4-51 Tesla变压器理论分析与设计

康 强 张德泉 常安碧 孟凡宝 刘庆想 苏友斌 李名加

　　Tesla变压器理论和设计是一项复杂的研究工作，主要包括Tesla变压器理论设计和变压器与形成线一体化结构设计两方面。借助数学分析方法，从脉冲变压器基本原理入手，对开环铁芯Tesla变压器的工作方式和特点进行理论分析，推导出具有有限品质因素的强耦合Tesla变压器等效电路计算式，提出利用Tesla变压器的内、外两个同轴圆筒状开环铁芯实现脉冲产生与成形一体化的设想。充电期间，变压器铁芯是初、次级绕组的磁耦合器件，保证变压器有较高的充电效率，放电时两个铁芯充当一个同轴形成线，完成脉冲电压波的形成和传递。开环铁芯在整个过程中起到两方面作用，最大限度地利用空间实现高压脉冲的产生和成形，提高了效率（图1）。

　　Tesla变压器物理设计中最重要的参数是频率失谐系数a ，设计适当的值既有利于改善变压器高压绕组的电场分布，同时也可以保证较高的能量效率和电压效率。根据总结的Tesla变压器设计思想和方法，以频率失谐系数a 为设计核心对工作电压1MV、重复频率100Hz、脉冲宽度40ns的Tesla变压器与脉冲形成线一体化装置进行物理参数计算和初步结构设计，并对输出波形进行了数值模拟。最后确定的1.0MV Tesla变压器参数为：初级储能电压U₀=350V，变压器工作电压U₂=1.0MV，形成线阻抗Z=40W，重复频率f =100Hz，形成线脉冲宽度t =40ns，耦合系数k_eff=96%，能量传输效率h=75%。

　　在Tesla变压器技术研究的前期理论设计和后期实验验证阶段都需要解决一系列的理论和工程技术难题，针对改善高压绕组电场分布不均匀程度，提高Tesla变压器能量效率和研制大尺寸开环铁芯等技术难点进行了比较全面的分析。