邹祖娇(合肥华耀电子工业有限公司,安徽 合肥 230031)
随着国家环保要求的日益严格,传统电除尘使用的三相高压电源和高频高压电源难以达到要求,除尘电源需向脉冲高压电源升级换代。脉冲高压电源电路主要由开关管IGBT、储能电容CS、脉冲变压器PT、隔离耦合电容CC、除尘器、高压隔离电感Ldc及基础电源Udc等组成,电路原理如图1所示。
图1 电路框图
脉冲高压电源的核心是大功率高压脉冲谐振回路,除高压开关IGBT外,脉冲变压器是最关键的部件,其性能好坏直接决定了脉冲电源的可靠性。下面分别介绍设计计算方法及关键技术点。
该脉冲变压器是高压传输装置,主要功能是前级储能电容放电的脉冲电压升压至设定电压,再输出给电场除尘器负载[1]。受IGBT参数限制,目前主流产品基本是脉冲输入2.5 kV,升压到80 kV左右。
(1)平均功率:约200 kW;(2)脉冲宽度τ:75 μs;(3)工作频率F:200 Hz;(4)输入脉冲电压UP1:<2 500 V;(5)输出脉冲电压UP2:72~80 kV;(6)输出脉冲电流IP2:200 A;(7)漏感Ls:≤4 μH;(8)耐压:负高压承受输出脉冲电压108 kV。
1.2.1 计算功率
脉冲功率: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 选取导线
(1)初级电流有效值I1e=3.3×30=99 A;初级绕组采用纯铜带绕制,铜带规格为厚0.15 mm×270 mm宽;导线截面积Sm=40.5 cm2;初级电流密度j1=4.7 A/mm2。
(2)次级电流有效值I2e=3.3 A;次级选取导线QZ-2,d=Φ1mm,2根并绕;导线截面积Sm=1.6 cm2;次级电流密度j2=2.1 A/mm2。
1.2.3 铁芯选取
(1)铁芯材料选取
一般常用大功率脉冲变压器的铁芯材料有非晶、超微晶和硅钢薄带三种,主要参数对比如表1所示。
表1 主要参数
其中,非晶带材铁芯相对超微晶来说饱和磁感应强度略高,但由于带材宽度有限,大功率变压器需要将几幅铁芯粘接在一起使用,使铁芯体积增大,变压器漏感增大。超微晶材料可以使用在较高频率条件下(20~100 kHz),但加工工艺性差,材质易碎且加工体积受限。硅钢薄带厚0.05 mm或0.08 mm,饱和磁感应强度高,但损耗相对偏高,且价格略贵。
根据本项目高压脉冲变压器功率、频率及脉冲宽度等参数,综合成本及加工制造工艺因素,选取DG4系列硅钢薄带,厚度0.1 mm。
(2)铁芯体积确定
首先确定最佳的铁芯截面积:
式中,S为铁芯截面积,单位cm2;U1为初级脉冲电压,单位V;τ为脉冲持续时间,单位μs;ΔB为磁感应强度增量,单位T;Fm为平均匝长因子,单位cm-1;Ls为允许的漏感值,单位μH;C'2为分布电容值,单位pF。对于高压大功率宽脉冲油浸变压器,平均匝长因子Fm可取值5~7。截面积确定了后根据材料带宽与体积要求,然后选取合适的铁芯柱长宽比。其次,确定铁芯的窗宽和窗高。一般根据绕组匝数、绕组形式结构、单层还是双层次级绕组、绝缘方式和绝缘距离等因素,计算绕组所需要的高度和厚度,最终得出铁芯窗宽和窗高尺寸。
本脉冲变压器铁芯采用CD型铁芯结构,结构尺寸为80 mm×128 mm×325 mm,在200 Hz条件下ΔB值取2 T。铁芯截面Sc=97 cm2,铁芯重量Gc=83 kg。
1.2.4 绕组选取
(1)绕组形式
绕组的形式在很大程度上决定了脉冲变压器的分布参数(漏感和分布电容)。常用的绕组结构有三种:圆柱形绕组、圆盘形绕组和环形绕组[2]。
变压器初、次级线匝各分布于2只线圈上,初级两组采用铁芯两柱串联的方式,次级双绕组分两铁芯柱串联,具体如图2所示。
图2 电路图
(2)匝数
初级匝数:
次级匝数:
次级次级匝间电压约为333 V,采用环氧板骨架开槽绕制。
1.2.5 漏感计算
漏感计算公式为:
1.2.6 绝缘设计
初级层间采用电缆纸厚0.13 mm与聚酯薄膜厚0.05 mm间绕。
次级绕组采用骨架架空结构,选用变压器油作为主绝缘材料,变压器油的耐压为50 kV/2.5 mm,要求负高压承受输出脉冲电压108 kV,最高电压处绝缘距离为28 mm,足够满足耐压要求。
1.2.7 仿真与验证
(1)波形仿真
根据脉冲变压器简化后的等效电路和计算的漏感、分布电容值,用PSPICE软件进行波形仿真,用以验证输出波形参数。
(2)电场仿真
根据以上设计分析,把脉冲变压器三维建模用Maxwell软件[3]进行电场仿真,用以验证绝缘设计是否合理与可靠。
图3为80 kV脉冲变压器电场分布图。
图3 80 kV脉冲变压器电场分布图
以上设计计算表明,该设计方案能满足技术指标要求。实物生产后装入脉冲高压电源进行测试,输出波形良好,耐压正常,能满足整机使用要求。