利用電容可控充電方法構建雷電上行先導模擬試驗用新型衝擊電壓發生裝置，需要解決裝置核心電路中高壓大功率反激變壓器的物理實現問題。我們從實現電場時變特徵模擬的電路套用特點出發，研究了反激變壓器技術要求，圍繞其實現難點研究確定了變壓器電磁設計方案，最後研製出反激變壓器樣機並通過電場時變特徵模擬試驗驗證了變壓器性能滿足套用要求，解決了新型衝擊電壓發生裝置構建中的關鍵技術難題。
基本介紹
- 中文名： 高壓大功率反激變壓器
- 外文名：High voltage high power reverse excitation transformer
- 學科：電力工程
- 領域：能源
- 作用：解決變壓器的物理實現問題
- 結構：磁芯結構、繞組結構
簡介,技術要求,電磁設計,磁芯結構,繞組結構,總結,
簡介
實驗室條件下利用長空氣間隙放電開展雷電上行先導模擬試驗研究，需要在間隙上施加波前由緩變陡近似呈單調指數上升的MV級衝擊電壓波形，以準確模擬雷電先導自雲端向大地發展過程中地面物體附近電場的時域變化特徵。傳統的Marx型衝擊電壓發生器只能輸出雙指數波形而無法滿足電場等效模擬的要求。在現代電力電子技術和高壓大功率電力電子器件快速發展的背景下，利用電容可控充電方法實時控制容性負載的電壓爬升過程以構建新型原理的MV級衝擊電壓發生裝置，使雷電上行先導試驗中電場時變特徵等效模擬問題的解決成為現實。
據此，新型衝擊電壓發生裝置的核心電路。該電路具有結構簡單、易於控制和輸入輸出隔離的優點，可以實現高壓大功率電容可控充電功能。電路採用了開關電源中常見的反激變換拓撲，但與開關電源穩壓輸出要求不同的是，其輸出目標是通過控制容性負載充電過程以獲得波前連續可控的衝擊電壓。電路最高輸出電壓幾十kV、最大輸出功率達上百kW、開關周期最大充電能量可達數，這些參數比開關電源的要求至少高兩個數量級。反激變壓器作為反激變換拓撲中的關鍵元件，在電路中承擔能量藕合傳遞的重要功能。為基於該拓撲電路最終構建新型衝擊電壓發生裝置，需要針對高壓大功率電容可控充電的電路套用特點，重點研究反激變壓器的電磁結構問題。
技術要求
電路設計最小開關周期為50s，負載電容為200nF，輸出電壓峰值25 kV，最大電壓上升率40 kV/ms。直流電壓源Ud工作電壓420 V，開關S選用3.3 kV/1000 A高壓大功率IGBT，矽堆D選用40 kV/20 A高壓快恢復矽堆。在此條件下，反激變壓器主要參數確定如下。
1)高壓繞組電感L2: L:取值應保證任一開關周期，變壓器全部儲能向負載電容快速轉移;同時應使能量轉移電流i:在矽堆D的電流耐受範圍之內。據此設計L:為2.9 mH 。
2)繞組匝比n(NzlN1): n取值應保證任一開關周期，電源飢向變壓器低壓繞組N1快速儲能;同時應使儲能電流i,在開關S的電流耐受範圍之內，以及使開關S和矽堆D的電壓應力不超出各自的電壓耐受能力。
3)儲能峰值E' Tmax:根據負載電容上的電壓峰值25kV和最大電壓上升率40 kV/ms，計算可得開關周期變壓器儲能峰值ETmax不低於9.6J。
根據上述電路工作特點和反激變壓器技術參數，與開關電源套用相比， 反激變壓器的物理實現難點在於:
1)需要設計體積緊湊且儲能分布相對集中的變壓器電磁結構，以解決10J左右的磁能儲存問題;
2)需要在滿足高壓大功率及儲能要求的設計條件下，儘可能提高繞組藕合係數，以減少漏磁和降低開關在關斷大電流時的暫態電壓應力，解決高壓大功率電力電子器件的選型問題;
3)需要儘可能減小高頻下的變壓器功率損失，以實現電路的最大電壓輸出能力。以下將圍繞上述技術難點研究 變壓器電磁設計方案。
電磁設計
磁芯結構
研究的反激變壓器工作在20 kHz高頻開關模式，首先應考慮選用軟磁鐵氧體、鐵基非晶合金和金屬磁粉芯等適於高頻條件下工作的磁芯材料。對比列出了市場上典型的R2KB型MnZn功率鐵氧體、1K101鐵基非晶合金和FeSiAI磁粉芯等三種磁芯材料的性能參數。鐵基非晶合金磁芯一般採用約30 mm厚且寬度最大不超過300 mm的薄帶材疊層繞制而成，常見的磁芯型式為環形或矩形拼接式。 設計變壓器磁芯結構為帶集中切口氣隙的跑道環形磁芯。該結構在磁芯的一側芯柱集中開有氣隙，而在對側芯柱同心繞制高、低壓繞組，採用氣隙與繞組分開布置的方式可有效減小氣隙邊緣效應以最佳化繞組磁密分布。通過計算分析 的具體磁芯參數，磁芯採用寬度70 mm的帶材繞制，繞制厚度60mm磁芯結構寬度190 mm和繞組視窗寬度70 mm。繞組視窗長度lW和切口氣隙長度鬼為待設計參數，二者需在繞組結構設計的基礎上確定。
繞組結構
一種高、低壓繞組在單側磁柱上同心繞制的繞組結構。繞制過程中高、低壓繞組均採用單層繞法且通過繞組參數設計保證繞制長度相等。該結構可有效減小繞組端部邊緣效應和繞組間漏感。根據繞組間絕緣要求，在低壓繞組與磁芯間以及高、低壓繞組之間分別設定厚2mm和8mm的固體絕緣層。
總結
1)變壓器體積緊湊，儲能相對集中，並有利於新型衝擊電壓發生裝置的緊湊化結構設計;
2)變壓器繞組藕合係數高，由漏磁產生的開關最大暫態電壓應力經計算在3.3 kV左右，可選擇合適的全控型開關器件，解決了裝置核心電路中高壓大功率電力電子器件的選型問題;
3)變壓器高頻功率損失經計算占其傳遞有效功率的比例小於1%，從工程意義上可以忽略，有利於實現裝置核心電路的最大電壓輸出能力。
4)研製變壓器樣機用於高壓大功率電容可控充電試驗，試驗電路輸出電壓峰值達到23.5 kV，最大上升率達到40 kV/ms，實現了波前連續可控的衝擊電壓波形，驗證了變壓器設計性能指標與實測結果基本一致，變壓器技術性能滿足套用要求。
