摘  要：為解決在靜電陀螺和靜電加速度計等高精度慣性儀表中，方波調(diào)制高壓變壓器輸出方波發(fā)生畸變，降低了波形的實際出力系數(shù)的問題，該文對方波變壓器的特性進行分析，得出了影響其波形畸變的各種因素。以此為依據(jù)設(shè)計的一種變壓器，獲得了最大輸出電壓1．76 kV、出力系數(shù)0．92、帶寬大干47 kHz的優(yōu)異性能。結(jié)果表明，通過對方波變壓器的特性進行分析，選擇合理的參數(shù)和工藝，能夠顯著提高方波的出力系數(shù)。
關(guān)鍵詞：高壓變壓器；容性負載；特性分析；出力系數(shù)

    高壓變壓器是交流靜電懸浮系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件之一，對其要求為輸出電壓高、體積小、效率高、絕緣性能好、制作工藝簡單。交流靜電懸浮系統(tǒng)的調(diào)制波有正弦波和方波兩種，其中正弦波出力系數(shù)低，僅用于對承載能力要求不高的場合；方波的突出優(yōu)點是出力系數(shù)大，美國Honeywell公司1960年代末研制的方波靜電懸浮系統(tǒng)，出力系數(shù)近0．9，并應(yīng)用于航空靜電陀螺儀；中國對方波靜電懸浮系統(tǒng)的研究始于l970年代，設(shè)計出的方波變壓器出力系數(shù)達0．84。但方波靜電懸浮系統(tǒng)至今在國內(nèi)仍沒得到應(yīng)用，究其原因，除相對功耗較大外，方波調(diào)制高壓變壓器(以下簡稱方波變壓器)輸出方波波形的畸變導致出力系數(shù)降低也是個重要因素。因此建立方波變壓器的理論模型，分析影響其輸出波形的各種因素，對于方波靜電懸浮系統(tǒng)的研制具有重要意義。

1 方波變壓器的特性分析
    方波高壓變壓器的T型等效電路如圖l所示。

    圖中ui為初級電壓,u＇o為輸出電壓，R1為初級銅阻，Ls為漏感，L1為激磁電感，RT為鐵損分量，C＇1為分布電容，R＇2為次級銅阻。帶“＇”的參數(shù)為折算到初級后的結(jié)果。
    這是一個3階網(wǎng)絡(luò)，其解析解形式復雜，不利于直接分析電路中各參數(shù)對變壓器輸出波形的影響；而每個方波脈沖都由上升沿、平頂、下降沿3部分組成，導致各部分畸變的主要因素也不同，因此可按方波的3個組成部分分別對圖1進行簡化建模，得出直觀的結(jié)果。

1．1 方波上升沿
    由于高壓變壓器繞組間存在漏感，繞組及高壓引線間存在分布電容，這些寄生參數(shù)的存在，使前沿很陡的方波加到變壓器上時，在變壓器中將產(chǎn)生復雜的振蕩過程。高壓變壓器的激磁電感遠大于漏感，因此在研究方波上升沿形成過程時其分流作用可以忽略不計，此時變壓器等效電路如圖2所示。

    對于高壓變壓器有R1《RT和Ls《RT成立，因此鐵損分量對方波上升沿的影響可以忽略。設(shè)輸入為單位電壓，即ui=1；其中ξ為系統(tǒng)阻尼比，ωn為無阻尼自然頻率，則方程的解為：

    不同ξ值時的方波前沿曲線如圖3所示。
    由圖3可知，方波上升沿僅與ξ有關(guān)，而ξ與R1及成正比。

1．2 方波平頂
    方波前沿結(jié)束后，分布電容上的電壓和流過漏感的電流都達到穩(wěn)定值，且在平頂期間變化不顯著，因此在分析平頂?shù)男纬蛇^程時可忽略分布電容及漏感的影響，則反映方波平頂形成過程的變壓器等效電路如圖4所示。

式中TD=L1/R1，為變壓器電路的低頻時間常數(shù)。
    式(5)表明，方波前沿結(jié)束后，變壓器輸出電壓隨時間按指數(shù)規(guī)律下降，而且低頻時間常數(shù)越小，電壓降低的速度越快。設(shè)方波周期為T，則方波平頂期間電壓的相對變化量為

式(6)表明，方波平頂降落的大小與R1、T成正比，與L1成反比。因此可采取減小初級銅阻、增大激磁電感和提高變壓器工作頻率的措施減小方波的平頂降落。

1．3 方波下降沿
    方波平頂結(jié)束后，變壓器從功率放大電路“斷開”，存儲在激磁電感、漏感、分布電容中的能量就會被釋放出來。反應(yīng)方波下降沿形成過程的變壓器等效電路如圖5所示。

    由圖6可知方波下降沿僅與δ有關(guān)，且δ越大方波下降沿畸變越小。<