Раздел: Документация

0 ... 22 23 24 25 26 27 28 ... 35

si,2 ~ 11,2 ~м,—L 1,2- Lln2 —

= (8,55; 1,47) - 2 - 2/202 = 6,54 мкГн; -0,54 мкГн;

Tl,2 = Cl, 2 ~ См = 1, 2 — См 1 ~ Сн«2 =

= (2,29; 13,40) - 0,1 - 0,001 • 202 = 1,79 мкФ; 12,9 мкФ.

Результаты расчета показывают, что ИТ реализуем только при индуктивной реакции трансформаторной цепи, так как при емкостной реакции индуктивность рассеяния имеет отрицательное значение. Поэтому дальнейшие расчеты ориентированы на индуктивную реакцию, как единственно допустимую в данном случае. При этом, однако, обеспечивается минимальный объем МС, и поэтому невозможность проектирования ИТ для цепи с емкостной реакцией не имеет практического значения.

Выбор конструкции ИТ производится из следующих соображений. Оценка объема МС, выполненная для индуктивной реакции и близкого к максимальному возможному приращению индукции 3 Тл (см. § 5.2), показывает, что этот объем должен ориентировочно составить 0,7 м3, чему соответствует масса МС 5,3 т. При столь значительных массогаба-ритных характеристиках неизбежны определенные технологические трудности в изготовлении МС. Поэтому желательно использовать типовую МС, применяемую в силовых трансформаторах. Расчет толщины листа МС по формуле (5.6) дает максимальное допустимое значение 0,69 мм. Таким образом, МС может быть изготовлена шихтованной кругового сечения из листов стали марок 3405—3408 толщиной 0,35 мм, что обеспечит снижение напряжения на вершине трансформированного импульса значительно меньшее, чем это оговорено исходными данными. По изложенным причинам с учетом массогабаритных характеристик принимается стержневая МС с круговым сечением стержней из стали 3408 при толщине листа 0,35 мм. Такая МС может изготовляться на предприятиях электротехнической промышленности по принятой на них технологии.

В возможном аварийном режиме короткого замыкания цепи нагрузки тока в обмотках могут удвоиться и достигнуть 50 и 2,5 кА в первичной и вторичной обмотке соответственно. В связи с этим возможны значительные механические напряжения в обмотках и они должны быть достаточно механически прочными. С другой стороны, вследствие высокого вторичного напряжения обмотки должны обладать также и высокой электрической прочностью. Оба этих требования удовлетворяются при применении цилиндрических обмоток с вводом посредине и чисто масляной главной изоляции. Возможно также применение вместо масла элегаза, однако вследствие большой мощности ИТ это затруднит теплоотвод от обмоток и МС, а потому более целесообразно масляное исполнение ИТ. Ввиду большой мощности следует также ожидать, что число витков в- обмотках будет не очень

большим, и поэтому возможно применение однослойных обмоток. В целом всем перечисленным требованиям удовлетворяет конструкция ИТ, приведенная на рис. 6.5, которая поэтому принимается в качестве основы для дальнейших расчетов.

Вследствие большой энергии импульса ожидаются большие габариты ИТ, и поэтому необходимо принять возможные меры для их уменьшения. С этой целью принимается максимальное допустимое для стали марки 3408 приращение индукции 3 Тл и напряженность электрического поля в трансформаторном масле 10 МВ/м. Для реализации принятого приращения индукции необходимо введение в ИТ размагничивающего поля от внешнего источника тока.

При выбранной напряженности электрического поля с учетом необходимости встречного включения обмоток для изменения полярности трансформируемого импульса толщина изоляционного промежутка между обмотками Д12 составит 0,042 м, а условная толщина главной изоляции Д2 - 0,04 м. Вследствие большой мощности ИТ необходим наиболее эффективный отвод теплоты от МС. С этой целью требуется устройство масляного канала между МС и первичной обмоткой, для чего толщина изоляционного промежутка At выбирается равной 0,02 м. Это значительно больше, чем необходимо из условия достаточной электрической прочности первичной обмотки. Положительным следствием увеличенного размера изоляционного промежутка является уменьшение емкости первичной обмотки примерно на порядок.

Размеры проводов обмоток выбираются по допустимой плотности тока в проводах. Плотность тока определяется из следующих соображений. С одной стороны, ИТ отличается большой мощностью, и поэтому желательны минимальные потери в проводах. Тогда по аналогии с силовыми трансформаторами следовало бы принять плотность тока 1,5 ... 2,0 А/мм2. Однако при такой, относительно малой плотности тока размеры проводов будут большими, что увеличит индуктивность рассеяния ИТ. Уменьшение индуктивности рассеяния до требуемой Сопряжено с увеличением объема МС, что при большом ее объеме особенно нежелательно. С другой стороны, поскольку предполагается, что обмотки будут однослойными, в принятой конструкции ИТ охлаждение обмоток не должно вызвать затруднений. По этой причине допустима значительно более высокая плотность тока. С учетом этих соображений, имея в виду предварительный характер расчетов и неизбежные уточнения размеров проводов, целесообразно увеличить плотность тока до 5 А/мм2.

При заданной скважности импульсов суммарные эффективные токи в первичной и вторичной обмотке составляют 790 и 39,5 А. Эти токи равномерно распределены по четырем секциям каждой из обмоток (рис. 6.6), т. е. в каждой секции составляют примерно 200 и 10 А. При плотности тока 5 А/мм2 площадь сечения проводов секций 40 и 2 мм2. Из этих данных следует целесообразность применения в первичной обмотке проводов прямоугольного, а во вторичной — круглого

---

сечения. Расчет по формулам (5.7) и (5.8) дает толщину и диаметр проводов первичной и вторичной обмоток 3,16 и 1,6 мм.

После выбора размеров изоляционных промежутков и проводов обмоток рассчитываются коэффициенты FL , и g. На основе рис. 6.5 и данных табл 4.1 в пренебрежении весьма малой емкостью первичной обмотки можно найти значения этих коэффициентов: соответственно 1,09; 0,333 и 2,05.

Расчет размеров сечения МС, числа витков в обмотках и длины намотки производится по формулам (2.3) и (5.11) —(5.13) при характерном для МС кругового сечения коэффициенте площади круга ка = = 0,85. В расчетных формулах учтено, что в МС кругового сечения а = Ъ = D. Последовательность расчета и полученные значения конструктивных параметров приведены ниже:

А т kskpU2tn I мо«о« FlC~

1,13«тг-400- 10э -200 10"6 / 4» • 10~.7 • 2.2 • 1,09 • 0.333

2 ■ 3 ■ 0,85у Збтг • 10* • 6,54 ■ 10"6 ■ 1,79 • 10"*

= 4,84 10"2 м;

S= An

(4,84 • 10"2)2 (1 + /1+ 2-2-4 21°1Гу2==211-10-м2;

4,84 ■ 10~2 • 1,13

и\*к20 ■ 103 ■ 200 • 10~б

wi = =-- = 74,2

ABSka3 • 211 ■ 10~4 ■ 0,85

w2 =nw, = 20 ■ 74,2 = 1484;

wyA2

h =

74.2-410"2 / 4тг10"7-Збя-109- 1,09-1,79- 10"6

-:-/ --- 35jOM.

20./ 2,2 0,333- 6,54 ■ 10"6

Оценка результатов расчета показывает, что размеры сечения МС и число витков в обмотках приемлемы, но длина обмотки недопустимо велика: при длине намотки 35,6 общая высота МС стержневого типа составит около 20 м, что технически нереализуемо. В данном случае возможно уменьшить длину наметки, что следует из таких соображений: 152

длина намотки намного больше, чем это требуется для получения необходимой продольной электрической прочности ИТ; уменьшение длины намотки приводит к усилению благоприятной индуктивной реакции, что позволит уменьшить объем МС и поэтому особенно важно.

Так как уменьшение длины намотки заведомо создаст индуктивную реакцию, в дальнейших расчетах следует исключить емкость трансформаторной цепи. Это позволяет принять максимальное допустимое отношение длины самой длинной к длине самой короткой магнитной линии в МС и обеспечивает получение в результате расчета близкого к минимальному возможному объема МС. Поэтому дальнейшие расчеты производят по формулам (5.16) —(5.18) при 12\1\ — 1,5 и характерном для ИТ со стержневыми МС значении коэффициента X = 0,6. Последовательность и результаты расчета приведены ниже:

г2,2

iimam i

А о = ks

AB2klk\L5Alg*

= 1,13 » / 4n ■ 10" ■ ir ■ (20 ■ IP3)* (200 • 10"У ■ 1,09 = 2g

/ 0,85s -22,6-0,6-6,54 • 10~6 (4.10" V • 2,054 согласно графику на рис. 5.1 х, = 1,38;

38 • 2,88 • 2,05 ■ 4 • 10"2

с- fxiA°gAA 2 / 1.

= 835 • 10"4 м2;

/ = ky/.S = 22,6>/ 835 ■ 10"4 = 6,5 м; h = XI = 0,6 • 6,5 = 3,9 м;

D= 1,134/5 = 1,13>/835 ■ 10"4 = 0,326м;

Wl = Ul« = 20-103-200-10-6 = ABSka 3 . 835 • 10"4 • 0,85

V= IS = 6,5 -835 • 10-4 = 0,542 m3; M= Vyka = 0,542 ■ 7,65 ■ 0,85 = 3,54 т.

Проверка емкости, произведенная при полученных значениях kohCi руктивных параметров ИТ, показывает, что емкость обмоток равна 0,324 мкФ, что намного меньше допустимой из электромагнитного расчета параметров схемы замещения 1,79 мкФ. Таким образом, индуктивная реакция в трансформаторной цепи обеспечивается. Длина намотки каждой из четырех секций составляет 0,975 м, а значит, с большим запасом гарантирует продольную электрическую прочность обмо-

---

ток. В связи с этим следует отметить, что, казалось бы, можно дополнительно уменьшить длину обмотки и тем самым высоту стержня и габариты ИТ. Однако уменьшение длины намотки неизбежно приведет к увеличению отношения и сделает его большим 1,5, что приведет, в свою очередь, к увеличению неравномерности магнитного поля в МС, а этого допускать нельзя.

В целом можно считать ИТ с полученными конструктивными параметрами МС и обмоток технически реализуемым. Определенные неудобства вызывает относительно большая длина намотки, что приводит к высоте ИТ вместе с баком примерно 3 м (без высоковольтного изолятора) . Однако по изложенным причинам уменьшение длины намотки недопустимо.

На основании проведенных расчетов можно перейти к выбору нормализованных стержней, бакелитовых цилиндров, проводов обмоток, к поверочным тепловым расчетам и расчету механических сил в обмотках.

По данным табл. 6.1 выбирается наиболее близкий по сечению стержень с активной площадью сечения 703,39 см2 и диаметром 320 мм. Для каркасов первичной и вторичной обмотки выбираются бакелитовые цилиндры с наружным диаметром 360 и 450 мм и толщиной стенок 5 мм. Этим обеспечиваются изоляционные промежутки между первичной обмоткой и МС, а также между обмотками 20 и 45 мм. При таких размерах изоляционных промежутков и цилиндров средняя длина витка обмоток составляет 1,27 м. При выбранном стержне число витков первичной и вторичной обмотки в предположении, что КПД ИТ составит 0,98, равны 19 и 388. Из условий получения нужной суммарной площади сечения проводов обмоток и их размещения в один слой по данным табл. 4.4 и 4.5 выбираются провода обмоток: для первичной — провод ПБ 1,6 X 11,2 мм, причем каждая из четырех секций первичной обмотки наматывается двумя параллельно соединенными проводами: для вторичной — провод ПЭВ-2 диаметром 2,36 мм. Из условия получения заданной индуктивности рассеяния по формуле (5.9) уточняется длина намотки, которая оказывается равной 4,07 м, на основании чего высота стержней выбирается 2,2 м. Для нормального размещения обмоток ширина окна МС выбирается 0,3 м, а следовательно, длина МС равна 6,28 м и отношение /2 //1 = 1,51. Объем и масса МС при этом составляет 0,5 м3 и 3,8 т, т. е. удельный объем МС равен 5 м3/МДж, что, имея в виду оценки в § 5.2, может считаться удовлетворительным показателем. Отметим, что уменьшение удельного объема по сравнению с предварительно оцененным явилось следствием индуктивной реакции трансформаторной цепи.

Применение конических обмоток позволило бы уменьшить объем МС примерно в 1,75 раза. Однако при этом необходимы специальные конические каркасы для вторичной обмотки вместо выпускаемых промышленностью бакелитовых

цилиндров. Целесообразность такого усложнения и удорожания конструкции ИТ должна устанавливаться специально в каждом конкретном случае.

Расчет активных сопротивлений обмоток в соответствии с методикой, изложенной в § 4.5, и потерь мощности в обмотках при температуре 75 °С дает следующие результаты: г\ = 0,38 • Ю-2 Ом; гг — 0,64 Ом; Р0 — 3320 Вт. Потери мощности в МС, рассчитанные по формуле (2.18), составляют 2800 Вт. Расчет КПД по формуле (5.31) дает значение 0,986, что может считаться хорошим результатом.

Расчет тепловой нагрузки поверхности МС и обмоток показывает, что они равны примерно 350 и 335 Вт/м2. Таким образом, ИТ работает в ненапряженном тепловом режиме. Критические тепловые нагрузки достигаются при частоте повторения импульсов около 60 Гц, т. е. допустимо значительное увеличение частоты повторения.

Расчет кажущейся магнитной проницаемости по формуле (2.19) дает результат 2740. При этом индуктивность намагничивания ИТ равна 13,9 мГн, снижение напряжения на вершине импульса - 0,575%, что допустимо.

Расчет средних механических сил в обмотках показывает, что они примерно на два порядка ниже, чем в аналогичных конструкциях силовых трансформаторов. Это является следствием большой скважности импульсов н малой индуктивности рассеяния ИТ. Однако при частоте повторения импульсов 30 Гц механические силы становятся соизмеримыми с таковыми в силовых трансформаторах. Импульсные силы примерно на три порядка выше средних, т. е. значительны. Поэтому при конструировании ИТ необходима тщательная проработка вопроса о возможности возникновения механических резонансов и вибраций в обмотках под действием периодически повторяющихся импульсных сил.

В некоторых случаях требуется обеспечить работу ИТ .в течение относительно небольшого интервала времени, но при высокой частоте повторения. Режим работы ИТ в таких интервалах может рассматриваться как адиабатный. В качестве примера рассмотрим работу ИТ прн частоте повторения импульсов 200 Гц. Из предыдущего следует, что прн столь высокой частоте в непрерывном режиме ИТ работать не сможет из-за перегрева МС и обмоток. Если начальная температура ИТ была 40 С и допустим нагрев обмоток до 115 °С, то согласно формуле (5.28). допустимое время работы ИТ составит 9,7 с. Расчет по формуле (5.30) показывает, что за это время МС нагреется на 0,45 °С, т. е. незначительно. Это связано с тем, что объем МС в ИТ намного превышает объем медн обмоток.

6.4. МОЩНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР С ВИТОЙ НЕРАЗРЕЗНОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ

Для генерации мощных радиоимпульсов в ускорителях заряженных частиц, радиолокационных передатчиках и различных установках физического эксперимента широко применяются импульсные усилительные клистроны [21, 36]. Особенность клистронов этого класса — высокое напряжение импульсного электропитания и относительно малая длительность импульсов, обычно в пределах 0,5 ... 5,0 мкс. Первичные генераторы импульсов такой длительности с коммутаторами типа водородных тиратронов позволяют получать напряжения 10 ... 20 кВ, а повышается оно до требуемого посредством ИТ.

0 ... 22 23 24 25 26 27 28 ... 35