Раздел: Документация
0 ... 17 18 19 20 21 22 23 ... 35 принять оценки, полученные в предыдущем параграфе. По этой же формуле можно рассчитывать толщину листа и при малых приращениях индукции. Тогда расчетная толщина листа увеличивается в у/~Ъ~раз. Если толщина листа, рассчитанная по формуле (5.6), окажется более 0,2 мм, то появляется возможность применить типовую для силовых трансформаторов стержневую МС круглого или прямоугольного сечения из трансформаторной стали марок 3404—3408. Это позволит изготовлять МС и ИТ в целом по отработанной на предприятиях электротехнической промышленности технологии производства силовых трансформаторов. Если толщина листа окажется меньше 0,2 мм, то необходимо применять витую МС тороидального или стержневого типа. Предпочтение в этом случае следует отдавать тороидальной МС, как более экономичной и технологичной. При выборе толщины листа приходится считаться и со многими другими обстоятельствами, определяющими в итоге и выбор типа МС. Так, с увеличением частоты повторения импульсов пропорционально возрастают потери мощности в МС. Увеличение частоты не приводит к уменьшению КПД ИТ, так как пропорционально частоте увеличивается и средняя мощность ИТ. Однако с увеличением частоты растут абсолютные потери мощности и пропорционально им — количество теплоты, выделяющейся в МС. Вследствие этого усложняется задача охлаждения ИТ. В таких случаях приходится с целью уменьшения потерь на вихревые токи и облегчения теплового режима ИТ уменьшать тол-шину листов против той, которая необходима для получения допустимого снижения напряжения на вершине импульса. Таким образом, толщина листа может оказаться менее 0,2 мм и по этой причине придется применить МС витого типа. При этом снижение напряжения на вершине импульса уменьшается, что является фактором положительным, но конструкция МС и ИТ в целом усложнится. При большой длительности, но малой энергии импульсов, возможно, придется увеличивать число витков в обмотках и тогда возникнут трудности с размещением обмоток в окне МС. В таких случаях более удобна стержневая МС шихтованного или разрезного типа, позволяющая упростить конструкцию обмоток, сделать их в виде многослойных или секционированных катушек. При стержневых МС проще выполнить конические и спиральные обмотки, в то время как при тороидальных МС конструкция обмоток и всего ИТ в целом усложняется. Все эти соображения должны учитываться при выборе конструкции ИТ. При выборе конструкции МС важно учитывать также производственные и технологические факторы. Так, например, изготовление тороидальных МС большого диаметра требует специализированного уникального оборудования, которого может не оказаться. В таких случаях могут использоваться тороидальные МС относительно малого диаметра, но тогда конструктивные соотношения в ИТ окажутся неоптимальными, конструкция — нетиповой, при этом обычно существенно увеличивается 120 объем МС. В каждом конкретном случае приходится учитывать и другие факторы, накладывающие дополнительные ограничения на выбор конструкции, например условия эксплуатации, транспортировки, требования к механической прочности и виброустойчивости. В целом выбор конструкции ИТ должен производиться с учетом всего комплекса требований, предъявляемых к ИТ, и рассматривается как наиболее ответственный этап проектирования, поскольку в наибольшей мере определяет технико-экономические показатели ИТ, его технологичность, эксплуатационные свойства. После определения типа МС выбирается конструкция обмоток. Предпочтение следует отдавать коническим обмоткам, позволяющим свести до минимума объем МС. Однако вследствие относительной конструктивной сложности и меньшей механической прочности конических обмоток приходится применять и цилиндрические обмотки, более простые и технологичные. В обоих случаях рекомендуется конструкция обмоток с вводом посредине. Иногда технико-экономические показатели ИТ имеют второстепенное значение. Это особенно характерно для установок физического эксперимента, когда необходимо оперативное решение каких-либо принципиальных задач. Тогда приходится выбирать конструкции ИТ, которые могут быть реализованы при имеющихся материальных возможностях. Вопросы выбора обмоток дополнительно рассматриваются ниже в примерах расчета ИТ. Выбор размеров изоляционных промежутков производится посредством их расчета по формулам (4.36) и (4.37), в которых принимается максимальная допустимая напряженность электрического подя. Изоляционный промежуток между первичной обмоткой и МС обычно выбирается из конструктивных соображений, определяемых необходимостью устройства охлаждающих каналов и обеспечения достаточной механической прочности каркаса первичной обмотки, поскольку он является конструктивной основой катушки с обмотками. По этим причинам размер данного изоляционного промежутка обычно оказывается значительно большим, чем требуемый по условиям электрической прочности изоляции первичной обмотки. Это несколько увеличивает индуктивность рассеяния и междуобмоточную емкость, а также уменьшает емкость первичной обмотки ИТ. Последняя обычно оказывается настолько мала, что при расчетах ее можно не учитывать. Тип изоляции выбирается с учетом класса напряжения и ожидаемой степени напряженности теплового режима ИТ. -При длительности импульса более 10 мкс, если ослаблен краевой эффект обмоток, в изоляционных промежутках обмоток допустимо принимать поперечную напряженность электрического поля 10 МВ/м. При длительности импульсов менее 2 мкс напряженность поля можно увеличивать до 14 МВ/м, а при длительности менее 0,1 мкс — до 20*МВ/м. Выбор размеров проводов производится по эффективному току и допустимой плотности тока в проводах. Диаметр провода рассчитывается по формуле d=l,13>/ = l,13>/7t(5.7) Если диаметр провода оказывается большим 1,5 мм, то намотку целесообразно выполнить обмоточными проводами прямоугольного сечения или шинами из фольги. Всегда желательно уменьшение диаметра проводов или толщины шин для ослабления поверхностного эффекта. С этой же целью полезно выполнять обмотку из нескольких проводов или шин малого диаметра или толщины. Провода круглого сечения при этом наматываются в один слой, а тонкие шины накладываются одна на другую и изолируются друг от друга конденсаторной бумагой или тонкой фторопластовой пленкой. Для провода прямоугольного сечения можно считать, что длина сечения провода в четыре раза больше ширины. Ширина сечения (толщина провода) определяется по формуле с/ = 0,55м* = 0,5>/фТ.(5.8) Потери в обмотках пропорциональны квадрату плотности тока, и для их уменьшения необходимо уменьшать плотность тока. Однако при этом увеличиваются размеры проводов, габарит катушки и, в конечном итоге, - индуктивность рассеяния ИТ (при заданной индуктивности рассеяния увеличивается объем МС). Кроме того, при увеличении размеров проводов растут потери, связанные с поверхностным эффектом, усложняется конструкция ИТ. По этим причинам, несмотря на потери в обмотках, плотность тока в ИТ все же выбирают обычно большей, чем .это принято в силовых трансформаторах. Более или менее типичное значение 5 А/мм2. Такая высокая плотность тока допустима исключительно по причине малого числа витков в обмотках ИТ, поскольку в таких обмотках и при большой плотности тока потери мощности относительно малы. Однако тепловая нагрузка проводов обмоток, особенно в мощных ИТ и при большой частоте повторения импульсов, иногда оказывается недопустимо высокой, а потому чаще всего приходится считаться с потерями в обмотках. В необходимых случаях плотность тока приходится уменьшать до 2 А/мм2. В то же время в маломощных ИТ, где условия охлаждения обмоток лучше, чем в мощных, иногда допускают плотность тока до 20 А/мм2, что необычно много для силовых трансформаторов. Коэффициент трансформации ИТ рассчитывается по формуле (3.3), где КПД принимают равным 0,95 для маломощных ИТ и 0,98 для мощных. Вследствие высоких КПД ИТ при предварительных расчетах допустимо пользоваться приближенным, без учета КПД, значением коэффициента трансформации. Приведенные рекомендации по выбору размеров изоляционных промежутков и проводов являются общими. В зависимости от конкретных обстоятельств могут быть разного рода отступления. В частности, что касается размеров провода, то они должны уточняться после завершения тепловых расчетов в соответствии с нормализованными типоразмерами. Следует отметить, что пределов совершенствованию технических решений принципиально не существует, и поэтому при выборе конструкции ИТ только творческий подход может привести к лучшим результатам. 5.4. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ Конструктивный расчет ИТ состоит в выборе главных размеров МС и обмоток. Исходными данными для конструктивного расчета-, являются значения параметров схемы замещения — индуктивности рассеяния, динамической емкости и индуктивности намагничивания ИТ, полученные в результате электромагнитного расчета по изложенной выше методике (см. § 2.7). Перед началом конструктивного расчета проверяется выполнимость требований в отношении удлинения фронта и выброса напряжения на фронте трансформированного импульса. Если Ls > 0 и Ст > 0, то требования эти принципиально выполнимы. Если Ls < 0 и Ст < 0, то требования принципиально невыполнимы, так как ИТ не может быть реализован с отрицательными или нулевыми значениями индуктивности рассеяния и емкости обмоток. Если Ls > 0 и Ст< 0 или Ls < 0 и Ст > 0, то требования к искажениям фронта импульса выполним частично: в одних случаях может быть допустимое удлинение фронта, но выброс на фронте превысит допустимый, в других может быть наоборот. Если требования невыполнимы или выполнимы частично, то необходим пересмотр исходных данных или отказ от применения ИТ в импульсной установке. Конструктивный расчет ИТ основан на общих формулах для расчета электромагнитных параметров схемы замещения ИТ, которые могут быть представлены в следующем общем виде: Ls=n0w21kp(ksy/T+gA2)A2FL/h;(5.9) Cr = e0ehkp(kssfs~ + gA2)n2FcIA2.(5.10) Исключение из рассмотрения индуктивности намагничивания связано с тем, что снижение напряжения на вершине импульса, определяемое этой индуктивностью, в ИТ не является критическим параметром искажений и в необходимых случаях может быть уменьшено. Для площади поперечного сечения МС и длины обмоток, из формул (2.3), (5.9) и (5.10) можно получить следующие выражения: S=A2(l +y/l+2gA2l(Aks))2; wt д2 V HoFL Ст((e0eFcLs), (5.11) (5.12) где A= *oe0eFLFcKLsCT). (5.13) При расчете конструктивных параметров ИТ с прямоугольной формой сечения МС предварительно необходимо принять входящее в формулу (5.11) целесообразное значение отношения сторон сечения. В связи с этим требуется выяснить, насколько отношение сторон влияет на объем МС. Составляя из формул (5.11) и (5.12) выражение для объема МС, нормируя его по отношению к объему МС при базовом квадратном сечении, т. е. при а = Ъ, и предполагая, что коэффициент использования длины МС не зависит от отношения сторон, получим V -4+ 2gA2l(Aks) 1 +V 1 + 2gA2/A (5.14) В практических конструкциях ИТ значение параметра 2gA2/(Aks) обычно находится в пределах 0,1 .. . 2,0. Исследование формулы (5.14) на экстремум показывает, что в области указанных значений при b/а = = 1 ... 4 имеет место нерезко выраженный минимум объема МС: на 18% меньше объема МС, соответствующего базовому квадратному сечению. Однако реализовать теоретически возможное уменьшение объема не удается. Это связано с тем, что принятое предположение о независимости коэффициента использования длины МС от отношения сторон сечения не выполняется в реальных конструкциях, так как с увеличением отношения сторон уменьшается длина МС и, как следствие, уменьшается и сам коэффициент использования длины. Поэтому действительное уменьшение объема обычно не превышает 7%, т. е. незначительно. По этой причине целесообразно при конструировании ИТ ориентироваться на применение более технологичного, квадратного, сечения. С учетом этого, при расчете следует принимать коэффициент ks = 1, а при уточнении конструктивных параметров МС в процессе поверочного расчета иметь в виду, что некоторое отклонение формы сечения от квадратного способствует уменьшению объема и поэтому полезно. После выбора отношения сторон МС расчет конструктивных параметров ИТ производится в такой последовательности. Сперва рассчитываются значения параметров А и 2g A(Aks), затем по формуле (5.11) — сечение МС, после этого по формуле (2.3) — число витков первичной обмотки. Число витков округляется в большую сторону, и с учетом предполагаемого КПД ИТ рассчитывается число витков вторичной обмотки, а по формуле (5.12) — длина намотки. Найденная длина намотки может оказаться недостаточно большой для получения необходимой продольной электрической прочности обмотки или нормального размещения обмотки по длине окна МС. Обычно зто имеет место в относительно маломощных ИТ на высокие напряжения и большую длительность импульсов, когда число витков в обмотках, особенно во вторичной, велико. В таком случае длину намотки приходится увеличивать. Однако это должно быть сделано так, чтобы обеспечить необходимые значения индуктивности рассеяния и емкости обмоток. Практически для этого существует единственная возможность - увеличение размера изоляционных промежутков примерно во столько раз, во сколько необходимо увеличивать длину намотки. Это заведомо приводит к увеличению объема МС, но другого способа получить необходимые значения электромагнитных параметров обмоток в данном случае нет. После увеличения толщины изоляции расчеты повторяются в приведенной последовательности до получения приемлемых результатов. Длина МС, вне зависимости от особенностей расчета, выбирается настолько малой, насколько это допустимо из конструктивных соображений, но так, чтобы выполнялось критическое ограничение l2/h< 1,5. Возможен-другой результат расчета по изложенной методике, при котором длина намотки с некоторым запасом удовлетворяет требованиям продольной электрической прочности обмоток и достаточна для размещения обмоток, а отношение /2//i меньше критического. Если при этом определенные электромагнитным расчетом параметры схемы замещения соответствуют емкостной реакции трансформаторной цепи, то рассчитанные размеры сечения МС и длина намотки требуют только обычных конструктивных или технологических уточнений в пределах нескольких процентов. Однако если индуктивность рассеяния и емкость соответствуют индуктивной реакции, то появляется возможность уменьшить длину намотки. Это приведет к уменьшению емкости и пропорциональному увеличению индуктивности рассеяния, что увеличит благоприятную в данном случае индуктивную реакцию цепи. Привести индуктивность рассеяния к заданной можно, несколько увеличив площадь сечения МС и уменьшив благодаря этому число витков первичной обмотки. В этом случае емкость обмоток все равно будет несколько меньшей, чем та, которая определена электромагнитным расчетом. В целом эти изменения увеличат индуктивную реакцию цепи, и, следовательно, позволят уменьшить объем МС. Такое положение характерно для относительно мощных ИТ. При индуктивной реакции трансформаторной цепи расчет конструктивных параметров ИТ можно производить, пренебрегая всеми емко- 0 ... 17 18 19 20 21 22 23 ... 35
|
