Раздел: Документация
0 ... 19 20 21 22 23 24 25 ... 35 Вследствие. трудностей теплоотвода весьма мощные импульсные установки приходится эксплуатировать в режимах, при которых импульсы следуют в течение относительно короткого рабочего интервала времени, после чего наступает относительно длинная пауза, используемая для охлаждения отдельных частей импульсной установки. Работа ИТ в таком режиме отличается некоторыми особенностями, которые рассматриваются ниже. Если импульсы следуют с большой частотой, то в рабочем интервале обмотки и МС быстро нагреваются. В таком режиме ИТ работает аналогично силовому трансформатору при кратковременных перегрузках, например в аварийном режиме короткого замыкания. Тепловые процессы в данном случае допустимо рассматривать как нагрев без существенной теплоотдачи в охлаждающую среду, т. е. как адиабатные процессы. В адиабатном режиме важно, чтобы за время рабочего интервала температура обмоток и МС ИТ не превысила допустимой. При адиабатном режиме выделившаяся теплота сосредоточивается в меди обмотки и в МС. Уравнение режима имеет вид Pudt = cyVd@,(5.27) где с — удельная теплоемкость меди обмоток или стали МС; 7 - плотность меди или стали; V — объем меди или стали; © — температура. С увеличением температуры удельное электрическое сопротивление меди обмоток увеличивается, вследствие чего по мере нагрева растут и потери в обмотках. С учетом этого из формул (4.24) и (5.27) можно получить следующее соотношение между плотностью тока в обмотке из медного провода, длительностью рабочего интервала fp, начальной (%) и конечной (©к) температурами обмоток: 2з 235 +ЭК *п.п*п.оЛР = 51 • Ю31п зут- •(5.28) Если заданы интервал н температура, то максимальная допустимая плотность тока в проводе обмоткн выразится формулой У- 1235 +©к —-—ln ri •(529) lc lc t 235 + ©и "п.п*п.ори которая является основанием для выбора плотности тока в обмотках ИТ, работающего в адиабатном режиме. Удельное электрическое сопротивление стали МС с увеличением температуры также увеличивается. Однако в отличие от обмоток здесь в соответствии с формулой (2.10) уменьшаются потери мощности на вихревые токи. Поэтому, если пренебречь уменьшением потерь, то рассчитанная по формуле (5.27) конечная температура окажется больше действительной. Этим создается допустимый и полезный расчетный запас. Однако более важно другое. При близких плотности и теплоемкости меди и стали масса МС обычно иа один-два порядка выше массы обмоток. Поэтому нагрев МС происходит значительно медленнее, чем нагрев обмоток, и к тому времени, когда температура обмоток достигает критической, температура МС обычно еще значительно ниже критической для МС. Поэтому температура МС имеет второстепенное значение и может рассчитываться приближенно, а при расчете превышения температуры МС допустимо пренебречь уменьшением потерь. С учетом этого для превышения температуры МС на основании формулы (5.27) получим Д9 = 25 • 10"вРпГр/Г.(5.30) Заключая рассмотрение тепловых процессов в ИТ, отметим, что конструкции баков ИТ и силовых трансформаторов практически не отличаются друг от друга. Так же как в силовых трансформаторах, баки могут быть гладкими или трубчатыми, с естественный или с принудительным охлаждением. Поскольку ИТ входят в состав аппаратуры, работающей, как правило, в закрытых помещениях, то в мощных ИТ шире применяется водяное охлаждение баков. Это позволяет создавать более компактные конструкции ИТ и вводить водяное охлаждение МС. 6,7. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ В технико-экономическом отношении ИТ можно характеризовать двумя показателями: коэффициентом полезного действия и коэффициентом использования активных материалов, т. е. стали МС и меди обмоток. Выражая КПД ИТ через составляющие энергии, получим w-wLC П= wrwwTvT ■(531) Следует отметить, что не вся энергия, выделяемая в нагрузке, является полезной, так как рабочие процессы в реальной, обычно нелинейной, нагрузке начинаются только по достижении некоторого уровня напряжений на ней. Таким образом, часть энергии импульса, выделяющаяся в нагрузке во время формирования фронта и среза импульса, фактически бесполезна. Однако соответствующие уточнения могут быть сделаны только при известных параметрах нагрузки и особенностях протекающих в ней процессов. В целом же можно считать, что ИТ спроектирован удовлетворительно, если рассчитанный по формуле (5.31) КПД находится в пределах 0,90 ... 0,99. Нижние значения КПД характерны для маломощных ИТ, верхние - для ИТ средней и большой мощности, вносящих незначительные искажения фронта и вершины импульса. Отметим, что высокий КПД еще не означает пригодности ИТ для решения поставленных технических задач: тепловые нагрузки обмоток и МС, несмотря на это, могут превосходить допустимые и ИТ будет неработоспособным. Так как объем активных материалов определяется в основном объемом МС, то в качестве коэффициента использования активных материалов удобно отношение объема МС к энергии импульса, т. е. удельный объем МС. Удельный объем зависит от многих факторов, таких, как удлинение фронта, снижение напряжения на вершине, коэффициент трансформации. Как показвшают расчеты, удельный объем имеет тенденцию к уменьшению при увеличении энергии импульса. По всем этим причинам удельный объем не может служить объективным показателем качества ИТ, но тем не менее дает определенное представление о степени совершенства конструкции, особенно если сравниваются ИТ близких энергий. Наряду с технико-экономическими целесообразно рассматривать еще и функциональный показатель качества, который характеризовал бы степень выполнения ИТ своего главного назначения — повышать напряжение импульса без искажений его формы. Таковыми может быть показатель который учитывает и степень повышения напряжения, и главные параметры искажений трансформированного импульса. В ИТ, работающем без искажений и с бесконечно большим коэффициентом трансформации, т. е. в идеальном повышающем ИТ, функциональный показатель равен единице или 100%. Ясно, что такой ИТ физически нереализуем, однако по степени близости функционального показателя к единице можно судить о степени совершенства ИТ. Представляется целесообразным ввести в рассмотрение также и обобщенный показатель качества ИТ в виде произведения КПД и функционального показателя: П=пФ.(5.33) Попытка введения функционального и обобщенного показателей качества ИТ производится впервые, и поэтому степень обоснованности и целесообразность этого должна определяться практикой проектирования ИТ. 5.8. О МАШИННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ Большая материалоемкость мощных ИТ и крупносерийное промышленное производство ИТ меньших мощностей выдвигают как весьма актуальную задачу оптимизации технико-экономических показателей ИТ. Наиболее успешно эта задача может решаться методами машинного (автоматизированного) проектирования ИТ — с применением современной вычислительной техники. Практически это означает необходимость разработки системы автоматизированного проектирования ИТ (САПР ИТ). В отличие от разработанных и внедренных промышленных САПР силовых трансформаторов [31] САПР ИТ находится на начальной стадии развития. Программы, разработанные для отдельных расчетов (в основном расчеты переходных процессов в цепях с ИТ) позволяют решать лишь частные задачи и недостаточны для организации САПР. Характерные показатели настоящего состояния САПР ИТ — единичные публикации в периодической печати, отсутствие цельной концепции, 134 а также общедоступной библиотеки алгоритмов и программ. Поэтому главные задачи на этапе становления САПР ИТ: выработка соответствующей концепции, преодоление психологических барьеров у разработчиков ИТ и стимулирование начинаний в этой области. С учетом опыта разработки и внедрения САПР силовых трансформаторов это представляется особенно важным [31]. Между силовыми и импульсными трансформаторами как по принципу действия, так и в конструктивном отношении нет существенного различия. Поэтому САПР ИТ естественно создавать на основе разработанных и апробированных опытом промышленного проектирования САПР силовых трансформаторов, сведения о которых систематизированы в работе [31], где дана также обширная библиография. Попытки создания САПР ИТ в том понимании, которое придается САПР в работе [31 ], представлены фактически единственной работой [32], где приведены результаты машинного расчета и оптимизации основных конструктивных параметров некоторой конкретной конструкции мощного высоковольтного ИТ. В основу процедуры оптимизации положена минимизация некоторой функции качества, выполняемая с учетом ограничений по ряду параметров. Разработанный метод не накладывает ограничений на структуру схемы замещения ИТ. Это позволяет, по крайней мере теоретически, учесть особенности генератора импульсов, соединительных цепей, нагрузки, специфику предварительно выбранной конструкции ИТ. Практически же такая возможность существенно ограничена малым числом допускающих варьирование конструктивных параметров, на что ранее уже обращалось внимание. Соответствующая программа расчетов достаточно проста и поэтому не лимитирована машинным временем. В целом работа [32] может служить приемлемой методической основой для построения САПР ИТ. Главное препятствие на пути построения надежной САПР ИТ на основе работ [31, 32] - недостаточная разработанность общей теории ИТ и неполная информация о характеристиках электрических и магнитных материалов в разнообразных импульсных режимах работы. Так например, в теории ИТ не рассмотрена тонкая структура искажений формы трансформированного импульса и, что особенно важно, на практике даже не выработаны критерии для ее учета; потери в МС и обмотках рассчитываются весьма приближенно; в расчеты вводятся усредненные справочные характеристики применяемых материалов, а в импульсных режимах они существенно иные; почти всегда отсутствует полная информация 6 свойствах нагрузки и т. д. При проектировании ИТ учет всех этих факторов весьма важен. Так, погрешность 10% в расчете длительности фронта импульса приводит, согласно формуле (5.1), к такой же ошибке в определении объема МС; отклонение диэлектрической проницаемости от принятого справочного значения на 20%, что более чем вероятно, приводит, согласно формуле (5.2), к ошибке в определении объема МС еще на 10%. В конечном итоге при современном состоянии теории ИТ и справочных материалов учет даже всех факторов не гарантирует точности расчетов выше 30%. Таким образом, высокие точностные возможности машинных методов не могут быть реализованы в практических расчетах и преимущества машинных методов по изложенным причинам фактически сводятся к освобождению проектировщика от рутинной вычислительной работы. Отсюда следует вывод о необходимости совершенствования теории ИТ, что само по себе невозможно без тех же машинных методов, так как уточнение теории ИТ требует, прежде всего, более точного исследования протекающих в ИТ переходных процессов, а в этой области 135 возможности традиционных аналитических методов практически исчерпаны.. Отметим, что при разработке САПР силовых трансформаторов подобные трудности возникли и преодолевались многолетней целенаправленной работой ряда специализированных коллективов. Другое перспективное применение машинных методов — использование их для поверочных расчетов спроектированных ИТ, т. е. для анализа конкретных конструкций ИТ. Здесь в отличие от проектирования вполне целесообразно представлять ИТ возможно более точной схемой замещения, так как задача анализа не включает в себя поиск средств управления свойствами ИТ. На этой основе свойства спроектированного ИТ могут быть установлены весьма точно, что, однако, также требует уточнения характеристик материалов в соответствующем импульсном режиме. Систематическое проведение машинных поверочных расчетов позволит накопить банк данных, что может быть в последующем использовано при проектировании ИТ. Для подтверждения важности поверочных расчетов сошлемся на работу [8], где показано, что таким способом удалось установить даже влияние распределенного характера электромагнитных параметров обмоток на искажения трансформированного импульса и пространственно-временное распределение напряжения между обмотками. Высокая точность исследования была обеспечена введением в расчеты измеренных значений индуктивных и емкостных параметров катушки ИТ. Этим здесь дополнительно обращается внимание на то, что расчетные методы нуждаются в надежных экспериментальных данных. В целом же работами [8] и [32] доказана высокая эффективность машинных методов, позволивших, в-частности, автору работы [8] получить качественно новые результаты. В заключение представляется уместным предостеречь от заблуждения, будто бы машинные методы освобождают от знания теории, от анализа конструкций и т. д. Последнее необходимо по меньшей мере хотя бы для квалифицированной постановки задач, соответствующих высоким вычислительным возможностям машинных методов. ГЛАВА ШЕСТАЯ ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ СО СТЕРЖНЕВОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ 6.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТЕРЖНЕВЫХ МАГНИТНЫХ СИСТЕМАХ В ИТ применяются стержневые МС шихтованного, витого и разрезного типа. Шихтованные МС изготовляются из листов электротехнической стали марок 3404—3408 толщиной 0,27 ... 0,35 мм. Такие МС применяются в мощных ИТ при длительности импульсов более 100 мкс. В отдельных случаях, когда к снижению напряжения на вершине импульса и потерям мощности в МС не предъявляются особо высокие требо-136 вания, такие МС могут применяться и при меньшей длительности импульсов. Обычно это бьюает при работе ИТ с большой скважностью или в моноимпульсном режиме. Промышленность выпускает тонколистовые горячекатанные стали, например марки 1521 с толщиной листа 0,10 . .. 0,22 мм. По электромагнитным параметрам эти стали пригодны для МС ИТ при длительности импульсов 10 ... 100 мкс. Однако изготовление МС, особенно крупногабаритных, шихтованного типа из тонколистовых сталей сопряжено с относительно большими технологическими трудностями. Поэтому при длительности импульсов менее 100 мкс предпочтение обычно отдается МС витого типа из лент электротехнической стали марок 3421 -3425. Конструктивное исполнение и технология изготовления шихтованных МС для ИТ такие же, как и для силвых трансформаторов. Так же как и в силовых трансформаторах, при требуемой площади поперечного сечения стрежней МС менее 50 см2 применяют стержни квадратного или близкого к нему прямоугольного сечения. Если требуется площадь больше 50 см2, форму сечения выбирают в виде симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность диаметра Z), который называется диаметром стержня. Такое круговое сечение стержня без охлаждающих каналов и с ними приведено на рис. 6.1 и 6.2. .Л ч 1/ в  Рис. 6.1. Круговое сечение стержня магнитной системы без охлаждающих каналов Рис. 6.2. Круговое сечение стержня магнитной системы с охлаждающими каналами Диаметр стержня является базовым размером МС, подлежащим расчету. Конструктивные параметры стандартизованных стержней кругового сечения приведены в табл. 6.1. Ступенчатое сечение образуется за счет набора стержня из пластин разной ширины, собранных в отдельные пакеты. Число ступеней, т. е. число пакетов в одной половине круга, может достигать 16, но в мощных ИТ обычно не превышает 8. С увеличением числа ступеней повы- 0 ... 19 20 21 22 23 24 25 ... 35
|
