Зачем вторичную обмотку импульсного трансформатора

Импульсный трансформатор

Одним из основных элементов импульсных источников питания является импульсный трансформатор. Особенность работы данного вида трансформатора заключается в том, что на вход подается периодическая последовательность импульсов одной полярности, содержащие постоянную составляющую тока.

В следствии чего, происходит непрерывное подмагничивание сердечника. Рассмотрим более детально работу импульсного трансформатора. Схема включения трансформатора изображена на рисунке 1 (а).

На рисунке 1 (б) приведены временные зависимости тока, напряжения и индукции во вторичной обмотке от напряжения на первичной обмотке:

Рисунок 1. Схема включения (а) и временные диаграммы (б) импульсного трансформатора.

Так как напряжение на входе имеет прямоугольную форму е(t) и период следования импульсов больше чем их длительность, то при положительном напряжении (интервал t_u ) индукция магнитного поля возрастает.

А когда напряжение на входе отсутствует (интервал (T−t_u)), индукция спадает по экспоненциальному закону. Скорость уменьшения и увеличения индукции сердечника трансформатора характеризуется постоянной времени, которая рассчитывается по формуле:

Индукция изменяется от максимального значения B_m до значения остаточной индукции B_r.

Данный процесс проиллюстрирован на рисунке 2. Рабочая точка на петле гистерезиса перемещается по частному циклу перемагничивания, что ведет к возрастанию минимально необходимых габаритов сердечника.

Рисунок 2. Перемещение рабочей точки в сердечнике импульсного трансформатора.

Следует обратить внимание, что напряжение на вторичной обмотке трансформатора U₂ содержит отрицательный выброс в следствии накопленной сердечником энергии, что обеспечивается током намагничивания i_μ.

Это линейный ток, который добавляется к импульсному току нагрузки. В результате чего импульсы входного тока (первичной обмотки) имеют форму трапеции.

Напряжение во вторичной обмотке рассчитывается по формуле:

где ψ – потокосцепление, s – сечение магнитопровода.

Так как производная от изменения постоянного тока в первичной обмотке при выбранных условиях имеет постоянное значение, то индукция сердечника импульсного трансформатора возрастает по линейному закону.

Это позволяет нам заменить производную разностью начальных и конечных значений временного интервала. Тогда предыдущая формула будет иметь следующий вид:

где Δt = t_u — длительность входного импульса напряжения

Немного видоизменим формулу, заменив Δt длительностью импульса t_u и умножим обе части формулы на эту величину:

Данное выражение описывает площадь импульса напряжения, передаваемого во вторичную обмотку, что является основной характеристикой импульсного трансформатора. Она зависит напрямую от перепада индукции, чем больше ΔB, тем больше площадь и соответственно тем лучше.

Величина ΔB определяется индуктивностью первичной обмотки, которая зависит от площади сечения сердечника, его магнитной проницаемости и количества витков провода:

Значительно влияет на индуктивность трансформатора магнитная проницаемость. Исходя из чего, при проектировании трансформатора выбирают магнитный материал с линейным участком кривой намагничивания, а также с наибольшим значением μ_а.

Выбранный магнитный материал должен обладать минимальным значением остаточной индукции В_r. В случае, если магнитный материал и тип обмотки не подходят, форма импульса значительно искажается, что негативно отражается на характеристиках трансформатора и приводит к появлению шумов в аппаратуре.

Из магнитных материалов для изготовления импульсных трансформаторов используются тонкие ленты трансформаторных сталей или пермаллой с малым коэффициентом прямоугольности:

В высокочастотных импульсных трансформаторах применяются ферритовые сердечники, так как они имеют малые динамические потери.

Импульсный трансформатор: виды, применение и особенности

Под импульсным трансформатором подразумевается устройство, предназначенное для изменения тока и напряжения импульсных сигналов. При этом форма импульса на выходе будет характеризоваться минимальным искажением.

Сферы применения

Они используются в дифференцирующих модулях, газовых лазерах, генераторах триодного типа и так далее. Главная сфера применения таких устройств – современное радиоэлектронное оборудование, телевизоры и компьютеры.

Классификация

Импульсные трансформаторы делятся на виды, исходя из типа конструкции. Они бывают броневыми, бронестержневыми, стержневыми и тороидальными. Сердечник таких устройств чаще всего имеет форму круга, но также может быть и прямоугольным.

Достоинства импульсных трансформаторов:

1. Характеризуются высокой выходной мощностью.
2. Являются компактными и имеют небольшой вес, так как при их изготовлении было использовано меньше материалов, чем при производстве других подобных электротехнических изделий с такими же свойствами.
3. Их работа является эффективной, что удалось достичь с помощью уменьшения потерь энергии (у таких устройств высокий КПД).
4. Стоят дешевле других устройств с аналогичными характеристиками.
5. Благодаря схемам защиты они отличаются высокими показателями надежности.

1. Довольно сложный ремонт.
2. Необходимо применять специальную защиту от воздействия помех высокочастотного характера. Порой из-за этих помех такие трансформаторы вообще невозможно использовать.

Товар, упомянутый в статье: Трансформатор тока KOLMA 06 D1

Проверка исправности

Исправность импульсного трансформатора проверяется с помощью специального прибора – мультиметра, который может быть аналоговым цифровым. Более удобным в использовании является именно цифровой мультиметр, так как он не нуждается в дополнительной настройке.

В свою очередь, для того чтобы настроить аналоговый мультиметр, необходимо выбрать эксплуатационный режим, вставить провода в контакты устройства и выставить стрелку на ноль с помощью специальной подстройки.

Важно: если проверяемый трансформатор представляет собой часть другого устройства, то его потребуется отделить от конструкции. Это необходимо, чтобы избежать влияния помех в процессе диагностики. При обнаружении неисправности, необходимо найти ее причину. Это может быть нарушение изоляции проводов или их разрыв, а также поврежденный сердечник или подгоревшие соединения.

Кроме инструментальной диагностики импульсного трансформатора также необходимо провести и его визуальный осмотр. Признаки подгоревшей обмотки или характерный запах гари могут свидетельствовать о выходе аппарата из строя.

Если было обнаружено, что провод катушки больше не может быть использован, то можно устранить проблему перемоткой трансформатора. С этой целью потребуется подобрать провод, имеющий двойную или даже тройную изоляцию, и намотать его на сердечник.

Перемотка осуществляется в несколько этапов:

1. Сначала следует намотать провод первичной катушки (при выполнении намотки необходимо следить за тем, чтобы витки были плотными и равномерными).
2. Далее потребуется припаять выходной конец провода в соответствующем месте.
3. После этого можно наносить изоляцию (не в один слой).
4. Конечным этапом является намотка вторичной обмотки и припаивание концов.

Важно: перекручивания провода или узлы в процессе его намотки не допустимы. Перед началом намотки необходимо выполнить расчет количества витков в соответствии с характеристиками устройства.

Особенности применения трансформаторов в импульсных преобразователях электрической энергии. Часть 2

Но есть еще одна особенность. Если использовать стабилизатор, построенный по понижающей схеме, и увеличить его рабочую частоту в два раза по сравнению с рабочей частотой трансформатора, то, изменив необходимым образом алгоритм управления ключами S1 – S4, ключи S5 и S6 можно исключить.

В этом случае алгоритм работы преобразователя разбивается на четыре этапа (Рисунок 6). На первом этапе ключи S1 и S3 замкнуты, а S2 и S4 – разомкнуты. При такой коммутации через замкнутый ключ S1 на первичную обмотку W1.1 трансформатора T1 подается напряжение, равное напряжению на входе преобразователя U_ВХ. Это приводит к появлению на вторичной обмотке W2.1 напряжения, отличающегося от величины U_ВХ на величину коэффициента трансформации трансформатора К_ТР = N_2.1/N_1.1 (где N_1.1 и N_2.1 – количество витков обмоток W1.1 и W2.1, соответственно). Это напряжение через замкнутый ключ S3 подается на вход второй ступени преобразования (стабилизатора), который обозначен на схеме Рисунка 6 точками 1 и 1′. Точно такое же напряжение было бы в точках 1 и 1′ схемы на Рисунке 5 при тех же параметрах трансформатора и замкнутом ключе S5.

Рисунок 6.

Принцип работы стабилизированного импульсного преобразователя на основе трансформатора.

Таким образом, этот этап соответствует первому этапу работы «дроссельных» преобразователей, на протяжении которого дроссель L1 обменивается энергией с конденсатором С1 [3] (в действительности, из-за того, что вход импульсного регулятора в понижающей схеме включен последовательно с выходом преобразователя, дроссель обменивается энергией с обоими конденсаторами С1 и С2, но это уже специфика понижающей схемы). Это очевидно в схеме Рисунка 5, а вот в схеме Рисунка 6 из-за особенностей последующих этапов работы конденсатор С1 пришлось переместить на вход преобразователя. Но, несмотря на такое расположение, обмен энергией между дросселем L1 и конденсатором C1 при использовании в качестве силовых ключей S1 и S3 приборов, обеспечивающих двунаправленное протекание тока, возможен в любом направлении.

Кроме того, на первом этапе преобразования, под действием напряжений U_ВХ и U_ВЫХ, присутствующих на конденсаторах С1 и С2, происходит изменение магнитного потока трансформатора ф_ТР(t) на величину 2Ф_МАХ, а магнитного потока дросселя ф_ДР(t) – на величину Ф_МАХ (где Ф_МАХ – максимальное значение магнитного потока для выбранного магнитопровода) [6], а токи силовых ключей, находящихся в проводящем состоянии, без учета тока намагничивания магнитопровода трансформатора, определяются величиной тока дросселя:

На втором этапе преобразования в замкнутом состоянии находятся ключи S3 и S4, а ключи S1 и S2 разомкнуты. При такой коммутации конденсатор C1 отключен и токи ключей i_S1(t) и i_S2(t) равны нулю. Самое интересное на этом этапе происходит на вторичной стороне трансформатора. Ток дросселя i_ДР(t) через замкнутые ключи S3 и S4 начинает протекать через обмотки W2.1 и W2.2, причем, согласно первому закону Кирхгофа:

Поскольку количество витков обмоток W2.1 и W2.2 одинаково (N_2.1 = N_2.2), то при такой схеме включения и равенстве токов i_S3(t) и i_S4(t) их намагничивающие силы взаимно компенсируются и не оказывают влияния на магнитный поток трансформатора ф_ТР(t). Помимо этого, замкнутые ключи S3 и S4 обеспечивают путь для протекания тока намагничивания, связанного с магнитным потоком трансформатора ф_ТР(t). При этом короткое замыкание вторичных обмоток W2.1 и W2.2 ключами S3 и S4 приводит к тому, что напряжения на первичной ф_ТР1(t) и вторичной u_ТР2(t) обмотках трансформатора становятся равными нулю, поэтому величина его магнитного потока ф_ТР(t) на данном этапе, согласно закону Фарадея, не изменяется.

Таким образом, одновременное замыкание ключей S3 и S4 в схеме Рисунка 6 полностью эквивалентно замыканию ключа S6 в схеме Рисунка 5 (замыканию точек 1 и 1′). Этот этап соответствует второму этапу преобразования «дроссельных» преобразователей, на протяжении которого дроссель L1 обменивается энергией c конденсатором C2. Также как и на первом этапе, при использовании ключей, обеспечивающих двунаправленное протекание тока, обмен энергией между дросселем L1 и конденсатором C2 может проходить в любом направлении.

Третий и четвертый этапы преобразования практически полностью соответствуют первому и второму, за исключением того, что на третьем этапе замыкаются ключи S2 и S4. Кроме того, при одинаковом количестве витков обмоток W1.1 и W1.2 длительность третьего этапа должна быть равна длительности первого – только в этом случае магнитопровод трансформатора T1 будет намагничиваться по симметричному циклу, что является необходимым условием для передачи максимальной мощности.

Таким образом, за один цикл перемагничивания магнитопровода трансформатора происходят два цикла перемагничивания магнитопровода дросселя, то есть дроссель работает на удвоенной частоте. Напряжение на входе понижающего стабилизатора (если бы он был отдельным узлом) отличается от напряжения U_ВХ на величину К_ТР = N_2.1/N_1.1 = N_2.2/N_1.2, а коэффициент передачи схемы в целом равен [2]:

где t₁ – длительность первого (третьего), а t₂ – длительность второго (четвертого) этапа преобразования (Рисунок 6). То есть, регулировка (и стабилизация) выходного напряжения, также как и в «дроссельных» преобразователях, осуществляется путем изменения длительностей открытого состояния ключей S1 – S4, теоретически, с какой угодно точностью.

Сравнение габаритов индуктивных элементов

Что это нам дает в итоге? Сравним две схемы преобразователей (Рисунок 7) одинаковой мощности: обратноходовую и на основе трансформатора, работающих при одинаковых напряжениях на входе U_ВХ и выходе U_ВЫХ. Пусть магнитопроводы всех индуктивных элементов работают в оптимальном режиме [6], обеспечивающем наименьшее значение произведения площади поперечного сечения сердечника S_C и окна S_O магнитопровода. Примем произведение S_CS_O магнитопровода дросселя L1 обратноходового преобразователя за базовое значение (100%). Согласно [1, 7], аналогичный параметр магнитопровода трансформатора, работающего на той же частоте и в том же режиме, что и дроссель обратноходового преобразователя, будет в 8 раз меньше, что составит приблизительно 13% от габаритов дросселя обратноходовой схемы. Осталось определить значение S_CS_O для дросселя L1 «трансформаторного» преобразователя.

Рисунок 7.

Сравнение двух преобразователей одинаковой мощности.

Из [2] нам известно, что через магнитное поле дросселя понижающей схемы проходит лишь часть энергии, но сколько именно? Выберем коэффициент трансформации трансформатора К_ТР таким образом, чтобы при минимальном входном напряжении напряжение на вторичных обмотках было приблизительно равно выходному напряжению. В этом случае длительность t₁ будет максимальна, а t₂ будет стремиться к нулю. Это означает, что через магнитное поле дросселя энергия проходить практически не будет, и этот узел теоретически не нужен.

Совершенно другое дело при максимальном входном напряжении. Поскольку значение К_ТР не меняется и выбирается для худшего случая, увеличение входного напряжения приведет и к увеличению напряжения на его вторичных обмотках. При максимальном отклонении входного напряжения ±20% максимальное напряжение на вторичных обмотках трансформатора будет на 40% больше напряжения U_ВЫХ, чему соответствует U_ВЫХ/U_ВХ ≈ 0.72. По графику на Рисунке 4 или формулам, полученным в [2], определим, что в этом случае через магнитопровод дросселя L1 будет проходить всего 28% мощности нагрузки. А поскольку в «трансформаторной» схеме дроссель L1 работает на удвоенной частоте, то произведение S_CS_O его магнитопровода фактически составит всего 14% от значения S_CS_O магнитопровода дроселя обратноходового преобразователя той же мощности. Таким образом, общая масса и габариты индуктивных элементов «трансформаторной» схемы составят всего лишь около 32% от соответствующих параметров обратноходового преобразователя той же мощности и работающего на той же частоте. Согласитесь, ради уменьшения в три раза массы и габаритов самых громоздких и дорогих компонентов преобразователя есть смысл пойти на усложнение схемы.

Сделанные выше расчеты справедливы для любых схем, в которых трансформаторы работают с симметричной петлей перемагничивания. К таким схемам относятся: схема с выводом средней точки трансформатора (рассмотренная в статье), полумостовая и мостовая. В схемах с нессиметричным перемагничиванием магнитопровода трансформатора (прямоходовая, двухтранзисторная) из-за уменьшения размаха магнитной индукции габариты трансформатора будут больше. Кроме того, в данном сравнении подразумевалось, что магнитопроводы дросселей и трансформаторов выполнены из одинакового материала. Если для магнитопроводов дросселей использовать другие магнитные материалы, например, более дешевое распыленное железо с большей индукцией насыщения, то их относительные размеры и масса могут измениться.

Но в любом случае, использование трансформатора позволяет значительно уменьшить общие объем и массу магнитных материалов, а также потери на перемагничивание (за счет уменьшения общей массы магнитопроводов), что при мощности более 100 Вт позволит ощутимо улучшить массогабаритные показатели преобразователя в целом. А вот для маломощных схем такое решение может привести к обратному результату, ведь индуктивные элементы, особенно с высокой электрической прочностью изоляции, очень сложно сделать малогабаритными, да и увеличение общего количества компонентов потребует использования печатной платы большей площади.

Заключение

Зачем так сложно? Почему, как делают некоторые авторы, не представить звено L1C2 в виде фильтра нижних частот (которым оно также является), предназначенного для сглаживания высокочастотных пульсаций демодулированного (выпрямленного) напряжения, снимаемого с вторичных обмоток трансформатора? Конечно, можно сказать, что фактически величину напряжения преобразует трансформатор, тем более что в преобразователях постоянного напряжения в качестве ключей S3 и S4 используются неуправляемые полупроводниковые диоды, а контроллер управляет только ключами S1 и S2. Это тоже не будет ошибкой, ведь если проинтегрировать выпрямленное напряжение вторичных обмоток трансформатора (что, собственно, и делает фильтр нижних частот L1C2), то при правильной работе контроллера оно всегда будет равно U_ВЫХ.

Можно использовать и такой подход, однако при этом теряется суть энергетических процессов, происходящих в схеме. На практике это приводит к тому, что некоторые разработчики не до конца понимают роль дросселя на вторичной стороне. А ведь именно его режим работы определяет напряжения и токи всей силовой части схемы. Некоторые, особенно начинающие разработчики вообще считают, что роль фильтра нижних частот второстепенна и дроссель вообще можно исключить, оставив только конденсатор С2 (ведь это тоже фильтр нижних частот). Вот только силовая часть такого преобразователя при работе на емкостную нагрузку, скорее всего, выйдет из строя меньше, чем за секунду. Так же плачевно может закончиться переход магнитопровода дросселя в режим насыщения при перегрузке (увеличении мощности) преобразователя.

Поэтому лучше все-таки один раз, но основательно, разобраться в процессах, происходящих в схеме, и самое главное – понять, почему эти схемы приобрели именно такой вид. Только так можно стать настоящим профессионалом в области импульсного преобразования электрической энергии, ведь его возможности на сегодняшний день не только не исчерпаны, но еще и до конца не изучены.

Список источников

1. Русу А.П. Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии? // Радиолоцман – 2018. – №9. – С.24 – 28 (Часть 1). – №10. – С.26 – 29 (Часть 2).
2. Русу А.П. «Откуда появились базовые схемы преобразователей».
3. Русу А.П. «Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку».
4. Русу А.П. «Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков».
5. Русу А.П. «Может ли ток в обмотке дросселя измениться мгновенно?»
6. Русу А.П. «В каком режиме должен работать магнитопровод дросселя импульсного преобразователя?»
7. Русу А.П. «Как определить размеры магнитопровода дросселя импульсного преобразователя».
8. Русу А.П. «Импульсное преобразование переменного тока».
9. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ электрических и магнитных процессов в дросселях импульсных преобразователей электрической энергии // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (ТКЭА) – 2016. – №6. – С.17 – 29.
10. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ принципов построения и режимов работы импульсных преобразователей электрической энергии // Практическая силовая электроника. – 2016. – №2(62). – С.10 – 24.
11. Kadatskyy А.F., Rusu A.P. Determination of the necessary inductor core dimensions for switching electrical energy converters // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – 2018. – №1. – С. 125–134.

Влияние активного сопротивления обмоток импульсного трансформатора на параметры формируемых на емкостной нагрузке импульсов напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР / ЕМКОСТНАЯ НАГРУЗКА / АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ОБМОТОК / ИМПУЛЬС ИСПЫТАТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ / ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ / PULSE TRANSFORMER / CAPACITIVE LOAD / WINDING ACTIVE RESISTANCE / TEST VOLTAGE PULSE / ELECTRICAL INSULATION TEST

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Гурин Анатолий Григорьевич, Костюков Иван Александрович

Цель. Анализ влияния активного сопротивления первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора на напряжение на нагрузочной емкости на основании разработанной методики анализа переходных процессов, вызванных разрядом накопительной емкости в первичной обмотке. Методика. Модель для расчета переходных процессов разработана с применением преобразования Лапласа. Моделирование переходных процессов проводилось в программном пакете MATLAB. Результаты расчетов переходных процессов сравнивались с экспериментальными результатами. Результаты. Разработана методика расчета переходных процессов в испытательных установках с импульсными трансформаторами, позволяющая учитывать влияние потерь мощности в первичной и вторичной обмотках на напряжение на нагрузочной емкости. Получены расчетные соотношения, позволяющие учитывать влияние активного сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора на напряжение на нагрузочной емкости, токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора, а также на падение напряжения на индуктивности первичной обмотки трансформатора. Научная новизна. Разработана математическая модель для расчета переходных процессов в первичной и вторичной обмотках импульсного трансформатора с учетом влияния активного сопротивления обмоток при его изменении в широком диапазоне возможных значений. Практическое значение. Использование предложенной методики позволяет определять параметры разрядной цепи, при которых на нагрузочной емкости происходит формирование тестовых импульсов напряжения без искажений формы фронта импульсов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Гурин Анатолий Григорьевич, Костюков Иван Александрович

Расчет параметров распределенной схемы замещения обмоток трансформатора с учетом влияния скин-эффекта

The effect of the active resistance of the pulse transformer windings on the parameters of voltage pulses generated on a capacitive load

Экспериментальные исследования характеристик импульсных трансформаторов с различными типами магнитопроводов, выполненных по каскадной схеме

Исследование волновых процессов обмоток трансформатора как цепи с распределенными параметрами
Особенности расчета силового трансформатора повышенной частоты
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE EFFECT OF THE ACTIVE RESISTANCE OF THE PULSE TRANSFORMER WINDINGS ON THE PARAMETERS OF VOLTAGE PULSES GENERATED ON A CAPACITIVE LOAD

Goal. Analysis of the influence of the active resistance of the primary and secondary windings of a pulse transformer on the voltage at the load capacitance based on the developed methodology for the analysis of transients caused by the discharge of the storage capacitance in the primary winding. Methodology. A model for calculating transients is developed using the Laplace transform. Transient modeling is carried out in the MATLAB software package. The results of transient calculations are compared with experimental results. Results. A method for calculating transients in test installations with pulse transformers has been developed, which allows taking into account the effect of power losses in the primary and secondary windings on the voltage at the load capacitance. The calculated relations are obtained, allowing to take into account the influence of the active resistance of the primary and secondary windings of the transformer on the voltage at the load capacitance, the currents in the primary and secondary windings of the transformer, as well as on the voltage drop on the inductance of the primary winding of the transformer. Scientific novelty. A mathematical model is developed for calculating transients in the primary and secondary windings of a pulse transformer , taking into account the influence of the active resistance of the windings when it changes over a wide range of possible values. Practical value. Using the proposed technique, it is possible to determine the parameters of the discharge circuit at which test voltage pulses are formed on the load capacitance without distorting the shape of the pulse front.

Текст научной работы на тему «Влияние активного сопротивления обмоток импульсного трансформатора на параметры формируемых на емкостной нагрузке импульсов напряжения»

А.Г. Гурин, И. А. Костюков

ВЛИЯНИЕ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБМОТОК ИМПУЛЬСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА НА ПАРАМЕТРЫ ФОРМИРУЕМЫХ НА ЕМКОСТНОЙ НАГРУЗКЕ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Мета. Анатз впливу активного опору первинноТ та вторинноТ обмоток ¡мпульсного трансформатору на напругу на навантажувальнш емност на основ1 розробленоТ методики анализу перех1дних процеав, що обумовлен1 розрядом накопичу-вальноТ емност в первиншй обмотцI. Методика. Модель для розрахунку перех1дних процеав розроблена Ь використан-ням перетворення Лапласа. Моделювання перех1дних процеав проведено в програмному пакетг МАТЬАБ. Результати розрахунку перех1дних процеав пор1вняно Ь експериментальними результатами. Результати. Розроблено методику розрахунку перех1дних процеав у випробувальних установках з тпульсними трансформаторами, що дае можлив1сть врахо-вувати втрати потужност1 в первиншй та вториннш обмотках на напругу на навантажувальнш емностм. Отримаш розрахунков1 сп1вв1дношення, що дозволяють враховувати вплив активного опору первинноТ та вторинноТ обмоток трансформатору на напругу на навантажувальнш емност1, струми у первиннш та вториннш обмотках трансформатору, а також на напругу на тдуктивност1 первинноТ обмотки трансформатору. Наукова новизна. Розроблена мате-матична модель для розрахунку перех1дних процеав в первиннш та вториннш обмотках трансформатору Ь врахуван-ням впливу активного опору обмоток при його змш1 в широкому д1апазош можливих значень. Практичне значення Ви-користання розробленоТ методики дозволяе визначати параметри розрядного кола, при яких на навантажувальнш емно-ст1 вдбуваеться формування 1мпульав напруги без змши форми фронту тпульсу. Бiбл. 14, рис. 5.

Ключовi слова: iмпульсний трансформатор, емшсне навантаження, активний отр обмоток, iмпульс випробувально!» напруги, випробування електрично!» iзоляцil.

Цель. Анализ влияния активного сопротивления первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора на напряжение на нагрузочной емкости на основании разработанной методики анализа переходных процессов, вызванных разрядом накопительной емкости в первичной обмотке. Методика. Модель для расчета переходных процессов разработана с применением преобразования Лапласа. Моделирование переходных процессов проводилось в программном пакете МАТЬАБ. Результаты расчетов переходных процессов сравнивались с экспериментальными результатами. Результаты. Разработана методика расчета переходных процессов в испытательных установках с импульсными трансформаторами, позволяющая учитывать влияние потерь мощности в первичной и вторичной обмотках на напряжение на нагрузочной емкости. Получены расчетные соотношения, позволяющие учитывать влияние активного сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора на напряжение на нагрузочной емкости, токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора, а также на падение напряжения на индуктивности первичной обмотки трансформатора. Научная новизна. Разработана математическая модель для расчета переходных процессов в первичной и вторичной обмотках импульсного трансформатора с учетом влияния активного сопротивления обмоток при его изменении в широком диапазоне возможных значений. Практическое значение. Использование предложенной методики позволяет определять параметры разрядной цепи, при которых на нагрузочной емкости происходит формирование тестовых импульсов напряжения без искажений формы фронта импульсов. Библ. 14, рис. 5. Ключевые слова: импульсный трансформатор, емкостная нагрузка, активное сопротивление обмоток, импульс испытательного напряжения, испытания электрической изоляции.

Введение. Проблема контроля устойчивости изоляции электроэнергетического оборудования по отношению к вызванным различными причинами перенапряжениям обычно решается путем применения генераторов импульсных напряжений. Такие генераторы могут быть разработаны с использованием широко распространенной схемы Аркадьева-Маркса [1], при применении которой подразумевается заряд электрических конденсаторов при их параллельном соединении с последующим разрядом при последовательном соединении. Пример практического применения упомянутого метода для формирования тестовых импульсов приведен в [2], где дано описание генератора с запасаемой энергией до 0.48 МДж, для формирования импульсов напряжения с амплитудой до 3 МВ. Такой подход позволяет имитировать импульсы перенапряжения, которые возникают вследствие ударов молнии, а также коммутационные перенапряжения. Детальное описание метрологического оборудования, используемого в практике формирования высоковольтных импульсов напряжения, приведено в [3]. Хотя применение генераторов Маркса позволяет формировать импульсы напряжения с достаточными уровнями амплитуды и удовлетворительными для практических целей временными характеристиками, практическая реализация таких схем приво-

дит к определенным трудностям, в первую очередь вследствие необходимости применения значительного количества разрядников [4].

Другой широко распространенный подход, который используется в практике получения высоковольтных импульсов напряжения, основан на реализации различных схем, в которых подразумевается усиление импульсов напряжения до необходимого уровня с использованием импульсных трансформаторов. Типичным примером является описанный в [5] импульсный трансформатор с магнитным сердечником, состоящим из 68-и ферритовых стержней. В некоторых технических приложениях определенные преимущества можно получить при использовании воздушных трансформаторов, так как трансформаторы такого типа не требуют дополнительных цепей размагничивания, которые обычно используются для обеспечения максимального размаха магнитной индукции в сердечнике [6].

Одной из наиболее распространенных проблем для высоковольтных установок с импульсными трансформаторами является необходимость определения напряжения на нагрузочной емкости в широком диапазоне изменения ее значений. В случае примене-

© А.Г. Гурин, И.А. Костюков

ния импульсных трансформаторов с магнитными сердечниками относительно небольшие значения тока холостого хода в некоторых случаях позволяют проводить математический анализ разряда накопительного конденсатора, пренебрегая величиной индуктивности намагничивания. Результаты математического моделирования разрядных процессов накопительного конденсатора на первичную цепь импульсного трансформатора с магнитным сердечником, выполненные в [4], показали, что увеличение величины нагрузочной емкости приводит к уменьшению напряжения на ней. В случае применения воздушного трансформатора его анализ часто проводится без учета активного сопротивления первичной и вторичной обмоток. Детальный анализ переходного процесса в импульсном трансформаторе, с учетом влияния потерь энергии в первичной и вторичной обмотках на величину напряжения на нагрузочной емкости, выполнен в [8]. Однако решение дифференциального уравнения 4 порядка, которое определяет форму тока в первичной и вторичной обмотках, было получено в виде, в котором подразумевается существование только комплексно-сопряженных корней характеристического уравнения. Такие типы корней обычно имеют место в случае анализа цепей с достаточно высокой добротностью. Следовательно, область применения упомянутого анализа ограничена кругом проблем, которые имеют место в случае достаточно незначительных потерь в первичной и вторичной обмотках. Хотя такой анализ является достаточным для подавляющего большинства практических случаев, повышение потерь в первичной и вторичной обмотках может приводить к другим решениям характеристического уравнения. Очевидно, что такие импульсные трансформаторы будут иметь ухудшенные технические характеристики по сравнению с трансформаторами с уменьшенными потерями. Тем не менее, в случае необходимости формирования импульсов напряжения с определенными требованиями к длительности фронта и среза импульса, например, при формировании импульсов напряжения по форме, близких к апериодической, цепи с уменьшенной добротностью могут представлять определенный интерес. Увеличение активного сопротивления позволяет уменьшить, либо полностью устранить искажения импульсов напряжения, которые вызваны колебательными процессами в электрических цепях с высокой добротностью. Следовательно, для некоторых случаев предпочтительно разработать более универсальное решение, которое позволяет анализировать переходные процессы в первичной и вторичной обмотках импульсного трансформатора для более широкого диапазона потерь мощности в обмотках. Такая проблема рассматривалась также в [9], однако приведенные решения, аналогично результатам [8], описывают случай слабозатухающих колебаний, которые обычно имеют место в случае относительно незначительных потерь в первичной и вторичной обмотках. Кроме того, в [9] не затрагиваются вопросы, связанные с определением напряжения на емкости тестируемого объекта. Выражение для напряжения на нагрузочной емкости в операторной форме и общем виде приведено в [10]. Однако оригинал этого выражения определялся для его упрощенной формы, в которой не учитывалась величина активного сопротивления обмоток. Приведенные в [11] решения

учитывают влияние активного сопротивления вторичной обмотки на напряжение на емкости вторичного контура, но анализ проводился для случая возбуждения первичного контура гармоническим напряжением. В данной работе внимание сконцентрировано на случае возбуждения первичного контура путем разряда накопительной емкости. Детальный анализ условий получения максимальных напряжений на емкости вторичной цепи без учета влияния активного сопротивления обмоток первичной и вторичной цепей на временные характеристики напряжения выполнен в [12]. Отсутствуют публикации, в которых учитывается затухание напряжения на нагрузочной емкости, связанное с параметрами первичной и вторичной цепей [13]. Приведенные в [13] соотношения для напряжения на электрической емкости вторичной обмотки, полученные после проведения такого анализа, также основаны на рассмотрении колебательного напряжения на ней. Таким образом, вопросы формирования на нагрузочной емкости испытательных импульсов напряжения, близких к апериодической форме, тесно связаны с результатами, приведенными в [8] и [13]. Тем не менее, в случае необходимости формирования таких импульсов анализ следует проводить для случая более значительных величин активного сопротивления обмоток, которые приводят к другому типу корней характеристического уравнения.

Целью работы является анализ влияния активного сопротивления первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора на напряжение на нагрузочной емкости на основании разработанной методики анализа переходных процессов, вызванных разрядом накопительной емкости в первичной обмотке.

Анализ схемы замещения импульсного трансформатора. Анализ переходных процессов проведен для схемы замещения трансформатора, приведенной на рис. 1.

Рис. 1. Схема замещения для определения влияния тестируемого объекта на параметры импульса напряжения на нагрузочной емкости [8]

На схеме замещения на рис. 1 Сь С2 представляют собой емкости конденсатора в первичной обмотке (накопительный конденсатор) и нагрузочной емкости тестируемого объекта во вторичной обмотке; Я\, Я2 -сопротивления первичной и вторичной цепи; М -коэффициент взаимной индукции между первичной и вторичной обмотками; Ьь Ь2 — индуктивности первичной и вторичной обмоток.

Анализ проведен в предположении о незначительной паразитной емкости первичной и вторичной обмоток (см. рис. 1). В резонансном режиме выполняется равенство:

В таком случае схема замещения (рис. 1) фактически представляет собой схему замещения трансформатора Тесла. Для случая пренебрежительно малых активных сопротивлений первичной и вторичной обмоток и ранее приведенного равенства (1), которое определяет соотношения между индуктивностями Ь1, Ь2 и емкостями С1, С2 напряжение на нагрузочной емкости С2 может быть определено с использованием следующего выражения [14]: