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

Разработка и проектирование высоковольтных импульсных трансформаторов (ИТ) рассмотрена в ряде источников [1–4], где изложены методы расчета и конструирования ИТ. Тем не менее совершенно отсутствует методика разработки ИТ по каскадной схеме. Основное преимущество каскадных схем трансформаторов на высокие напряжения в том, что внутренняя изоляция выходного каскада относительно земли не сосредоточена на одном элементе каскада, а распределена между изоляционными промежутками входящих в каскад трансформаторов. Основным недостатком каскадного включения трансформаторов является большая величина индуктивности рассеяния каскада в целом, которая растет быстрее, чем произведение индуктивностей рассеяния трансформатора на число ступеней каскада.

Для ИТ в схемах формирования импульсов с заданными параметрами этот недостаток каскадной схемы является решающим, и поэтому в таких схемах каскадные ИТ применяются редко. В ряде схем, находящих применение в электроимпульсных технологиях, где ИТ служит для повышения напряжения на обостряющих конденсаторах [5–7], каскадный ИТ может успешно использоваться. За счет распределения напряжения между каскадами и переноса изоляции из внутренней на внешнюю может быть значительный выигрыш в поперечных размерах ИТ. Такие устройства могут находить применение там, где ИТ должен помещаться в объемах, имеющих ограниченный поперечный размер, например, в буровых и каротажных скважинах, в специальных электрофизических установках.

Сформулированы следующие задачи исследований:

• 1.    Провести сравнительные опыты с устройствами ИТ, выполненными по однокаскадной и двухкаскадной схемам.

• 2.    Изучить параметры однокаскадных и двухкаскадных ИТ при использовании различных материалов магнитопровода.

• 3.    Изучить формирующие свойства обеих схем в режиме формирования импульса на активной (резистивной) нагрузке и в режиме перезаряда емкостного накопителя на обостряющую емкость.

• 4.    Экспериментально оценить параметры схем замещения ИТ, выполненных по однокаскадной и двухкаскадной схемам.

Материалы и методы

На рис. 1 приведена использованная для проведения экспериментальных исследований схема установки, позволяющая проводить опыты с однокаскадными и двухкаскадными ИТ. Импульс на входе ИТ формировался путем разряда емкости С1, которая заряжалась через первичную обмотку ИТ и разряжалась на нее при коммутации ключа К. Схема позволяет изучать параметры как однокаскадных, так и двухкаскадных ИТ.

Рис. 1. Схема установки для проведения экспериментальных исследований Fig. 1. Apparatus for carrying out experimental research

Измерения выполнялись цифровым осциллографом типа АКТАКОМ с помощью делителей напряжения (R ₁ – R ₂ ) и токовых шунтов (R _ш ).

Для проведения исследований были разработаны тороидальные ИТ с различными типами магнитопроводов, конструктивные параметры которых приведены на рис. 2. Сердечники ИТ двух типов: из пермаллоя и из распыленного железа. Число витков первичной обмотки и обмотки возбуждения w 1 = w в = 10, вторичной – w 2 = 40, коэффициент трансформации каждого ИТ К Т = 4. Первичная обмотка однослойная, вторичная – двухслойная. На рис. 3 приведены магнитные характеристики этих двух материалов. Их относительные магнитные проницаемости отличаются многократно: пермаллой – м = 1 600, распыленное железо – м = 100.

пермаллой распыленное железо

пермаллой

Рис. 3. Петли гистерезиса сердечников из пермаллоя и распыленного железа Fig. 3. The hysteresis loops of cores made of permalloy and atomized iron

Рис. 2. Конструктивные параметры ИТ

Fig. 2. The design parameters of PT

распыленное железо

Схемы замещения двухкаскадных ИТ представлены на рис. 4 в полном и упрощенном варианте, где L _S1 и L _S2 – индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток, L _м1 и L _м2 – индуктивности намагничивания ИТ первого и второго каскадов, С д1 и С д2 – динамические емкости ИТ первого и второго каскадов. Индуктивности рассеяния первичных обмоток меньше, чем у вторичных, в К _Т ² раз, поэтому в расчетах ими можно пренебречь.

Рис. 4. Схемы замещения двухкаскадных ИТ в полном и упрощенном варианте Fig. 4. Schemes of two-stage PT replacement in the full and simplified version

Для расчетов значений L _S2 , L _м1 и L _м2 используются экспериментальные данные опытов холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ) одиночных и каскадных ИТ.

Из опытов ХХ и КЗ можно определить индуктивности намагничивания однокаскадных и двухкаскадных ИТ, а также индуктивности рассеяния. Схемы замещения этих опытов приведены на рис. 5 и 6.

Рис 5. Схемы замещения при опытах ХХ для однокаскадного и двухкаскадного ИТ Fig. 5. The equivalent circuit with experiments of the idling for a single-stage and two-stage PT

Рис 6. Схемы замещения при опытах КЗ для однокаскадного и двухкаскадного ИТ Fig. 6. The equivalent circuit short-circuit tests for single-stage and two-stage PT

Эти параметры определяются исходя из экспериментально определяемых периодов колебаний при различных включениях однокаскадных и двухкаскадных ИТ, которые приведены в формулах 1–4.

• 1.    Режим холостого хода.

• 2.    Режим короткого замыкания.

Однокаскадный ИТ:

t = 2n VCL1.(1)

Двухкаскадный ИТ:

TK3 = 2пТС^, где L^ = L^L2 +LS2) .(2)

^L ц 1 ⁺ L 2 ⁺ L S 2

Однокаскадный ИТ:

T = 2п4C1LS2 .(3)

Двухкаскадный ИТ:

Ткз = 2пVC1 Ls2(эМ) , где Ls2(экв) = 2LS2 ■(4)

Результаты и обсуждение

Осциллограммы опытов ХХ и КЗ приведены на рис. 7.

Однокаскадный ИТ, U ₁ , I ₁

Двухкаскадный ИТ, U ₁ , I ₁

Распыленное железо

Рис. 7. Токи и напряжения в первичных обмотках ИТ при режимах КЗ и ХХ

Fig. 7. The currents and voltages in the primary windings of PT in short-circuit conditions and idling

Экспериментальная оценка динамической емкости ИТ проведена на основе осциллограмм осцилляций на фронте импульса напряжения на вторичных обмотках ИТ. На холостом ходу величина периода фронтовых осцилляций T 0 зависит от соотношения индуктивностей рассеивания ИТ, а также генераторной и динамических емкостей. Тогда величина C Д , приведенная к первичной обмотке, определяется:

₌      T 0² ⋅ C 1

^Д 4π⋅L S1 ⋅C 1 -T 0^{2 .}

Осциллограммы с паразитными колебаниями на фронтах импульса напряжения вторичных обмоток ИТ в опытах холостого хода приведены на рис. 8.

Пермаллой

Однокаскадный ИТ, U 2                          Двухкаскадный ИТ, U 2

Распыленное железо

Одиночный ИТ, U 2

Каскад ИТ, U 2

Рис. 8. Осцилляции на фронтах импульсов при XX ИТ Fig. 8. Oscillations at the edges of the pulses at PT idling

Сравнение расчетных параметров ИТ и паразитных динамических емкостей однокаскадных и двухкаскадных ИТ с различными типами сердечников проведено в табл. 1. В скобках указаны параметры, приведенные ко вторичной обмотке, с учетом того, что у однокаскадного ИТ К Т = 4, у двухкаскадного – К Т = 8.

Таблица 1. Расчетные параметры ИТ Table 1. Design parameters of PT

	Одиночный ИТ		Каскадный ИТ
	Пермаллой	Распыленное железо	Пермаллой	Распыленное железо
L S2 (мкГн)	1,35 (22,1)	1,25 (20)	2,45 (157)	1,8 (115)
L м1 (мкГн)	61,3 (981)	25,3 (405)	31,2 (1997)	12,8 (819)
С Д (пФ)	242,9 (15,2)	352,3 (22,0)	676,6 (10,6)	933,0 (14,6)

Можно отметить, что приведенная к вторичной обмотке динамическая емкость крайне мала и ею при расчетах для данных моделей можно пренебречь.

Анализ данных табл. 1 показывает, что индуктивные и емкостные параметры схем замещения у двухкаскадных ИТ в сравнении с однокаскадными ИТ имеют соотношения, приведенные в табл. 2.

Таблица 2. Сравнительные значения параметров схем замещения однокаскадных и двухкаскадных ИТ

Table 2. Comparative values of single-stage and two-cycle PT equivalent circuit parameters

Сердечник	Пермаллой	Распыленное железо
L S2 (двухкаскад. ИТ) / L S2 (однокаскад. ИТ)	1,8	1,5
L м1 (двухкаскад. ИТ) / L м1 (однокаскад. ИТ)	0,58	0,67
С Д (двухкаскад. ИТ) / (однокаскад. ИТ)	2,8	2,64

Расчеты параметров однокаскадных трансформаторов по известным методикам [1] дали значения, близкие к экспериментальным, следовательно, указанные в табл. 2 соотношения можно считать достоверными и их можно использовать в предложенных схемах замещения для каскадных ИТ (рис. 4). Действительно, индуктивности намагничивания в каскаде практически уменьшаются вдвое, индуктивности рассеяния при этом близки к удвоению.

Далее приведены результаты опытов при работе однокаскадных и двухкаскадных ИТ на резистивную и емкостную нагрузку. На рис. 9 приведены схемы опытов.

Рис. 9. Схемы опытов с резистивной и емкостной нагрузкой для однокаскадных (А) и двухкаскадных (Б) ИТ

Fig. 9. Scheme of experiments with resistive and capacitive load for the single-stage (A) and two-stage (B) PT

Показано, что реальные значения К _Т отличаются от конструктивных и зависят от величины нагрузки. (Конструктивные К _Т для однокаскадных ИТ: К _Т = 4, для двухкаскадных ИТ: К _Т = 8.) Значения опытных К _Т в зависимости от нагрузки приведены в табл. 3 и 4.

Таблица 3. К _Т однокаскадных ИТ, резистивная нагрузка Table 3. К Т of single-stage PT, resistive load

Нагрузка, Ом	100	600	Холостой ход
ИТ (сердечник – пермаллой)	3,5	3,7	3,8
ИТ (сердечник – распыленное железо)	3,4	3,5	3,7

Таблица 4. К Т двухкаскадных ИТ, резистивная нагрузка Table 4. К Т of two-stage PT, resistive load

Нагрузка, Ом	100	600	Холостой ход
ИТ (сердечник – пермаллой)	3,7	6,4	7,3
ИТ (сердечник – распыленное железо)	4,0	6,2	7,0

Осциллограммы формирования импульсов на резистивной нагрузке приведены на рис. 10 и 11.

Рис. 10. Однокаскадный ИТ, U2, I2, резистивная нагрузка

Fig. 10. Single-stage PT, U2, I2, resistive load

Распыленное железо

Пермаллой

U2, I1

U2, I1

Рис. 11. Двухкаскадный ИТ, U2, I2, резистивная нагрузка

Fig. 11. Two-stage PT, U2, I2, resistive load

Результаты опытов с емкостной нагрузкой приведены в табл. 5 и 6. Основной интерес представляют результаты опытов при согласованных емкостях, а именно: С ₂ = С ₁ I _{K T}2 _.

Таблица 5. К _Т однокаскадных ИТ, емкостная нагрузка (согласованная емкость С ₂ = 33 000 пФ) Table 5. К Т of single-stage PT capacitive load (coordinated capacity C 2 = 33 000 pF)

Нагрузка, пФ	2 250	8 200	33 000
ИТ (сердечник – пермаллой)	5,38	5,75	4,29
ИТ (сердечник – распыленное железо)	4,95	5,05	4,29

Таблица 6. К _Т двухкаскадных ИТ, емкостная нагрузка (согласованная емкость С ₂ = 8 200 пФ) Table 6. К _Т of two-stage PT, capacitive load (coordinated capacity C ₂ = 8 200 pF)

Нагрузка, пФ	2 250	4 450	8 200
ИТ (сердечник – пермаллой)	11,3	9,28	7,64
ИТ (сердечник – распыленное железо)	11,25	9,2	7,60

Осциллограммы формирования импульсов на емкостной нагрузке приведены на рис. 12.

Рис. 12. Емкостная нагрузка (емкости согласованные)

Fig. 12. The capacitive load (capacity agreed)

Выводы

Анализ полученных результатов и данных, приведенных в табл. 3–6 и рис. 10–12, позволяет сделать следующие выводы.

• 1.    Разряд емкостного накопителя на резистивную нагрузку через ИТ.

• 2.    Разряд емкостного накопителя на емкостную нагрузку через ИТ.

У однокаскадных ИТ К _Т возрастает с увеличением сопротивления нагрузки (табл. 3) и максимален на холостом ходу. Величина К _Т несколько меньше у ИТ с сердечником из распыленного железа. Сердечники из пермаллоя в связи с малой коэрцитивной силой приходят в насыщение при сравнительно низких импульсных токах, поэтому при работе на резистивную нагрузку КПД выше у ИТ с сердечниками из распыленного железа.

У двухкаскадных ИТ эффективность крайне низкая даже при сравнительно высоких сопротивлениях нагрузки (100 Ом, табл. 4). При конструктивном К Т = 8 его реальная величина почти вдвое меньше из-за того, что индуктивные элементы схемы замещения образуют реактивный делитель. Поэтому применение многокаскадных схем ИТ при работе на резистивную нагрузку нецелесообразно.

У однокаскадных ИТ в режиме согласования накопительной и обостряющей емкостей КПД передачи энергии в обостряющую емкость близка к 100 % (рис. 10).

У каскадных ИТ (рис. 11) результат практически такой же.

Таким образом, с учетом достоинств каскадных ИТ, их применение целесообразно в режимах перезаряда накопительных конденсаторов на обостряющую емкость в согласованных режимах. Использование сердечников из пермаллоя и распыленного железа в указанном режиме практически равноценно.