжение на катоде четвертого диода 50₁ относительно местного нулевого потенциала.

Выход удвоенного отрицательного пикового напряжения в первом каскаде 60₁ подключен к точке 38 заземления, потенциал которой соответствует нулю на графике.

Кривые 62-70 на фиг.4 относятся к блоку 1 высокого напряжения, в котором напряжение на каждом каскаде 60 равно 17 кВ, а выходное напряжение блока 1 высокого напряжения равно 51 кВ. Сопротивление нагрузки 58 равно 500 кОм, выходная мощность около 5 кВт.

Практическая конструкция блока 1 высокого напряжения, рассчитанного на установку в не показанном объеме цилиндрической формы, представлена на фиг.5. Соединительные проводники не показаны. Обмотки 8, 16 и 24 подключены к плате 72 выводов обмоток, откуда не показанные соединители ведут через не показанные соединительные проводники в плате 74 и дискообразной плате 76 к другим компонентам блока 1 высокого напряжения, как описано выше. Вследствие размещения в ограниченном пространстве, в конструкции, показанной на фиг.5, каждый конденсатор из схемы на фиг.3 составлен из двух конденсаторов, соединенных параллельно. По той же причине каждый диод из схемы на фиг.3 составлен на фиг.5 из двух диодов, соединенных последовательно.

На фиг.6 показан упрощенный вариант осуществления блока 1 высокого напряжения без умножителей напряжения, где в качестве первых конденсаторов 40₁, 40₂, 40₃ и четвертых конденсаторов 54 может использоваться собственная емкость обмоток 16₁, 16₂, 16₃ высокого напряжения.

Блоки 1 высокого напряжения на фиг.3 и 4 выдают положительное выходное напряжение. При изменении направления включения всех диодов на противоположное выдается отрицательное выходное напряжение.

Изобретение относится к электротехнике, к трансформаторам высокого напряжения для каскадного соединения. Технический результат состоит в повышении напряжения при каскадном напряжении. Трансформатор (1) высокого напряжения для каскадного соединения включает первичную обмотку (8), обмотку (16) высокого напряжения и магнитопровод (4)со вторичной обмоткой (24). Первичная обмотка и обмотка высокого напряжения (8, 16) концентрично охватывают по меньшей мере часть магнитопровода (4). Обмотка (16) высокого напряжения состоит из одного или нескольких отдельных слоев, соединенных параллельно.3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Трансформатор (1) высокого напряжения для каскадного соединения, включающий первичную обмотку (8), обмотку (16) высокого напряжения и магнитопровод (4), причем первичная обмотка (8) и обмотка (16) высокого напряжения концентрично охватывают по меньшей мере часть магнитопровода (4), и снабженный вторичной обмоткой (24), изолированной от обмотки (16) высокого напряжения, при этом обмотка (16) высокого напряжения, имеющая большее количество витков, чем первичная обмотка (8) и вторичная обмотка (24), содержит один слой, либо нескольких соединенных параллельно отдельных слоев, а вторичная обмотка (24₁) первого трансформатора (2₁) соединена последовательно с первичной обмоткой (8₂) второго трансформатора (2₂), отличающийся тем, что обмотка (16₁) высокого напряжения первого трансформатора (2₁) соединена последовательно с обмоткой (16₂) высокого напряжения второго трансформатора (2₂).

2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что обмотка (16₁) высокого напряжения первого трансформатора (2₁) соединена с первым умножителем (56₁) напряжения.

3. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что между первичной обмоткой (8) и обмоткой (16) высокого напряжения предусмотрено отверстие для охлаждающей текучей среды.

4. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что обмотка (16) высокого напряжения расположена между первичной обмоткой (8) и вторичной обмоткой (24).