Раздел: Документация
0 ... 6 7 8 9 10 11 12 ... 27 раметра г0. При этом считалось везде, что #=2,5 и z=4/ Фактические значения х>ха затем устанавливаются с учетом просвета в окне для эффективного охлаждения поверхности обмоток. Об определении реальных значений х сказано в разд. 4.3 — формула (4.7). Отметим, нто данные табл. 2.6 для ха несколько отличаются в меньшую сторону от приведенных в работе [1], поскольку в нашем случае считается — вся наружная поверхность обмоток имеет одинаковый теплоотвод и z>2,5. По данным таблицы просматривается также, что с учетом возможной корректировки (пределы указаны выше) оптимальные показатели Хо для всех конструкций могут быть взяты для одного и того же значения г0 одинаковыми (кроме тороидов). Малые значения параметра х являются нетехнологичными и для практики целесообразно иметь х~\. У силовых высокочастотных ФМУ такие значения этого параметра обеспечиваются, поскольку зазоры для охлаждения соизмеримы с толщинами катушек. Неполное заполнение окна магнитопровода почти не ухудшает удельно-экономические показатели ФМУ. При этом необходимо и достаточно, чтобы при х~>ха значение показателя Ks подсчптывалось по выражению (2.65). Неполное заполнение окна обмоточным материалом не приводит к заметным ухудшениям УЭП, поскольку оно почти не влияет на объем катушек и длину средней линии магнитопровода. Например, в формуле /с = r(m+qx+pz) для стержневых ФМУ на рис. 1.1, в имеем. m=.l,G, q=\, р=1, z=4, г=2. Если х—0,5, то изменение его в 2 раза даст отклонение /с, то есть и объем сердечника Vc, не более 8%. Общий объем ФМУ изменится еше меньше. Несущественное влияние на УЭП различной степени неполноты заполнения окна обмотками позволяет для силовых высокочастотных ФМУ нетороидального типа в первом приближении принимать: для низковольтных исполнений с медными обмотками л:~1; для высоковольтных и высокопотенциальных с медными обмотками и низковольтными алюминиевыми *~l,5-f-2. 3 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН СВЧ ФМУ Вопросы проектирования высокочастотных ФМУ мощностью до нескольких киловольт-ампер и с частотами электропитания до нескольких килогерц в литературе освещены [1, 25, 30 и др.]. Вместе с тем приемы расчетов мощных СВЧ ФМУ требуют определенных обобщений и систематизации. 3.1. Отличительные свойства СВЧ ФМУ Понятие «высокочастотный» для ферромагнитных устройств является относительным. Известно, что частота существенно влияет на параметры магнитных элементов электрических цепей, к числу которых относятся-ФМУ. Результаты этого влияния можно оценить лишь относительно какого-то базового значения частоты. Наиболее изучены свойства ФМУ при двух стандартных частотах — 50 Гц (энергетические системы) и 400 Гц (локальные цепи). Установлено [1], что параметры ферромагнитных устройств начинают существенно меняться при частотах 0,4--0,5 кГц и более. Поэтому ФМУ, работающие на частотах выше стандартной 400 Гц, относят для отличия в группу высокочастотных. Отличительными признаками силовых высокочастотных ФМУ являются: 1.Заметное повышение потерь мощности в магнито-проводах, требующее применения качественно других, чем на частотах 50-Г-400 Гц, ферроматериалов. 2.Увеличение активного, индуктивного и емкостного сопротивления обмоток, требующее учета. 3.Уменьшение влияния частоты на массогабаритные показатели единицы мощности (э1//0,2 против э1//г9 для низких частот). 4.Наличие практически всегда, даже при малой мощности ФМУ, естественного теплового режима (пояс- 55 нен. в разд. 3.2), когда расчет магнитопровода приходится вести с ограничением по нагреву. 5. Существенное изменение показателей, связанных с конструктивными и технологическими факторами исполнения. Имеются и другие отличительные признаки СВЧ ФМУ. В целом для этих устройств свойственны: выполнение ма-книтопроводов преимущественно на ленточных сердечниках или ферритах; применение во многих случаях для обмоток многожильных проводников или тонкой ленты; резко возрастающая роль конструкций с развитыми поверхностями охлаждения сердечников и катушек; применение принудительного охлаждения и т. д. Установим область существования СВЧ ФМУ, о которых далее будут вестись рассуждения, пределами параметров: по габаритной мощности 14-1000 кВА по частоте 1-r-lGO кГц. Нижняя граница параметров ФМУ в 1 кВА и 1 кГц установлена нами по соображениям выбора базового СВЧ ФМУ с показателями, удобными для сравнительной оценки ФМУ с другими данными. Параметры такого базового СВЧ ФМУ определены и доведены до табличных сведений [1 и др.], поэтому достоверность расчетов его другими приемами (в том числе изложенными в данной главе) легко проверяется. Мощные ФМУ мегагерцевого диапазона частот имеют свою специфику и требуют самостоятельных обобщений. В данной работе они на рассматриваются. Основным и обязательным критерием для расчетных значений индукции и плотности тока является допустимый перегрев обмоток и. магнитопровода. Критерии ограничения тока холостого хода и потерь напряжения в обмотках теряют свой смысл, так как указанные показатели у СВЧ ФМУ всегда находятся в пределах значений, допустимых по техническим требованиям (кроме случаев работы в повторно-кратковременных режимах с большой скважностью). В свою очередь, расчетные параметры СВЧ ФМУ должны гарантировать удовлетворительные значения коэффициентов полезного действия и мощности трансформатора. Эти показатели приходится при оптимизации отслеживать, принимая за контрольные критерии. Предметом особых забот проектировщика СВЧ ФМУ становятся потери в стали. Они вынуждают считать магнитопроводы важнейшим фактором минимизации удельно-экономических и энергетических показателей всего аппарата. Для улучшения отвода тепла магнитопровода в ряде случаев приходится менять его привычные при малых мощностях конструктивные формы и геометрические соотношения размеров, что, в свою очередь, может увеличить против обычных [1] оптимальные соотношения потерь мощности в сердечниках и катушках. Усложняется вопрос выбора материала магнитопровода, так как снижение на этой основе удельных потерь в стали резко увеличивает стоимость и усложняет технологию изготовления сердечников. Использование шихтованных магнитопроводов оказывается во многих случаях нецелесообразным. Увеличивающиеся (против малой мощности) лицей-ные размеры СВЧ ФМУ требуют учета следующих обстоятельств: —ток намагничивания имеет малый удельный вес по отношению к номинальному току нагрузки, при а= (З-г-4) см он становится не более единиц процентов [1]; —возрастает роль охлаждающих каналов, поскольку они при малрй удельной значимости своих размеров к общим существенно улучшают теплоотвод; становится реальным и целесообразным осуществлять независимое охлаждение сердечников и катушек, разделяя их каналами (канал эффективен при ширине 8 мм и более, при малых размерах ФМУ вводить его нет смысла); —уменьшается эффект улучшения охлаждения за счет контакта с шасси, им часто можно даже пренебречь; —меняется значимость конструктивных типоиспол-нений; например, если для малых мощностей определены зоны, в которых лучшими по удельно-экономическим показателям являются броневые, стержневые или тороидальные конструкции [1], то для СВЧ ФМУ с сечениями магнитопроводов более 10 см2 становятся целесообразными, исполнения, как на рис. 3.3, и, е, м, н и др. Рабочая индукция силовых высокочастотных трансформаторов при непрерывном режиме работы намного меньше индукции насыщения материала магнитопровода и может достигать десятых и сотых долей теслы. Чем больше частота СВЧ ФМУ, тем — при том же магнитном материале — меньше его рабочая индукция (1.58). Индукцию приходится снижать, ограничивая потери в стали, всегда увеличивающиеся с ростом частоты. Поскольку для СВЧ ФМУ не реализуемы большие значения индукции, то это позволяет во многих случаях эффектно использовать ферриты, у которых индукция насыщения ниже 0,3 Тл. 3.2. Типовые режимы работы СВЧ ФМУ и их характеристики Расчетная индукция СВЧ ФМУ вр, определяемая из условия допустимого перегрева магнитопровода по выражению (1.58), может оказаться по своему значению больше индукции насыщения bs. Тогда во избежание больших токов намагничивания приходится принимать bbs, bbs/Bo, что повлияет на все показатели аппарата, в том числе и на УЭП, который будет хуже возможных примерно в bp/bs раз. Для низкочастотных ФМУ, в том числе работающих со стандартной частотой 50 Гц, результат bp>bs считается обычным, иногда он возможен и для СВЧ ФМУ. В целом нелинейность кривой намагничивания определяет согласно [1] два тепловых режима силового трансформатора: естественный (ЕТР), когда 5Р<58 и ввр; вынужденный (ВТР), когда ВР>В8 и b:bs. При ЕТР магнитопровод используется по тепловому режиму оптимально и нагревается не более номинальной для него температуры. При ВТР магнитопровод в тепловом отношении недоиспользуется. Для силовых ФМУ всегда желателен ЕТР, но в любом случае при проектировании нужно точно установить, в каком режиме будет работать аппарат, так как каждому из них соответствуют свои выражения для анализа и расчетов. Граница между ЕТР и ВТР устанавливается с помощью выражения (1.58). Принимая в* — вя/ва и решая его относительно мощности, получим где Ргр— граничная мощность для режимов ЕТР и ВТР; Рб — базовая мощность, максимально возможная по допустимому нагреву СВЧ ФМУ при b = bq, /i=/i0. Рб = мр (mjxnKKs) °5 (mbxnc) v.(3.2) Полное выражение для ра с учетом подстановок из (1.10), (1.28), (1.29), (1.40) и (1.55) имеет вид 1 4кфк0ккхп0В0/10 УБк (z + x)Ks X И + — U 13,5 X (3.3) Рскзс<7с Учитывая, что в выражении (3.3) большинство параметров являются вполне определенными, можно записать Р6 = (стк)* Mi . Как видно, базовая мощность Рб СВЧ ФМУ зависит прежде всего от температурного режима, определяемого параметрами тк, о, и от удельных потерь в стали рс, соответствующих В8, /ю- Но поскольку оптимальные значения тк, <т также являются вполне определенными величинами [1], то решающее влияние на показатель мощности с единицы объема имеют потери в стали. Выражение (3.1) определяет также значение максимальной мощности по условиям допустимого нагрева в целом, если индукцию b<cbs считать предварительно установленной, Рм=Рб(В0/В)«(/10//1)зд-1.(3.4) Значения Ргр при b = bs и Рб при в — вц, /i=fi0 являются частными случаями Рм. Показатели максимальной по условию допустимого нагрева мощности однофазного броневого трансформатора с магнитопроводами из наиболее часто применяемых ленточных талей толщиной 0,05 мм приведены в табл. 3.1. Для расчетов по выражениям (3.1), (3.3) выбраны параметры: Кф=1,11, к0к=0,35, п0=0,5, рк=2,1 • Ю-8 Ом • м, Пк=1, Па = 2, Пм=1, фв=1, 2 = 4, Х=1, у =2, 0 ... 6 7 8 9 10 11 12 ... 27
|
