直流高压发生器之中频变压器的研制
直流高压发生器之中频变压器的研制[20200211152437]
摘要
随着社会的高速发展和科学技术的不断提高，人们对电压的要求越来越高，包括电能质量和电压等级。当电压等级高到一定程度后设备对绝缘材料的绝缘性能的要求就会非常高，需要对绝缘材料的绝缘性能进行测试。对绝缘材料的测量，老式测量设备以工频为基础，体积庞大。
本文针对上述问题研究一种便携式测量设备：直流高压发生器。本设计重点研究直流高压发生器中的一个关键部分：中频变压器。它的好坏直接影响着直流高压发生器性能的稳定与否，测量精确度的高低。本设计中主要设计变压器的三个部分：铁心、导线、绕制。铁心部分主要涉及铁心形状选择和截面的计算；导线部分主要是线径的选择；绕制部分则是关于高低压线圈匝数与层数的计算。本文所设计的中频变压器有较好的高低压隔离的效果、较稳定的变比从而使得直流高压发生器的性能更加稳定，测量更加精确。
直流高压发生器能较精确的测量出绝缘材料的绝缘强度和电气设备的泄露电流。这能从根本上消除由绝缘材料而引起的安全隐患从而大大加强了电力系统的安全可靠性，还能大幅度的减少电力系统内的事故及人员伤亡。对从事电力系统工作的人来说，直流高压发生器是他们人身安全保障的一大重要环节，具有非常重大的意义。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:直流高压发生器中频变压器铁心导线
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 关键技术 2
1.2.1 铁心材料的选择 2
1.2.2 铁心外形的选择 2
1.2.3 导线及其规格的选择 2
1.2.4 导线的绕制 2
2. 直流高压发生器分析 4
3. 铁心材料的选择 6
3.1 软磁 6
3.2 硅钢和铁氧体的比较 6
3.2.1 硅钢 6
3.2.2 铁氧体 6
3.2.3 硅钢和铁氧体的比较 7
4. 铁心外形的选择 9
4.1 铁心形状的选择 10
4.2 铁心截面积的计算 10
5. 导线及其规格的选择 12
5.1 导线材料的选择 12
5.2 导线线径的计算 12
5.2.1 低压侧线径计算 13
5.2.2 高压侧线径计算 14
6. 导线的绕制 15
6.1 导线匝数的计算 15
6.2 绕制层数的确定 15
6.2.1 低压侧层数的确定 15
6.2.2 高压侧层数的确定 16
7. 变压器磁路分析 18
8. 实物组装 21
9. 实际测试实验 22
结语 23
参考文献 24
附录 25
致谢 30
1. 绪论
用电安全是全社会安全工作的重要组成部分，而高压工作人员尤其要注意的就是自己的安全规范。然而有的时候即使工作人员的工作符合安全规范仍然会出现安全事故。这其中最大的原因就在于电气设备的安全可靠性。电气设备的安全可靠性主要体现在其绝缘的性能上。绝缘的好坏直接决定一件电气设备的实用情况。现在的大部分高压电气设备都要求进行绝缘测试，这就需要一个好的测试仪器。
中频变压器是一种特殊的变压器，是根据电磁感应原理所制成的传输交流电能并将交流电压调节成所需电压的装置。在一个相互绝缘的闭合铁心上套上两组相互绝缘的绕组，即构成了单相双绕组变压器。变压器的主要组成部分包括磁路和电路。?
本设计将要设计一个变比为200V:6500V、30KHz的一个中频变压器。
课题研究的背景和意义
直流高压发生器，在多个领域中有广泛的应用，在高压试验中有非常重要的作用，是高压试验仪器中非常重要的一种。如在电动机定子绕组、开关、避雷器、电力电缆、电力系统发电机试验中，需要在直流高电压下进行泄露电流和耐压的试验，用试验的结果来判断被测对象的绝缘性能，借助直流高压发生器就可以非常方便的实现。此外直流高压发生器还大量应用与静电除尘、高压静电喷涂、医用器械、安检X光机等。
直流高压发生器最为重要的一点就是直流输出特性。国家对直流高压试验电压的特性有特别的规定：直流电压时之其算术平均值，直流电压的脉动振幅是最大之与最小值差值的一半，脉动因数是脉动幅值与算术平均值之比。一般规定加与被试验对象上的直流试验电压的脉动因数不能大于3%。这就要求直流高压发生器输出的电压品质达到一定的要求。
目前，直流高压发生器的生产技术已经日渐成熟，尤其是其中的整流逆变技术。但是到现在为止该仪器中的中频变压器部分的稳定性仍然有待提高。本论文所设计的中频变压器就是针对该缺陷而进行的研究与制作。
一个好的中频变压器能在很大程度上提高直流高压发生器的工作效率和质量。而提高直流高压发生器的工作质量能有效的区别出绝缘材料的绝缘好坏程度。这对电力安全来说具有非常重大的意义。
关键技术
对于中频变压器来说有几点技术非常关键：铁心材料的选择；铁心形状的选择；导线及其线径的选择；导线的绕线。
铁心材料的选择
变压器铁心材料的选择要考虑的因素有两点：导磁率、机械强度。
一般制作变压器时机械强度都能满足要求。所以我们主要考虑材料的磁导率。目前，市场上使用较多的是硅钢和铁氧体两种磁性材料。而我要做的就是从硅钢和铁氧体中选出合适的材料来用于我的变压器。
铁心外形的选择
现在变压器铁心形状多种多样，如UY、UYF、GE、GI、GEC、GIC、GEB、GIB等。而选择变压器铁心形状需要根据具体的实际情况，如线圈大小、变压器所需磁通等决定。在本设计中，只考虑铁心的截面积。这主要取决于变压器所需磁通。
导线及其规格的选择
这主要是经验的问题，变压器导线材料的选择一般选用漆包线。
至于导线的线径，我们通过一个公式可以解决：
d = 1.84(I/j)1/2
式中 d——导线直径
I——导线内电流
J——电流密度（这里取2.5A/mm2）
其实漆包线线径的选择还涉及所制作的变压器的温升、电压调整率、结构、槽空间、使用环境温度、肌肤效应和所用的导磁材料等等，不能一概而论。另外不同类型的变压器线径的选择是有不同的标准的，如低频、高频、脉冲以及音频等等，需要根据具体结构具体类型进行估算然后进行绕制验证，最后进行再调整。因此在本设计中只是粗略的计算，只要符合最终变压器的数据指标即可。
导线的绕制
绕线的主要问题集中在如何确定匝数上。这就涉及到一个计算匝数的公式（1-1）：
N=U?TV (1-1)
其中N为线圈匝数、U为该绕组上所加电压、TV为线圈每伏匝数
初级每伏匝数：TV1
SC =104/（4.44fB0TV1 ） (1-2)
式中 TV1——初级每伏匝数（匝/V）；
f——电源频率（Hz）；
SC——铁心有效截面积（cm2）；
B0——空载磁感应强度（T）。
次级每伏匝数：TV2
TV2= TV1/（1-△U%） (1-3)
式中 TV2——次级每伏匝数（匝/V）；
△U%——电压调整率。
除了每伏匝数（从磁场角度考虑）外，匝间电压（从绝缘的角度考虑）也是一个考虑因素，不过这个因素一般在算匝数是就已经根据经验确定了，一般定为每匝1～2V。这个数值可以有效的避免匝间电压击穿绝缘。
2. 直流高压发生器分析
虽然本设计中只设计中频变压器，但是对于其所应用的地方也要有所分析。本设计所应用的直流高压发生器，其原理图如下图2-1所示
图2-1 直流高压发生器原理图
如图所示，通过变压器将220V电压升压之后进行整流。整流波形如图2-2所示。
图2-2 整流波形
整流完后由逆变电路将高压直流逆变为30KHz的交流电。逆变后的波形如图2-3所示。
图2-2 逆变波形
逆变后经过中频变压器升压，再经过倍压电路就可以产生-60KV的直流负高压。
摘要
随着社会的高速发展和科学技术的不断提高，人们对电压的要求越来越高，包括电能质量和电压等级。当电压等级高到一定程度后设备对绝缘材料的绝缘性能的要求就会非常高，需要对绝缘材料的绝缘性能进行测试。对绝缘材料的测量，老式测量设备以工频为基础，体积庞大。
本文针对上述问题研究一种便携式测量设备：直流高压发生器。本设计重点研究直流高压发生器中的一个关键部分：中频变压器。它的好坏直接影响着直流高压发生器性能的稳定与否，测量精确度的高低。本设计中主要设计变压器的三个部分：铁心、导线、绕制。铁心部分主要涉及铁心形状选择和截面的计算；导线部分主要是线径的选择；绕制部分则是关于高低压线圈匝数与层数的计算。本文所设计的中频变压器有较好的高低压隔离的效果、较稳定的变比从而使得直流高压发生器的性能更加稳定，测量更加精确。
直流高压发生器能较精确的测量出绝缘材料的绝缘强度和电气设备的泄露电流。这能从根本上消除由绝缘材料而引起的安全隐患从而大大加强了电力系统的安全可靠性，还能大幅度的减少电力系统内的事故及人员伤亡。对从事电力系统工作的人来说，直流高压发生器是他们人身安全保障的一大重要环节，具有非常重大的意义。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:直流高压发生器中频变压器铁心导线
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 关键技术 2
1.2.1 铁心材料的选择 2
1.2.2 铁心外形的选择 2
1.2.3 导线及其规格的选择 2
1.2.4 导线的绕制 2
2. 直流高压发生器分析 4
3. 铁心材料的选择 6
3.1 软磁 6
3.2 硅钢和铁氧体的比较 6
3.2.1 硅钢 6
3.2.2 铁氧体 6
3.2.3 硅钢和铁氧体的比较 7
4. 铁心外形的选择 9
4.1 铁心形状的选择 10
4.2 铁心截面积的计算 10
5. 导线及其规格的选择 12
5.1 导线材料的选择 12
5.2 导线线径的计算 12
5.2.1 低压侧线径计算 13
5.2.2 高压侧线径计算 14
6. 导线的绕制 15
6.1 导线匝数的计算 15
6.2 绕制层数的确定 15
6.2.1 低压侧层数的确定 15
6.2.2 高压侧层数的确定 16
7. 变压器磁路分析 18
8. 实物组装 21
9. 实际测试实验 22
结语 23
参考文献 24
附录 25
致谢 30
1. 绪论
用电安全是全社会安全工作的重要组成部分，而高压工作人员尤其要注意的就是自己的安全规范。然而有的时候即使工作人员的工作符合安全规范仍然会出现安全事故。这其中最大的原因就在于电气设备的安全可靠性。电气设备的安全可靠性主要体现在其绝缘的性能上。绝缘的好坏直接决定一件电气设备的实用情况。现在的大部分高压电气设备都要求进行绝缘测试，这就需要一个好的测试仪器。
中频变压器是一种特殊的变压器，是根据电磁感应原理所制成的传输交流电能并将交流电压调节成所需电压的装置。在一个相互绝缘的闭合铁心上套上两组相互绝缘的绕组，即构成了单相双绕组变压器。变压器的主要组成部分包括磁路和电路。?
本设计将要设计一个变比为200V:6500V、30KHz的一个中频变压器。
课题研究的背景和意义
直流高压发生器，在多个领域中有广泛的应用，在高压试验中有非常重要的作用，是高压试验仪器中非常重要的一种。如在电动机定子绕组、开关、避雷器、电力电缆、电力系统发电机试验中，需要在直流高电压下进行泄露电流和耐压的试验，用试验的结果来判断被测对象的绝缘性能，借助直流高压发生器就可以非常方便的实现。此外直流高压发生器还大量应用与静电除尘、高压静电喷涂、医用器械、安检X光机等。
直流高压发生器最为重要的一点就是直流输出特性。国家对直流高压试验电压的特性有特别的规定：直流电压时之其算术平均值，直流电压的脉动振幅是最大之与最小值差值的一半，脉动因数是脉动幅值与算术平均值之比。一般规定加与被试验对象上的直流试验电压的脉动因数不能大于3%。这就要求直流高压发生器输出的电压品质达到一定的要求。
目前，直流高压发生器的生产技术已经日渐成熟，尤其是其中的整流逆变技术。但是到现在为止该仪器中的中频变压器部分的稳定性仍然有待提高。本论文所设计的中频变压器就是针对该缺陷而进行的研究与制作。
一个好的中频变压器能在很大程度上提高直流高压发生器的工作效率和质量。而提高直流高压发生器的工作质量能有效的区别出绝缘材料的绝缘好坏程度。这对电力安全来说具有非常重大的意义。
关键技术
对于中频变压器来说有几点技术非常关键：铁心材料的选择；铁心形状的选择；导线及其线径的选择；导线的绕线。
铁心材料的选择
变压器铁心材料的选择要考虑的因素有两点：导磁率、机械强度。
一般制作变压器时机械强度都能满足要求。所以我们主要考虑材料的磁导率。目前，市场上使用较多的是硅钢和铁氧体两种磁性材料。而我要做的就是从硅钢和铁氧体中选出合适的材料来用于我的变压器。
铁心外形的选择
现在变压器铁心形状多种多样，如UY、UYF、GE、GI、GEC、GIC、GEB、GIB等。而选择变压器铁心形状需要根据具体的实际情况，如线圈大小、变压器所需磁通等决定。在本设计中，只考虑铁心的截面积。这主要取决于变压器所需磁通。
导线及其规格的选择
这主要是经验的问题，变压器导线材料的选择一般选用漆包线。
至于导线的线径，我们通过一个公式可以解决：
d = 1.84(I/j)1/2
式中 d——导线直径
I——导线内电流
J——电流密度（这里取2.5A/mm2）
其实漆包线线径的选择还涉及所制作的变压器的温升、电压调整率、结构、槽空间、使用环境温度、肌肤效应和所用的导磁材料等等，不能一概而论。另外不同类型的变压器线径的选择是有不同的标准的，如低频、高频、脉冲以及音频等等，需要根据具体结构具体类型进行估算然后进行绕制验证，最后进行再调整。因此在本设计中只是粗略的计算，只要符合最终变压器的数据指标即可。
导线的绕制
绕线的主要问题集中在如何确定匝数上。这就涉及到一个计算匝数的公式（1-1）：
N=U?TV (1-1)
其中N为线圈匝数、U为该绕组上所加电压、TV为线圈每伏匝数
初级每伏匝数：TV1
SC =104/（4.44fB0TV1 ） (1-2)
式中 TV1——初级每伏匝数（匝/V）；
f——电源频率（Hz）；
SC——铁心有效截面积（cm2）；
B0——空载磁感应强度（T）。
次级每伏匝数：TV2
TV2= TV1/（1-△U%） (1-3)
式中 TV2——次级每伏匝数（匝/V）；
△U%——电压调整率。
除了每伏匝数（从磁场角度考虑）外，匝间电压（从绝缘的角度考虑）也是一个考虑因素，不过这个因素一般在算匝数是就已经根据经验确定了，一般定为每匝1～2V。这个数值可以有效的避免匝间电压击穿绝缘。
2. 直流高压发生器分析
虽然本设计中只设计中频变压器，但是对于其所应用的地方也要有所分析。本设计所应用的直流高压发生器，其原理图如下图2-1所示
图2-1 直流高压发生器原理图
如图所示，通过变压器将220V电压升压之后进行整流。整流波形如图2-2所示。
图2-2 整流波形
整流完后由逆变电路将高压直流逆变为30KHz的交流电。逆变后的波形如图2-3所示。
图2-2 逆变波形
逆变后经过中频变压器升压，再经过倍压电路就可以产生-60KV的直流负高压。
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