紧凑Tesla变压器型纳秒脉冲源

采用带有开路磁芯的Tesla变压器与单筒脉冲形成线一体化结构,研制了一台基于Tesla变压器的紧凑GW级纳秒脉冲源,该源包括一个40Ω脉冲形成线、内置Tesla变压器、初级电路及高压吹气主开关等,具有变比高、结构紧凑、能量传输效率高、便于重复频率运行等特点。给出了脉冲形成线、Tesla变压器和主开关等的工作原理、设计方法和模拟计算。实验结果表明,该脉冲源输出电压大于200kV,脉冲宽度约8ns,可以在重复频率100Hz、平均输出功率1GW情况下稳定运行,实验结果与理论设计相符。     

百kV级纳秒脉冲源的设计与实验研究

GW级Tesla型脉冲源在触发开关技术研究中作为触发脉冲源使用,抖动较大,触发开关工作不稳定,需要为其研制一台触发器以解决这一问题。结合其他使用需求,设计了一台百kV级纳秒脉冲源,该脉冲源采用Tesla变压器结合单筒脉冲形成线结构,进行了Tesla变压器结构、Tesla变压器初次级参数、Tesla开路磁芯与初级电路设计,调试结果为:最高输出电压100 kV,峰值功率250 MW,重复频率1~100 Hz,输出脉冲宽度约4 ns,前沿约1 ns。该脉冲源作为触发器使用,可以将GW级Tesla型纳秒脉冲源抖动由500 ns降低至150 ns,满足触发开关研究需求,还可用于产生超宽谱短脉冲进行辐射。     

不闭合磁芯的Tesla变压器初次级线圈电感估算

对具有不闭合磁芯的Tesla变压器磁路进行了研究,计算了Tesla变压器磁路中磁力线分布以及各处磁感应强度分布,结果表明:在磁芯所在位置,磁力线主要集中在磁芯内部; 在内外筒磁芯之间,磁力线主要分布在初次级线圈以外磁芯两端之间的空隙中。实际的Tesla变压器漏磁较小,分析了在没有漏磁的理想情况下Tesla变压器不闭合磁芯对初、次级线圈电感的影响,并给出了初、次级线圈电感的估算公式,利用估计公式得出的结果与实际测量对比,误差范围在15%以内,该公式在Tesla变压器设计和参数估算时不失为一种简便易行的处理方法。     

Tesla变压器耦合系数的静磁场解法

 为研究Tesla变压器耦合系数与各参量的关系,采用静磁场分析方法,从柱坐标系磁场Laplace方程出发,推导出磁场级数表达式的系数矩阵方程组,计算出磁芯磁场的轴向分布和间隙磁场的轴向、径向分布。引入了一种平均耦合系数概念——次级绕组每匝线圈具有独立的耦合系数,用全部单匝耦合系数的平均值作为Tesla变压器的耦合系数。重点研究了平均耦合系数与磁芯纵横比、半径比、初级绕组-磁芯长度比、磁芯材料磁导率的相对变化关系。结果表明:增大纵横比、减小半径比是提高Tesla变压器耦合系数的有效方法;增大磁芯材料的磁导率可提高耦合系数,但效果随磁导率增大而降低;初级绕组长度与磁芯长度之比约为0.7时,耦合系数达到最大值。     

“强光一号”加速器电路模拟与分析

估算了"强光一号"加速器脉冲变压器、传输线、水开关等部分的电路参数,建立了非线性磁芯电路模型和脉冲功率源电路模型,进行了硅钢磁芯特性实验、直线脉冲变压器模块和加速器的电路模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。计算表明,当前运行状态下直线脉冲变压器磁芯并没有达到励磁饱和状态,若将初级储能电容由2.8μF改为4.0μF,充电35 kV不影响加速器输出参数,而且为加速器进一步增加储能、提高输出指标奠定基础。     

Tesla变压器型重复频率纳秒脉冲源的研制

脉冲变压器与陡化开关结合的方式是产生纳秒脉冲较为成熟的方式,采用这种方式,研制了一种基于空芯Tesla变压器和陡化开关的紧凑高压重复频率纳秒脉冲源。该脉冲源主要由重复频率充电模块、Tesla变压器和陡化开关三部分组成,重复频率充电模块主要通过晶闸管的时序配合实现,Tesla变压器为脉冲源装置系统的核心及主升压模块,陡化开关是一个三电极自击穿型气体开关,用于将变压器次级输出的电压陡化成纳秒快脉冲波形,对该重复频率脉冲源以上各部分进行了详细的设计和测试。实验结果表明,该脉冲源可以在6kΩ的负载电阻上输出幅值100kV、上升沿约为30ns、最高频率可达500Hz的高压纳秒脉冲。     

100kV重复频率快前沿触发器

研制了一台输出电压100kV的重复频率快前沿触发器,该触发器基于内嵌Tesla变压器的单筒脉冲形成线和气体开关技术,具有抖动低、结构紧凑、运行可靠等特点。理论分析了影响Tesla型触发器输出脉冲时间抖动的因素,提出了降低抖动的措施,进行了Tesla变压器的理论设计和数值模拟,并开展了实验研究。获得的触发器输出参数为:输出电压100kV(40Ω匹配阻抗),半高宽4ns,前沿0.5ns,重复频率50Hz,抖动小于10ns。     

Tesla变压器与Blumlein线一体化装置设计

介绍了Tesla变压器与Blumlein线一体化装置的基本原理,设计了Tesla变压器及Blumlein线的参数。对装置中绝缘薄弱点进行了电场分析,结果表明:Blumlein线结构设计满足变压器油中绝缘的要求,可以保证装置安全稳定运行。最后对整个装置进行了全电路模拟,模拟结果表明:形成线充电电压可达1.37MV,此时,50Ω上可得到脉冲电压的辐值约为1.4 MV,脉宽约为40 ns,满足设计要求。     

绝缘磁芯平面变压器的漏磁补偿

针对绝缘磁芯平面变压器因绝缘膜而产生的漏磁问题,提出了在每层次级线圈的两端并联补偿电容的解决方法。通过理论分析给出了补偿电容大小的推导公式,利用CST和Protel对搭建的绝缘磁芯平面变压器的仿真计算发现,引入补偿电容后,变压器总的输出电压提高了约17.6%,同时各层次级线圈输出电压的大小基本相同。仿真结果与实验结果一致,从而验证了并联补偿电容方法的有效性。     

四级传输线脉冲变压器研制

介绍了一种传输线脉冲变压器(TLT)的最优化设计理论,在此基础上,研制了一台四级传输线脉冲变压器。所研制的TLT所使用的磁芯基本符合级间无耦合结构TLT最优化设计的要求。采用了柔韧性好的同轴电缆,绕制完成后各级次级线电感值大小分别为1.83,3.52和5.41 mH,符合预定目标。利用Blum-lein作为脉冲源,对所研制的TLT进行了测试,测试结果表明:输入脉冲宽度150 ns,幅值10 kV,上升前沿20ns,输出脉冲宽度150 ns,幅值约40 kV,上升前沿约20 ns,基本波形保持较好,但下降沿和尾部波形不理想,初步分析可能的原因是TLT输出端杂散电容电感引起的阻抗不匹配。此变压器可用于低阻抗陶瓷脉冲形成线输出端的阻抗变换。     

紧凑型Tesla变压器次级电容的计算

给出了紧凑型Tesla变压器次级电容的近似解析表达式,计算结果表明,紧凑型Tesla变压器的次级电容主要由内外筒之间的电容和次级线圈引入的附加电容组成。附加电容的值约等于一段与次级线圈长度相同的同轴线电容,该同轴线的内外径与变压器内外筒直径相同。建立了一个分析Tesla变压器的电路模型,利用数值方法验证了解析计算方法的正确性。研制了一个小型Tesla变压器,进行了相关实验,实验结果与计算结果一致。     

基于双锥形绕组铁芯变压器的三谐振脉冲变压器

研制了一台基于双锥形绕组铁芯变压器的三谐振脉冲变压器,具有结构紧凑、小巧轻便等优点。铁芯变压器磁芯由0.08 mm的硅钢薄带绕成半月形闭合结构,放置于铝制紧固件中;初次级绕组采用双绕组并联结构,两个锥形高压绕组对称绕制在刻槽的有机玻璃骨架上并将高压从圆筒中轴线引出,改善了绕组电场分布的不均匀性并实现了高压的同轴输出。铁芯变压器、LC调谐回路和27 pF脉冲形成线组成三谐振回路,其中谐振电容为同轴结构电容,谐振电感由直径0.08 mm的漆包线不均匀绕制于刻槽的有机玻璃绝缘体上。实验结果表明,该三谐振脉冲变压器最大工作电压大于800 kV,充电时间约为650 ns,同时也验证了将双谐振铁芯脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器具有可行性。     

时基反馈控制的Tesla变压器初级电源

LC谐振充电是Tesla变压器常用的初级电容充电技术,但存在对控制时序要求高、易受电磁干扰和不具备故障保护能力等缺陷。针对这个问题,提出了一种时基反馈控制的LC谐振充电电源。该电源与传统LC谐振电源的主要区别在于,采用特殊设计的时基反馈电路取代多路时基控制器,将能量回收开关反向阻断瞬间的电压突变调制为谐振晶闸管触发信号,从而在能量回收结束时刻启动谐振充电,实现各工作回路准确按照预定时序运行。时基反馈电路由高压元件构成,不易受电磁干扰,且在原理上具备负载短路保护能力。该技术已经应用于CKP1000,CKP5000等多台Tesla型超宽谱脉冲源。实验结果表明,在强脉冲辐射环境下,该电源能够1000 Hz重频稳定运行,且能够在Tesla变压器初级短路故障时进行快速自动保护。     

脉冲变压器磁芯重复频率复位电路的研究

为了提高脉冲变压器磁芯的利用率,需要给脉冲变压器施加退磁电流,使磁芯达到负向饱和点以获得最大的磁感应强度增量。研究了一种工作电压在几十伏的重复频率脉冲复位电路,产生反向脉冲电流,实现磁芯复位。研究了不同复位电容容量和充电电压条件下的磁芯复位效果,发现磁芯复位效果与复位电容所储存的能量具有正相关性。综合考虑脉冲变压器工作的要求,选用较低工作电压和较大复位电容容量的方案。对比分析了有无磁芯复位时硅钢带环形磁芯脉冲变压器的磁化特性,说明了加入复位电路的必要性。试验表明,该复位电路在50 Hz重复频率下可长时间稳定运行。     

650kV/2ns高压脉冲发生器研制

研制了一套峰值650kV、脉宽2ns的窄脉冲发生器,具有结构紧凑、体积小巧、便于移动和产生优质的纳秒高压脉冲等优点。该发生器基于三谐振脉冲变压器原理和脉冲形成压缩实现窄脉冲输出,采用紧凑双锥形绕组铁芯变压器、LC调谐回路和27pF,30Ω脉冲形成线组成三谐振回路,油介质自击穿开关导通后在负载上获得高压脉冲。实验结果表明,该窄脉冲发生器可在80Ω电阻负载上输出脉冲峰值约650kV,脉宽约2ns,与理论分析的结果相吻合。     

20 GW/100 Hz脉冲功率源研制

 20 GW/100 Hz脉冲功率源是一台基于Tesla变压器技术的重复频率脉冲功率装置,设计功率20 GW,脉宽40 ns,重频1～100 Hz,输出功率及重频指标在一定范围内可调。介绍了20 GW/100 Hz脉冲功率源的系统构成,电气及结构参数的确定方法,关键部件的工程工艺技术,并分析了关键绝缘部件的电场分布。实验调试结果表明,20 GW/100 Hz脉冲功率源运行稳定可靠,重频工作时输出电压分散性小于1％,可应用于高功率微波及强流束产生等物理实验研究。     

高电压闭合磁环小型脉冲变压器

 研制了一种结构紧凑、电压升压倍数高达109倍的200 kV级脉冲变压器,以实现高压脉冲变压器的小型紧凑化。用电磁理论分析、电路模拟及实验测试3种方法对变压器的耦合、耐压和输出特性进行了研究, 对重要参数进行了计算和设计。采用晶粒取向硅钢薄带作为变压器磁芯,且磁芯闭合,变压器的有效耦合系数高达0.95以上。高分子材料的绝缘套筒结构和分层交替的绕线方式,使得变压器在初级低压充电2.1 kV时,次级可输出幅度为230 kV、半高全宽为3 μs的高电压脉冲。模拟和实验结果验证了理论设计的合理性。