一種80 kV高壓脈沖變壓器設(shè)計

鄒祖嬌（合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

隨著國家環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)電除塵使用的三相高壓電源和高頻高壓電源難以達(dá)到要求，除塵電源需向脈沖高壓電源升級換代。脈沖高壓電源電路主要由開關(guān)管IGBT、儲能電容CS、脈沖變壓器PT、隔離耦合電容CC、除塵器、高壓隔離電感Ldc及基礎(chǔ)電源Udc等組成，電路原理如圖1所示。

圖1 電路框圖

脈沖高壓電源的核心是大功率高壓脈沖諧振回路，除高壓開關(guān)IGBT外，脈沖變壓器是最關(guān)鍵的部件，其性能好壞直接決定了脈沖電源的可靠性。下面分別介紹設(shè)計計算方法及關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

1 脈沖變壓器的設(shè)計

該脈沖變壓器是高壓傳輸裝置，主要功能是前級儲能電容放電的脈沖電壓升壓至設(shè)定電壓，再輸出給電場除塵器負(fù)載[1]。受IGBT參數(shù)限制，目前主流產(chǎn)品基本是脈沖輸入2.5 kV，升壓到80 kV左右。

1.1 脈沖變壓器技術(shù)指標(biāo)要求

（1）平均功率：約200 kW；（2）脈沖寬度τ：75 μs；（3）工作頻率F：200 Hz；（4）輸入脈沖電壓UP1：＜2 500 V；（5）輸出脈沖電壓UP2：72～80 kV；（6）輸出脈沖電流IP2：200 A；（7）漏感Ls：≤4 μH；（8）耐壓：負(fù)高壓承受輸出脈沖電壓108 kV。

1.2 設(shè)計步驟

1.2.1 計算功率

脈沖功率：P=80×103×200=1.6×107W；

平均功率：Pe=UP2IP2τ f=80 000×200×75×200=2.40×105W。

1.2.2 選取導(dǎo)線

（1）初級電流有效值I1e＝3.3×30=99 A；初級繞組采用純銅帶繞制，銅帶規(guī)格為厚0.15 mm×270 mm寬；導(dǎo)線截面積Sm=40.5 cm2；初級電流密度j1=4.7 A/mm2。

（2）次級電流有效值I2e＝3.3 A；次級選取導(dǎo)線QZ-2，d＝Φ1mm，2根并繞；導(dǎo)線截面積Sm=1.6 cm2；次級電流密度j2=2.1 A/mm2。

1.2.3 鐵芯選取

（1）鐵芯材料選取

一般常用大功率脈沖變壓器的鐵芯材料有非晶、超微晶和硅鋼薄帶三種，主要參數(shù)對比如表1所示。

表1 主要參數(shù)

其中，非晶帶材鐵芯相對超微晶來說飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度略高，但由于帶材寬度有限，大功率變壓器需要將幾幅鐵芯粘接在一起使用，使鐵芯體積增大，變壓器漏感增大。超微晶材料可以使用在較高頻率條件下（20～100 kHz），但加工工藝性差，材質(zhì)易碎且加工體積受限。硅鋼薄帶厚0.05 mm或0.08 mm，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高，但損耗相對偏高，且價格略貴。

根據(jù)本項目高壓脈沖變壓器功率、頻率及脈沖寬度等參數(shù)，綜合成本及加工制造工藝因素，選取DG4系列硅鋼薄帶，厚度0.1 mm。

（2）鐵芯體積確定

首先確定最佳的鐵芯截面積：

式中，S為鐵芯截面積，單位cm2；U1為初級脈沖電壓，單位V；τ為脈沖持續(xù)時間，單位μs；ΔB為磁感應(yīng)強(qiáng)度增量，單位T；Fm為平均匝長因子，單位cm-1；Ls為允許的漏感值，單位μH；C'2為分布電容值，單位pF。對于高壓大功率寬脈沖油浸變壓器，平均匝長因子Fm可取值5～7。截面積確定了后根據(jù)材料帶寬與體積要求，然后選取合適的鐵芯柱長寬比。其次，確定鐵芯的窗寬和窗高。一般根據(jù)繞組匝數(shù)、繞組形式結(jié)構(gòu)、單層還是雙層次級繞組、絕緣方式和絕緣距離等因素，計算繞組所需要的高度和厚度，最終得出鐵芯窗寬和窗高尺寸。

本脈沖變壓器鐵芯采用CD型鐵芯結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為80 mm×128 mm×325 mm，在200 Hz條件下ΔB值取2 T。鐵芯截面Sc=97 cm2，鐵芯重量Gc=83 kg。

1.2.4 繞組選取

（1）繞組形式

繞組的形式在很大程度上決定了脈沖變壓器的分布參數(shù)（漏感和分布電容）。常用的繞組結(jié)構(gòu)有三種：圓柱形繞組、圓盤形繞組和環(huán)形繞組[2]。

變壓器初、次級線匝各分布于2只線圈上，初級兩組采用鐵芯兩柱串聯(lián)的方式，次級雙繞組分兩鐵芯柱串聯(lián)，具體如圖2所示。

圖2 電路圖

（2）匝數(shù)

初級匝數(shù)：

次級匝數(shù)：

次級次級匝間電壓約為333 V，采用環(huán)氧板骨架開槽繞制。

1.2.5 漏感計算

漏感計算公式為：

1.2.6 絕緣設(shè)計

初級層間采用電纜紙厚0.13 mm與聚酯薄膜厚0.05 mm間繞。

次級繞組采用骨架架空結(jié)構(gòu)，選用變壓器油作為主絕緣材料，變壓器油的耐壓為50 kV/2.5 mm，要求負(fù)高壓承受輸出脈沖電壓108 kV，最高電壓處絕緣距離為28 mm，足夠滿足耐壓要求。

1.2.7 仿真與驗證

（1）波形仿真

根據(jù)脈沖變壓器簡化后的等效電路和計算的漏感、分布電容值，用PSPICE軟件進(jìn)行波形仿真，用以驗證輸出波形參數(shù)。

（2）電場仿真

根據(jù)以上設(shè)計分析，把脈沖變壓器三維建模用Maxwell軟件[3]進(jìn)行電場仿真，用以驗證絕緣設(shè)計是否合理與可靠。

圖3為80 kV脈沖變壓器電場分布圖。

圖3 80 kV脈沖變壓器電場分布圖

2 結(jié) 論

以上設(shè)計計算表明，該設(shè)計方案能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。實物生產(chǎn)后裝入脈沖高壓電源進(jìn)行測試，輸出波形良好，耐壓正常，能滿足整機(jī)使用要求。