开关电容一体化的变压器初级模块及装配方法

1.本发明涉及高压储能领域，特别是一种开关电容一体化的变压器初级模块及装配方法。


背景技术：

2.随着脉冲功率技术的发展，对脉冲电源的要求越来越高。传统的tesla变压器基于重频的要求，一般采用半导体开关和电容器组串并联组合的形式作为初级储能。但是，该方式受限于半导体开关工作电压和电容器储能，一般设计电压几百伏。在需要兆伏级以上输出的场合，变压器变比一般大于2000：1；导致变压器次级充电时间较长，一般几十到几百微秒；磁芯截面大，重量重。在电磁脉冲环境模拟技术领域，尤其是机动式布置的电磁脉冲模拟装置，对变压器重量和体积提出了更苛刻的要求。因此，需要提高变压器初级运行电压来降低变压器变比，减小初级储能模块电感来降低变压器次级充电时间，从而降低对变压器伏秒积的要求，减小变压器磁芯的体积和重量。
3.根据变压器初级充电回路参数对次级输出电压的电路分析可知，初级模块电感对次级电压充电时间正相关。次级电容上充电时间可用以下公式计算：
[0004][0005]
其中，cp为变压器初级电容；α为失谐系数，与变压器初、次级电容电感参数有关；l
∑
为泄漏电感，主要由变压器初级漏感和初级回路电感决定。由此可见，当初次级电容参数、变压器励磁参数一定时，初级回路电感成为l
∑
的主要来源。因此，tesla变压器初级模块的电感参数成为影响次级充电时间和变压器伏秒积的主要因素，自身电感能否做得更小，成为影响变压器磁芯重量的关键。
[0006]
tesla变压器初级模块由初级电容、开关和电流测量线圈等组成。传统思路采用多开关和电容串并联水平排布的形式，杂散电感较大，运行电压较低。针对运行电压几十千伏的变压器初级，电容器绝缘距离长、开关间隙较大才能满足绝缘要求，但同时给大体积带来了大电感的隐患。
[0007]
针对上述问题，本发明提供了一种紧凑性同轴结构，布放高压电容器、开放式气体开关和电流测量线圈，采用电容、开关、负载的一体化设计，提供了一种结构更加紧凑，电感和绝缘性能优良的变压器初级模块及装配方法。
[0008]
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

[0009]
针对上述现有技术存在的不足或缺陷，提供了一种开关电容一体化的变压器初级模块及装配方法，采用紧凑型同轴结构，布放高压电容器、开放式气体开关和电流测量线
圈，采用电容、开关、负载的一体化设计。该模块可用于百千伏以上高压脉冲电源中。初级电容为8μf时，可在125pf的次级电容上获得1.6μs的充电时间，可在500pf的次级电容上获得2.5μs的充电时间。
[0010]
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
[0011]
开关电容一体化的变压器初级模块包括，
[0012]
外筒，
[0013]
电磁铁连接件，其设在所述外筒的上表面，电磁铁固定连接所述电磁铁连接件；
[0014]
非金属连接件，其设在所述电磁铁连接件内部，所述非金属连接件连接所述电磁铁；
[0015]
电动机构，其支承于所述电磁铁连接件的上表面且连接所述电磁铁；
[0016]
线圈固定块，其设在所述电磁铁连接件底部；
[0017]
电流测量线圈，其支承于所述线圈固定块；
[0018]
内筒，其与外筒同轴布置且位于外筒内，所述内筒包括；
[0019]
驱动电极，其穿设所述电流测量线圈且连接所述非金属连接件；
[0020]
高压电极，其连接所述驱动电极底部，所述高压电极和驱动电极形成气体开关；
[0021]
脉冲电容器，其经由连接部连接所述高压电极，所述脉冲电容器经由绝缘安装座支承于外筒内。
[0022]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块中，所述外筒紧贴内部电容器外侧成电流回流筒，其电流方向与内筒电流方向相反。
[0023]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块中，所述脉冲电容器为平板高压电容器。
[0024]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块中，所述脉冲电容器包括金属膜电容器。
[0025]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块中，所述高压电极安装在脉冲电容器中心位置且同时作为气体开关的电极。
[0026]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块中，所述脉冲电容器的接地端与变压器初级线圈相连，通过单匝线圈接地。
[0027]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块中，所述脉冲电容器通过气体开关以及外筒向变压器初级线圈馈入电流。
[0028]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块中，开关电容一体化的变压器初级模块为对称结构。
[0029]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块中，非金属连接件和电动机构调节所述驱动电极轴向滑动以改变开关间隙距离。
[0030]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块的装配方法包括如下步骤，
[0031]
电连接件上安装上o型圈，然后螺母紧固安装在绝缘安装座上，绝缘安装座用螺钉固定在基体上；
[0032]
脉冲电容器经由绝缘安装座支承于外筒内，电连接件连接脉冲电容器，电磁铁固定在电磁铁连接件上，电磁铁上安装一个螺母以从下端将非金属连接件和电磁铁螺旋安装在一起，电动机构支承于所述电磁铁连接件的上表面且连接所述电磁铁；
[0033]
电流测量线圈支承于所述线圈固定块，线圈固定块安装在电磁铁连接件底部。
[0034]
有益效果
[0035]
本发明的模块采用紧凑型、模块化设计思路。同等绝缘压力下放电回路避免了连接性功能的部件，从而降低整个电源的电感；同时，与变压器主体之间密封设计，便于更换和检修。依据平板电容的特点，本发明以放电开关为中心，采用一体化设计思路，实现了电容、开关、测量和注入结构的一体化设计，从根本上消除了由连接结构引入的电感增量，并实现了紧凑结构中的电流测量。本发明采用电动机构触发开关，开关具有两种工作模式，实验证明该模块的工作电压从1v～30kv连续可调。本发明开关电极和电动机构之间采用绝缘连接方式，将电动模块隔离在初级放电模块之外，避免了由于主回路高压放电对低压电动机构的干扰和破坏。本发明具有扩展性，可根据需求更换电容器，实现更高电压输出。可根据要求更换变压器桶体，扩展至更高电压的同轴馈入。
[0036]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
[0037]
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
[0038]
在附图中：
[0039]
图1是根据本发明一个实施例的开关电容一体化的变压器初级模块的剖面结构示意图；
[0040]
图2根据本发明一个实施例的开关电容一体化的变压器初级模块的俯视结构示意图。
[0041]
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
[0042]
下面将参照附图图1至图2更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0043]
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以
说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0044]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
[0045]
如图1至图2所示，开关电容一体化的变压器初级模块包括，
[0046]
外筒4，
[0047]
电磁铁连接件2，其设在所述外筒4的上表面，电磁铁固定连接所述电磁铁连接件2；
[0048]
非金属连接件3，其设在所述电磁铁连接件2内部，所述非金属连接件3连接所述电磁铁；
[0049]
电动机构1，其支承于所述电磁铁连接件2的上表面且连接所述电磁铁；
[0050]
线圈固定块6，其设在所述电磁铁连接件2底部；
[0051]
电流测量线圈5，其支承于所述线圈固定块6；
[0052]
内筒，其与外筒4同轴布置且位于外筒4内，所述内筒包括；
[0053]
驱动电极7，其穿设所述电流测量线圈5且连接所述非金属连接件3；
[0054]
高压电极8，其连接所述驱动电极7底部，所述高压电极8和驱动电极7形成气体开关；
[0055]
脉冲电容器9，其经由连接部10连接所述高压电极8，所述脉冲电容器9经由绝缘安装座11支承于外筒4内。
[0056]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块的优选实施例中，所述外筒4紧贴内部电容器外侧成电流回流筒，其电流方向与内筒电流方向相反。
[0057]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块的优选实施例中，所述脉冲电容器9为平板高压电容器。
[0058]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块的优选实施例中，所述脉冲电容器9包括金属膜电容器。
[0059]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块的优选实施例中，所述高压电极8安装在脉冲电容器9中心位置且同时作为气体开关的电极。
[0060]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块的优选实施例中，所述脉冲电容器9的接地端与变压器初级线圈相连，通过单匝线圈接地。
[0061]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块的优选实施例中，所述脉冲电容器9通过气体开关以及外筒4向变压器初级线圈馈入电流。
[0062]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块的优选实施例中，开关电容一体化的变压器初级模块为对称结构。
[0063]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块的优选实施例中，非金属连接件3和电动机构1调节所述驱动电极7轴向滑动以改变开关间隙距离。
[0064]
在一个实施例中，开关电容一体化的变压器初级模块为内外筒4同轴的结构。内筒由平板高压电容器、高压气体开关组成，并穿过导体预留轴向位置放置电流测量线圈5。外筒4体紧贴内部电容器外侧，预留绝缘距离，形成电流回流筒，其电流方向与内筒电流方向相反，形成传输线。可最大限度减小电流包围的体积，减小回路电感。电源初级储能电容选
取电感较小的金属膜电容器，平板结构，电容器高压端电极兼做气体开关的一端的驱动电极7，驱动电极7安装在电容器中心位置；初级储能电容的高压电极8与变压器初级线圈相连，通过单匝线圈接地。
[0065]
在一个实施例中，整个初级模块为一体化结构。开关采用敞开结构，不密封；开关的两个电极分别兼做电容充电高压电极8和初级模块传输线内筒；通过电动机构1控制开关击穿，电容器将通过气体开关、外筒4向变压器初级线圈馈入电流，通过调整内外筒4半径比设计保证模块电感最小。电源通过电动机构1和非金属连接件3调节气体开关一端电极在轴向滑动，从而改变开关间隙距离，使开关在目标电压下击穿，实现向负载传输线注入脉冲电压的目的；同时，电动机构1与开关电极之间用非金属连接件3隔开，不参与初级模块回路放电。进一步地，非金属连接件3为绝缘子。
[0066]
在一个实施例中，在开关运动电极部位，集成设置电流线圈测点。电流测量线圈5套在运动电极外，采用线圈固定块6固定线圈；同时，电流测量线圈5与电极等高压端空气绝缘，避免信号畸变。初级模块与变压器内外筒4之间密封设计，压缩连接结构并便于拆除和更换。初级电容器低压侧通过电连接件12与初级线圈一侧连接；初级模块的金属的外筒4通过连接耳朵结构15与变压器外桶体连接。
[0067]
在一个实施例中，开关电容一体化的变压器初级模块设有bnc电缆连接头16。
[0068]
本发明的有两种工作模式。其一、调节开关电极至特定距离后，通过高压电源向电容两极之间充电至开关自击穿，脉冲电压馈入变压器初级。其二、通过高压电源向电容两极之间充电至目标电压后，再调节减小开关电极至开关自击穿，向变压器初级线圈馈入脉冲电流。
[0069]
所述的开关电容一体化的变压器初级模块的装配方法包括如下步骤，
[0070]
电连接件12上安装上o型圈13，然后螺母紧固安装在绝缘安装座11上，绝缘安装座11用螺钉固定在基体上；
[0071]
脉冲电容器9经由绝缘安装座11支承于外筒4内，电连接件12连接脉冲电容器9，电磁铁固定在电磁铁连接件2上，电磁铁上安装一个螺母以从下端将非金属连接件3和电磁铁螺旋安装在一起，电动机构1支承于所述电磁铁连接件2的上表面且连接所述电磁铁；
[0072]
电流测量线圈5支承于所述线圈固定块6，线圈固定块6安装在电磁铁连接件2底部。
[0073]
在一个实施例中，本发明可用于向tesla变压器馈入快脉冲电流和电压信号，功能上可分为：高压直流电源、储能电容器、气体开关、电流测量和初级线圈五个部分。一个实施例的安装过程是：(1)将绝缘安装座11清洗干净，晾干，放置于装配台上；(2)将电连接件12上安装上o型圈，然后安装在绝缘安装座11上，用螺母紧固；(3)将绝缘安装座11上的凹槽上装配好o型密封圈，然后将装配好得绝缘安装座11用螺钉固定在基体14上，同时也实现了横向和纵向的密封；(4)将脉冲电容器9安装在电连接件12上；(5)将m8连接件与脉冲电容器9另一边相连接；(6)将电阻头与m8连接件连接，然后将装配好得半成品先放置在安装台上；(7)再取出电磁铁连接件2，将电磁铁固定在电磁铁连接件2上，然后在电磁铁上安装一个螺母，接着从下端将非金属连接件3和电磁铁螺旋安装在一起；(8)将101线圈装配与线圈固定块6上；(9)将线圈固定块6安装在电磁铁连接件2上；(10)然后将电极弧头螺旋安装在非金属连接件3上；(11)将电磁铁连接件2安装在套管上。本发明实施例安装完成。
[0074]
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。