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Tesla变压器锥形绕组电压分布特性研究

作　者: 辛佳祺
导　师: 常安碧
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 物理电子学
关键词: 多导体传输线 对地电压 匝间电压 电压谐振
分类号: TM401
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


高功率微波(HPM)领域，Tesla变压器型强流脉冲电子加速器是一种重要的重复率脉冲功率源，而Tesla变压器正是该种功率源的核心部件。基于Tesla变压器锥形绕组电压分布特性的研究对提高Tesla变压器运行的可靠性和稳定性具有非常重要的意义。在分析Tesla变压器工作原理及特征参数对输出影响的基础上，采用实验研究和数值模拟相结合的方法对Tesla变压器锥形次级绕组的冲击电压分布特性进行了研究，论文的主要内容有：一、建立了用于分析Tesla变压器锥形绕组的多导体传输线(MTL)模型，通过有限元软件ANSYS求解模型中的分布参数，利用入端阻抗法推导了用于求解MTL模型时域电报方程组的递推公式。二、实验研究了空心结构、内铁芯结构和内外铁芯结构锥形绕组的冲击电压分布特性，初步归纳了锥形绕组在不同脉宽条件下的电压分布规律；对空心结构锥形绕组中的电压分布进行了数值模拟，得到的计算结果与实验结果基本一致；建立了简化后的MTL模型的等效链型电路，分析了链型电路的频率特性及谐振机理，对锥形绕组中的电压过冲、电压反向等现象给出了解释。三、参照实际装置中的Tesla变压器与脉冲形成线(PFL)一体化结构搭建实验平台，研究了气体开关导通形成的冲击电压波在Tesla变压器锥形绕组中的分布特性并模拟计算了PFL中的电压分布；采用了首端并绕、末端并绕和加入屏蔽环三种措施优化绕组结构并通过实验验证。结果表明：PFL放电过程中，导致变压器锥形绕组击穿的危险电压梯度最容易出现在绕组首端，首端并绕结构能够有效降低绕组首端的电压梯度、末端并绕结构能够有效降低绕组末端的电压梯度。强流脉冲电子加速器CHP01装置中，Tesla变压器锥形次级绕组的首、末端采用并绕结构，有效解决了绕组的绝缘击穿问题，该装置实现了Tesla变压器输出电压1.15MV、重复频率100Hz，在一定条件下实现了重复频率稳定运行。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章 绪论  7-12
  1.1 引言  7-8
  1.2 国内外研究现状  8-9
    1.2.1 Tesla变压器装置的发展现状  8
    1.2.2 Tesla变压器研制中亟待解决的问题  8-9
  1.3 研究Tesla变压器绕组电压分布的理论模型  9-11
    1.3.1 波动方程模型  9
    1.3.2 集总参数模型  9-10
    1.3.3 混合参数模型  10
    1.3.4 多导体传输线模型  10-11
  1.4 论文主要研究工作  11-12
    1.4.1 理论分析与数值计算  11
    1.4.2 实验研究  11-12
第二章 Tesla变压器工作原理  12-16
  2.1 Tesla变压器的工作原理  12-13
  2.2 一体化结构特征参数  13-15
  2.3 Tesla变压器次级绕组的电压分布  15-16
第三章 多导体传输线理论  16-29
  3.1 MTL模型基本理论  16-19
    3.1.1 电荷感应系数矩阵  16-17
    3.1.2 电感系数矩阵  17-19
  3.2 MTL模型参数求解  19-23
    3.2.1 电荷感应系数矩阵求解方法  20
    3.2.2 电感系数矩阵求解方法  20-21
    3.2.3 电阻系数矩阵求解方法  21
    3.2.4 电导系数矩阵求解方法  21
    3.2.5 计算实例  21-23
  3.3 MTL模型电报方程组求解  23-29
第四章 实验研究与模拟计算  29-49
  4.1 实验方法及装置  29-30
    4.1.1 实验电路  29-30
    4.1.2 测量方法  30
  4.2 实验结果  30-37
    4.2.1 空心结构锥形绕组测量结果  30-33
    4.2.2 内铁芯结构锥形绕组测量结果  33-35
    4.2.3 内外铁芯结构锥形绕组测量结果  35-37
  4.3 模拟计算  37-39
  4.4 分析  39-49
    4.4.1 实验结果分析  39-41
    4.4.2 谐振机理分析  41-49
第五章 Tesla变压器与形成线一体化结构放电过程实验研究  49-60
  5.1 Tesla变压器与形成线一体化结构  49-50
  5.2 实验方法及装置  50-51
  5.3 实验结果及分析  51-56
    5.3.1 实验结果  51-53
    5.3.2 模拟计算  53-54
    5.3.3 分析  54-56
  5.4 绕组结构优化设计  56-60
第六章 结论  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-65
附录  65

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 变压器、变流器及电抗器 > 一般性问题 > 基本原理
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