摘  要：为解决在静电陀螺和静电加速度计等高精度惯性仪表中，方波调制高压变压器输出方波发生畸变，降低了波形的实际出力系数的问题，该文对方波变压器的特性进行分析，得出了影响其波形畸变的各种因素。以此为依据设计的一种变压器，获得了最大输出电压1．76 kV、出力系数0．92、带宽大干47 kHz的优异性能。结果表明，通过对方波变压器的特性进行分析，选择合理的参数和工艺，能够显著提高方波的出力系数。
关键词：高压变压器；容性负载；特性分析；出力系数

    高压变压器是交流静电悬浮系统中的关键元件之一，对其要求为输出电压高、体积小、效率高、绝缘性能好、制作工艺简单。交流静电悬浮系统的调制波有正弦波和方波两种，其中正弦波出力系数低，仅用于对承载能力要求不高的场合；方波的突出优点是出力系数大，美国Honeywell公司1960年代末研制的方波静电悬浮系统，出力系数近0．9，并应用于航空静电陀螺仪；中国对方波静电悬浮系统的研究始于l970年代，设计出的方波变压器出力系数达0．84。但方波静电悬浮系统至今在国内仍没得到应用，究其原因，除相对功耗较大外，方波调制高压变压器(以下简称方波变压器)输出方波波形的畸变导致出力系数降低也是个重要因素。因此建立方波变压器的理论模型，分析影响其输出波形的各种因素，对于方波静电悬浮系统的研制具有重要意义。

1 方波变压器的特性分析
    方波高压变压器的T型等效电路如图l所示。

    图中ui为初级电压,u＇o为输出电压，R1为初级铜阻，Ls为漏感，L1为激磁电感，RT为铁损分量，C＇1为分布电容，R＇2为次级铜阻。带“＇”的参数为折算到初级后的结果。
    这是一个3阶网络，其解析解形式复杂，不利于直接分析电路中各参数对变压器输出波形的影响；而每个方波脉冲都由上升沿、平顶、下降沿3部分组成，导致各部分畸变的主要因素也不同，因此可按方波的3个组成部分分别对图1进行简化建模，得出直观的结果。

1．1 方波上升沿
    由于高压变压器绕组间存在漏感，绕组及高压引线间存在分布电容，这些寄生参数的存在，使前沿很陡的方波加到变压器上时，在变压器中将产生复杂的振荡过程。高压变压器的激磁电感远大于漏感，因此在研究方波上升沿形成过程时其分流作用可以忽略不计，此时变压器等效电路如图2所示。

    对于高压变压器有R1《RT和Ls《RT成立，因此铁损分量对方波上升沿的影响可以忽略。设输入为单位电压，即ui=1；其中ξ为系统阻尼比，ωn为无阻尼自然频率，则方程的解为：

    不同ξ值时的方波前沿曲线如图3所示。
    由图3可知，方波上升沿仅与ξ有关，而ξ与R1及成正比。

1．2 方波平顶
    方波前沿结束后，分布电容上的电压和流过漏感的电流都达到稳定值，且在平顶期间变化不显著，因此在分析平顶的形成过程时可忽略分布电容及漏感的影响，则反映方波平顶形成过程的变压器等效电路如图4所示。

式中TD=L1/R1，为变压器电路的低频时间常数。
    式(5)表明，方波前沿结束后，变压器输出电压随时间按指数规律下降，而且低频时间常数越小，电压降低的速度越快。设方波周期为T，则方波平顶期间电压的相对变化量为

式(6)表明，方波平顶降落的大小与R1、T成正比，与L1成反比。因此可采取减小初级铜阻、增大激磁电感和提高变压器工作频率的措施减小方波的平顶降落。

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