Раздел: Документация

0 ... 18 19 20 21 22 23 24 ... 35

стями, в том числе и емкостью обмоток ИТ. Задача расчета в этом случае упрощается и состоит в нахождении конструкции, обеспечивающей только необходимую индуктивность рассеяния при минимальном объеме МС, т. е. при максимальном допустимом, критическом, отношении h/i = 1.5. С целью определенности далее это отношение будет приниматься равным 1,5, однако допустимы и некоторые отклонения. Так, если по каким-либо причинам приращение индукции выбрано меньше предельного допустимого, определяемого индукцией насыщения стали МС, или если допустимо относительно большое снижение, напряжения на вершине импульса, то отношение llh может выбираться больше критического, до 1,8, а в некоторых случаях до 2,0.

Возможны две постановки задачи расчета конструктивных параметров ИТ, преследующие цель обеспечить заданную индуктивность рассеяния: расчет может быть ориентирован либо на получение минимального объема МС, либо на получение достаточной продольной электрической прочности и нормальное размещение обмоток в окне МС. При расчете мощных ИТ с большим объемом МС обычно удовлетворяются и оба последних требования. При расчете маломощных ИТ большей частью приходится исходить из требований обеспечения электрической прочности и нормального размещения обмоток.

Ставя задачу получения минимального объема МС, из формулы (5.9) можно определить либо соответствующее минимальному объему число витков первичной обмотки, либо размеры сечения МС. Несколько удобней сначала определять последние, так как они дают более полное представление о конструкции ИТ. Поэтому, заменяя в формуле (5.9) число витков первичной обмотки их выражением из формулы (2.3), для расчета сечения получим следующее уравнение: Xs-Л0х - 1 =0,(5.15)

в котором

a \AB2klkLsAfg* .

(5.17)

а коэффициент длины МС к, соответствующий типу выбранной МС, определяется одной из формул (1.11).

С целью упрощения расчетов значения единственного действительного положительного корня уравнения (5.15) хх, имеющего физический смысл, определяются из графика (рис. 5.1). После расчета пара-126

метра А 0 и определения х i площадь сечения МС находится по формуле

S =

xiA0gA2

(5.18)

Затем по формулам (1-4) —(1.6) рассчитывается длина или диаметр МС, а по формуле (2.3) - число витков первичной обмотки. Уточнение числа витков и размеров МС производится описанным ранее способом.

Рис. 5.1. Графики для нахождения корней уравнений (5.15) и (5.19)

0,1 0,2 Ofi

* saw

Ставя задачу получения необходимой длины намотки, из уравнения (5.15) можно вывести другое:

х4 ~ а0х - 1 = 0, в котором

А°~к!!у/ AB4lhLsA\g*

X =

ksy/~S~ A0gA2

(5.19)

(5.20)

(5.21)

Значения единственного действительного положительного корня Уравнения (5.19) х2 также определяются из графика на рис. 5.1. Площадь сечения МС рассчитывается по формуле

5 =

x2A0gA2

(5.22)

а число витков - по формуле (2.3).

---

После завершения расчетов размеры МС уточняются с учетом нормализованных типоразмеров стержней, ленты или разрезных магнитопро-водов ПЛ и ШЛ.

Вне зависимости от варианта расчета после установления основных конструктивных параметров, производится поверочный расчет механических сил в обмотках и тепловой расчет, на основании чего принимается решение о необходимых изменениях конструкции, введении дополнительных охлаждающих устройств и организации теплового режима, уточняются размеры проводов, а также значения конструктивных параметров МС и обмоток.

5.5. РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ СИЛ В ОБМОТКАХ

В ИТ, так же как и в силовых трансформаторах, вследствие взаимодействия магнитного поля рассеяния с токами в витках обмоток возникают механические силы, стремящиеся деформировать обмотки. В ИТ, традиционно применяющихся в радиолокационных устройствах, ускорителях заряженных частиц и другой, относительно маломощной импульсной аппаратуре, которая работает в режимах с большой скважностью импульсов, эти силы обычно невелики и не принимаются во внимание. Однако в ИТ, предназначенных для весьма мощных импульсных установок, как, например, для аппаратуры термоядерного синтеза [1], когда токи в обмотках весьма велики, а скважность импульсов относительно мала, механические силы могут быть значительными и, по крайней мере, ориентировочно их следует оценивать.

На основании работы [29] можно показать, что применительно к ИТ суммарная импульсная сила, действующая на все витки одной из обмоток, например первичной, определяется формулой

где х — обобщенная координата - перемещение витков обмотки под действием силы.

Используя общие выражения (5.9) и (5.23), для расчета импульсных сил, деформирующих обмотки в осевом и радиальном направлениях, можно получить следующие формулы:

fas

—*гs(524)

="2.(5-25)

Средние силы, действующие на обмотки, определяются эффективным значением токов в обмотках и поэтому могут быть получены посредством деления импульсных сил на скважность импульсов. Силы, действующие на каждый виток обмоток, в первом приближении должны быть меньше в число раз, равное числу витков.

Осевая сила сжимает витки обмоток, поэтому не препятствует применению конических обмоток, "заклинивая" витки на каркасе. Радиальная сила сжимает витки первичной обмотки и разрывает витки вторичной. Помимо этих усредненных проявлений действия сил при низкой частоте повторения импульсов возникает вибрация витков и обмоток в целом. При больших токах вибрация может представлять определенную опасность и привести к разрушению обмотки, особенно если возникнет механический резонанс. Однако расчет вибраций требует специальных исследований и разработки соответствующих методик, которые пока отсутствуют.

5.6. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

Тепловые процессы в ИТ протекают точно так же, как в силовом трансформаторе. Поэтому методы расчета Нагрева и охлаждения ИТ существенно не отличаются от методов расчета теплового режима силовых трансформаторов и по этой причине могли бы не рассматриваться. Однако с методической целью ниже приводятся основные сведения о расчете и некоторых особенностях теплового режима ИТ. Детальный расчет следует производить на основе специальной литературы [20, 30-32].

Потери мощности в МС и обмотках преобразуются в теплоту и вызывают нагрев соответствующих частей ИТ. От мест выделения теплота под действием теплового градиента направляется к тем местам, где она может быть.передана охлаждающей среде, т.е. воздуху или воде, в зависимости от способа охлаждения. Рассеяние теплоты происходит посредством лучеиспускания и конвекции.

Температура трансформатора должна быть в допустимы* пределах. Так, температура трансформаторного масла не должна превышать 95 °С, температура обмоток - предельных допустимых температур для изоляционных материалов. Температура окружающего воздуха определяется условиями эксплуатации ИТ и может достигать 50 °С. Площадь поверхности охлаждения каждого элемента конструкции, рассеивающего теплоту, должна быть достаточной для поддержания перепада температур в заданных пределах.

Главными источниками тепловыделения в ИТ являются МС и обмотки. Для этих частей необходимая площаль поверхности охлаждения определяется по формуле [20]

где Д@ - допустимый перепад температур; Рп — мощность потерь; коэффициент кк = 50 Вт/(м2 • °С) - для маслонаполненных ИТ и кь = = 12,5 Вт/(м2 • °С) - для воздушных ИТ.

При температуре окружающего воздуха 40 ... 50 °С в ИТ допустимы

---

следующие перепады температур между тепловыделяющими поверхностями и охлаждающей средой: между МС и трансформаторным маслом — до 50°С; между обмотками и маслом — до 40°С; между стенками масляного бака и воздухом — до 30 "С. Температурный перепад между маслом и стенками бака обычно не превышает 2°С, и при расчетах им пренебрегают.

Подставляя в формулу (5.26) значения допустимых перепадов температур, можно получить следующие ориентировочные нормы для тепловой нагрузки поверхности охлаждения МС и обмоток соответственно: 2500 и 2000 Вт/м2 - для маслонаполненных ИТ; 600 и 500 Вт/м2 — для воздушных ИТ.

Приведенные формы несколько выше принятых в силовом транс-форматоростроении, так как время непрерывной работы и срок службы ИТ обычно несколько меньше, чем для силовых трансформаторов. В отдельных случаях эти нормы могут быть увеличены, что всегда приводит к уменьшению срока службы изоляции ИТ. Ориентировочно можно считать, что если температура трансформаторного масла 95 °С, то срок службы ИТ составит 20 лет. Увеличение температуры масла на каждые 8 °С уменьшает срок службы вдвое. Таким образом, при температуре масла 103 °С срок службы ИТ составит 10 лет, при 111 °С — 5 лет и т. д. Иногда требования к сроку службы ИТ таковы, что можно допустить нагрев масла до 125°С, т.е. примерно удвоить тепловые нагрузки ИТ.

Теплота, выделяющаяся в МС, может передаваться как вдоль, так и поперек листов или лент. Вдоль листов благодаря высокой теплопроводности трансформаторной стали теплота передается практически беспрепятственно. В поперечном направлении теплота передается в 5 ... 15 раз хуже из-за относительно, высокого теплового сопротивления междулистовой изоляции [30]. Это обстоятельство не имеет особого значения при расчете поверхности охлаждения шихтованных МС кругового сечения. Однако при расчете поверхности охлаждения МС прямоугольного сечения по этой причине приходится принимать во внимание только торцевые поверхности, так как из глубинных частей МС в поперечном направлении теплота передается намного хуже.

Из-за высокой частоты повторения импульсов и больших потерь на вихревые токи, ИТ обычно характеризуются большими тепловыми нагрузками поверхностей охлаждения МС. Облегчить условия охлаждения ИТ можно посредством охлаждающих каналов шириной 2 ... 5 мм. Если МС витого типа, то она изготовляется из отдельных магнито про водов, навитых относительно узкими лентами и собираемых с необходимыми зазорами (каналами). Таким способом можно увеличить площадь поверхности охлаждения в несколько раз. Однако это приводит к уменьшению коэффициента заполнения сечения МС и в конечном итоге — к увеличению массы стали МС. Если и при введении охлаждающих масляных каналов тепловая нагрузка поверхности охлаж-

дения окажется чрезмерно большой, то можно рекомендовать введение в масляные каналы специальных радиаторов водяного охлаждения. Радиаторы — это тонкие медные или алюминиевые диски, к внешнему ободу которых приварены трубки водяного охлаждения, или полости, внутри которых циркулирует вода. Трудности водяного охлаждения связаны, прежде всего, с необходимостью надежной-герметизации системы охлаждения. Если перечисленные меры все же недостаточны для организации нормального теплового режима, то приходится использовать в МС ленты пермаллоя толщиной до 0,005 мм и уменьшать приращение индукции. В последнем случае весьма целесообразно применение пермаллоев марок 50НХС и 80НХС, имеющих большее, чем у других магнитных материалов, удельное электрическое сопротивление.

В связи с тем что обмотки в некоторой степени теплоизолируют МС, между ними и МС необходимо создавать охлаждающий масляный канал. По этой причине толщина изоляции между первичной обмоткой и МС оказывается, особенно в мощных ИТ, значительно большей, чем это необходимо для получения достаточной электрической прочности изоляции первичной обмотки. Это следует учитывать при конструктивном расчете ИТ. Увеличение толщины изоляции первичной обмотки имеет некоторое положительное значение, так как благодаря этому уменьшается емкость первичной обмотки. Для ИТ с небольшим коэффициентом трансформации, и особенно для понижающих напряжение ИТ, уменьшение емкости может быть важным фактором и должно учитываться при конструктивном расчете ИТ. В сильно повышающих ИТ влияние этой емкости настолько незначительно, что ее можно при расчетах не учитывать.

Вследствие значительного эффекта вихревых токов, особенно при импульсах малой длительности, основное количество теплоты выделяется в МС, и поэтому главные трудности вызывает теплоотвод именно в МС. С увеличением энергии импульсов теплоотвод усложняется, так как при этом необходимо увеличивать объем МС, а увеличение площади поверхности охлаждения "отстает" от роста объема МС. Однако при большой длительности импульсов, когда обмотки содержат большое число витков, потери в обмотках могут превысить потери в МС и главные трудности составит отвод теплоты от обмоток. Эти трудности усугубляются дополнительными потерями вследствие поверхностного эффекта в проводах и обмотке в целом. Именно в связи с трудностями теплоотвода в мощных ИТ редко применяется изоляция из элегаза, которая во многих других отношениях более целесообразна, чем трансформаторное масло.

В целом можно констатировать, что охлаждение мощных ИТ представляет собой сложную техническую проблему, существенно сдерживающую применение ИТ в импульсных системах большой мощности.

0 ... 18 19 20 21 22 23 24 ... 35