5.3. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ

Выбор конструкции — наиболее ответственный этап проектирования ИТ. Конструкция ИТ определяется типом МС. Основанием для выбора типа МС являются исходные данные для проектирования ИТ, прежде всего длительность импульса. Длительностью импульса обусловлены потери энергии в МС за один цикл работы ИТ и кажущаяся магнитная проницаемость, от которой зависит снижение напряжения на вершине импульса. Данные о потерях энергии в МС и о снижении напряжения на вершине импульса позволяют определить один из самых важных конструктивных параметров МС — необходимую толщину листов МС, а следовательно, произвести обоснованный выбор типа МС.

В пренебрежении потерями на гистерезис в МС, обычно малыми по сравнению с потерями на вихревые токи, из выражений (2.3), (2.19), (3.31) и (4.3) можно получить следующую формулу для приближенного расчета толщины листа, обеспечивающейв ИТ с большим приращением индукции снижение напряжения на вершине импульса в пределах заданного:

где — удельный объем МС.

Так как толщина листа далее выбирается из сортамента, т. е. ее расчет является ориентировочным, то для удельного объема можно

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 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 толшину листов против той, которая необходима для получения допустимого снижения напряжении 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

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 поля. 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

Выбор размеров проводов производится по эффективному току и допустимой плотности тока в проводах. Диаметр провода рассчитывается по формуле

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

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 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 . В то же время в маломощных ИТ, где условия охлаждения обмоток лучше, чем в мощных, иногда допускают плотность тока до 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.