CN104851575B - 一种脉冲变压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲变压器，包括：由芯体与中柱构成的E型磁芯、初级绕组N1与次级绕组N2，初级绕组N1与次级绕组N2分别缠绕在芯体的两个磁轭上，以及分别缠绕在两个磁轭上的与初级绕组N1反向缠绕的第一辅助绕组N3及与次级绕组N2反向缠绕的第二辅助绕组N4。通过在两个磁轭上分别缠绕的与初级绕组N1反向缠绕的第一辅助绕组N3及与次级绕组N2反向缠绕的第二辅助绕组N4，明显减小了输出电压脉冲波形的上升沿，提高了应用该脉冲变压器的脉冲电场食品杀菌装置的杀菌效率；同时辅助绕组的绕线方式简单，显著的减小了脉冲变压器的体积，降低了制造成本。

Description

一种脉冲变压器

技术领域

本发明涉及变压器领域，并具体涉及在脉冲电场食品杀菌技术中所应用的一种脉冲变压器。

背景技术

脉冲变压器在脉冲电场食品杀菌技术领域的应用十分广泛。产生高压脉冲的技术主要有：脉冲变压器技术、Marx发生器技术、利用脉冲形成线升压的层叠线变压器技术等。后两种技术多用于产生几百kV以上的高电压脉冲，但结构庞大复杂，不利于脉冲发生器系统的小型化且成本较高，应用范围受到限制。目前，研究得较多的是具有开路磁芯的Tesla变压器、带绕式空心变压器和部分磁芯式脉冲变压器。开路磁芯的Tesla变压器输出电压高，耦合系数高，但磁芯结构复杂，造价高。磁芯式变压器结构简单，造价比较低，但耦合系数不高。

由于脉冲变压器在研制过程中不可避免要存在分布电容、分布电感及漏感，这些因素导致了脉冲变压器的输出波形不理想。因为初级绕组和次级绕组分开缠绕在两个E型变压器磁轭上，从而导致脉冲变压器耦合系数有所降低，存在较大漏感，导致输出电压脉冲上升沿时间比较长，造成能源浪费，降低了脉冲电场食品杀菌的效率。

一般而言，从变压器铁芯的材料和制作结构着手尽量减小漏感。在绕组线圈方面，改变初、次级绕组间距的大小，可以对变压器的漏感进行小范围调整；减小绕组匝数和厚度，增加绕组高度也可以使变压器漏感减小。但是当脉冲变压器应用到脉冲电场食品杀菌技术领域，往往需要得到很高的输出电压，所以在绕组匝数问题上就会受到限制；考虑到生产成本，在变压器铁芯选择上也会受到限制。

发明内容

本发明的目的在于公开一种脉冲变压器，用以减少其输出电压脉冲上升沿时间，改善脉冲变压器的输出波形，提高脉冲变压器对食品杀菌的效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种脉冲变压器，包括：由芯体与中柱构成的E型磁芯、初级绕组N1与次级绕组N2，初级绕组N1与次级绕组N2分别缠绕在芯体的两个磁轭上，以及分别缠绕在两个磁轭上的与初级绕组N1反向缠绕的第一辅助绕组N3及与次级绕组N2反向缠绕的第二辅助绕组N4。

在一些实施方式中，第一辅助绕组N3设置于初级绕组N1内侧，第二辅助绕组N4设置于次级绕组N2内侧。

在一些实施方式中，第一辅助绕组N3与第二辅助绕组N4的匝数比为1:1。

在一些实施方式中，第一辅助绕组N3与初级绕组N1优先耦合，第二辅助绕组N4与次级绕组N2优先耦合。

在一些实施方式中，第一辅助绕组N3及第二辅助绕组N4对应同名端连接，第一辅助绕组N3及第二辅助绕组N4对应非同名端连接。

在一些实施方式中，脉冲变压器为升压型脉冲变压器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过在两个磁轭上分别缠绕的与初级绕组N1反向缠绕的第一辅助绕组N3及与次级绕组N2反向缠绕的第二辅助绕组N4，明显减小了输出电压脉冲波形的上升沿，提高了应用该脉冲变压器的脉冲电场食品杀菌装置的杀菌效率；同时辅助绕组的绕线方式简单，显著的减小了脉冲变压器的体积，降低了制造成本。

附图说明

图1为现有技术中不连接辅助绕组的脉冲变压器的漏感积分图。

图2为本发明连接辅助绕组的脉冲变压器的漏感积分图。

图3为本发明连接辅助绕组的脉冲变压器的电路图；

图4为本发明接入辅助绕组时次级绕组电性连接负载R₀的电路图；

图5为本发明接入辅助绕组时次级绕组电性连接高压脉冲食品杀菌处理室时的电路图；

图6为图5中高压脉冲食品杀菌处理室等效负载的电路图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

如图1所示的不连接辅助绕组时的脉冲变压器初级绕组N1与次级绕组N2的电流方向。在图1中，H为漏磁通的磁场强度(包括初级绕组N1的漏磁通以及次级绕组N2的漏磁通)，X为漏磁通路径长度。

由式(1)

式(1)中，μ₀为空气中的磁导率，H为漏磁通的磁场强度，V为磁场分布空间的体积。可以知道E_σ可以和漏感面积A₁成线性关系。

由式(2)

由此可见，漏感l_σ与存储在磁芯外的磁能E_σ有关，所以只要漏感面积A₁减小，则E_σ相继减小，那么l_σ就会减小。

在本具体实施方式中，包括：由芯体与中柱构成的E型磁芯、初级绕组N1与次级绕组N2，该初级绕组N1与次级绕组N2分别缠绕在芯体的两个磁轭上，以及分别缠绕在两个磁轭上的与初级绕组N1反向缠绕的第一辅助绕组N3及与次级绕组N2反向缠绕的第二辅助绕组N4。具体的，该脉冲变压器为升压型脉冲变压器。

如图2所示，在本实施方式中，该第一辅助绕组N3及第二辅助绕组N4对应同名端(即正极性端)连接，第一辅助绕组N3及第二辅助绕组N4对应非同名端(即负极性端)连接。由图1以及图2可知，现有技术中的脉冲变压器的漏感面积A₁大于本发明所示出的脉冲变压器的漏感面积A₂，即图2所示的漏磁能减小，从而漏感面积相继减小。

在本实施方式中，该第一辅助绕组N3设置于初级绕组N1内侧，第二辅助绕组N4设置于次级绕组N2内侧；进一步的，该第一辅助绕组N3与第二辅助绕组N4线圈的匝数比优选为1:1。

如图3所示，规定各绕组电流流入其正极性端(即同名端)。由法拉第电磁感应原理可以得出式(3)：

其中，下标i是对应的绕组，u是绕组两端瞬时电压，i是流经各绕组的瞬时电流，R是绕组有效阻抗，ψ是绕组的瞬时磁链。

假设磁芯不饱和，磁链和产生它的电流成线性关系，继而由下式可以得到每一层线圈上的磁通量为式(4)所示：

每一层线圈上的磁通量可以由以下三部分组成：

(1)流经四个不同线圈的四个电流产生的流过E型磁芯的磁通量Ф；

(2)由自身线圈电流产生的漏磁通量

(3)由两两不同线圈电流相互产生的漏磁通量

给定磁芯磁阻远小于空气磁阻，那么自身漏磁通量和相互漏磁通量和线圈电流成线性关系，引入漏磁通量自感系数l_σii和漏磁通量互感系数l_σij，则得到绕组磁链为式(5)所示：

结合式(3)，每个绕组端电压可表示为式(6)所示：

由式(6)，可以得到四个绕组(即初级绕组N1、次级绕组N2、第一辅助绕组N3、第二辅助绕组N4)端的电压如下式(7)至式(10)所示：

接入第一辅助绕组N3及第二辅助绕组N4后，其连接形式如图4所示，那么由式(7)至式(10)可以得到式(11)至式(14)。

将u₃＝u₄,i₄＝-i₃＝i_r代入式(13)及式(14)，可以得到式(15)。

引入第一辅助绕组N3及第二辅助绕组N4的目的是减小脉冲变压器的漏感系数，而不是影响主磁通量，故n₃＝n₄＝n_r，n_r为第一辅助绕组N3及第二辅助绕组N4的匝数，则式(15)变为式(16)：

R_r＝R₃+R₄；l_r＝l_σ33+l_σ44；M_r＝l_σ34+l_σ43

由式(16)以及图4可得：

如果di_2’/dt≠0，di₁/dt≠0；但i_r＝0：说明l_σ31-l_σ41＝0，l_σ42-l_σ32＝0。初级绕组N1、次级绕组N2的漏磁通与第一辅助绕组N3、第二辅助绕组N4的耦合是相同的。

如果di_2’/dt＝0，di₁/dt≠0；但i_r≠0：说明通过第一辅助绕组N3与第二辅助绕组N4的电流i_r产生了一个补偿初级绕组N1漏磁通的磁通量。

如果di_2’/dt≠0，di₁/dt＝0；但i_r≠0：说明通过第一辅助绕组N3与第二辅助绕组N4的电流i_r产生了一个补偿次级绕组N2漏磁通的磁通量。

综上可知，由初级绕组N1、次级绕组N2的漏磁通耦合第一辅助绕组N3、第二辅助绕组N4得到流经第一辅助绕组N3与第二辅助绕组N4的电流i_r产生了一个不影响主磁通并且可以补偿初级绕组N1与次级绕组N2的漏磁通的磁通量。

为了优化脉冲变压器设计，其中，第一辅助绕组N3优先耦合初级绕组N1，第二辅助绕组N4优先耦合次级绕组N2。假定初级绕组N1优先耦合第一辅助绕组N3，次级绕组N2优先耦合第二辅助绕组N4，那么将得到如图2所示的脉冲变压器，那么l_σ31＞l_σ41，l_σ42＞l_σ32。而且如果漏感与互感之差l_r-M_r减小，则i_r上升时间就减小，其对输出电压波形的影响就会提前。

由于脉冲变压器存在分布电容，第一辅助绕组N3及第二辅助绕组N4在接通和断开状态时，脉冲变压器分布电容值是不同的。第一辅助绕组N3及第二辅助绕组N4接通时将脉冲变压器的分布电容用一个连接在次级绕组端N2的集总等效电容C_eq表示。脉冲电场食品杀菌处理室等效负载的电路图如图6所示。当次级绕组N2的输出端接食品杀菌处理室时，其结构如图5所示。

那么式(7)、式(8)及式(16)变成式(17)至式(19)所示：

由式(17)、式(18)、式(19)可以得出，当第一辅助绕组N3及第二辅助绕组N4接通时，次级绕组N2接入电容C_eq，次级绕组N2两端电压和第一辅助绕组N3、第二辅助绕组N4的电流随输出电压变化率的变化而变化非常明显。由于输出电压根据第一辅助绕组N3、第二辅助绕组N4的电流变化而发生变化，所以接入该脉冲变压器的集总电容后对输出电压变化的影响更加明显。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种脉冲变压器，包括：由芯体与中柱构成的E型磁芯、初级绕组N1与次级绕组N2，所述初级绕组N1与次级绕组N2分别缠绕在芯体的两个磁轭上，其特征在于，还包括分别缠绕在两个磁轭上的与初级绕组N1反向缠绕的第一辅助绕组N3及与次级绕组N2反向缠绕的第二辅助绕组N4；

所述第一辅助绕组N3及第二辅助绕组N4对应同名端连接；

所述第一辅助绕组N3设置于初级绕组N1内侧，所述第二辅助绕组N4设置于次级绕组N2内侧；

所述第一辅助绕组N3与第二辅助绕组N4的匝数比为1:1；

其中，所述E型磁芯为EI型磁芯或者EE型磁芯，且无气隙。

2.根据权利要求1所述的脉冲变压器，其特征在于，所述第一辅助绕组N3与初级绕组N1优先耦合，所述第二辅助绕组N4与次级绕组N2优先耦合。

3.根据权利要求1或者2所述的脉冲变压器，其特征在于，所述脉冲变压器为升压型脉冲变压器。