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 то требования эти принципиально выполнимы. Если то требования принципиально невыполнимы, так как ИТ не может быть реализован с отрицательными или нулевыми значениями индуктивности рассеяния и емкости обмоток. Если или 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:

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:

где

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 и предполагая, что коэффициент использования длины МС не зависит от отношения сторон, получим

В практических конструкциях ИТ значение параметра обычно находится в пределах Исследование формулы (5.14) на экстремум показывает, что в области указанных значений при 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 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 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 это 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 обмдток. 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 .

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 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 зтом 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

емкостями, 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 . 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 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:

в котором

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

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

параметра А о и определения площадь сечения МС находится по формуле

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)

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

в котором

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

а число витков - по формуле (2.3).

После завершения расчетов размеры МС уточняются с учетом нормализованных типоразмеров стержней, ленты или разрезных магнитопроводов и

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.