ГЛАВА СЕДЬМАЯ. ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ С ТОРОИДАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ

7.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТОРОИДАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ СИСТЕМАХ

Тороидальные МС компонуются из тороидальных (кольцевых) магнитопроводов, число которых может быть от одного до нескольких десятков. Каждый магнитопровод изготовляется посредством навивки ленты на кольцевую оправку (рис. 7.1), т. е. технология в целом такая же, как у витых стержневых [33—35].

Для навивки используется лента из трнасформаторной стали марок 3421—3425 или из пермаллоя. Изготовленные из трансформаторной стали магнитопроводы благодаря спеканию изолирующего покрытия ленты имеют достаточно высокую механическую прочность и допускают компоновку в МС и установку в выемной части ИТ без специальных защитных деталей. Возникающие при креплении магнитопроводов механические напряжения не оказывают существенного влияния на магнитные свойства МС. При сборке МС предпочтение отдается вертикальной установке магнитопроводов, так как при этом обеспечивается лучшая конвекция масла у торцевых частей магнитопроводов и, следовательно, облегчается теплоотвод. Горизонтальная установка применяется в тех случаях, когда для увеличения площади сечения МС набирается из большого числа магнитопроводов. У таких МС велика неравномерность поперечного сечения: При вертикальной установке магнитопроводов "длинная сторона” витков оказывается горизонтальной, что приводит к их провисанию. При горизонтальной установке, наоборот, "длинная сторона” витков вертикальна и провисание исключено.

Рис. 7.1. Тороидальный магнито-провод

Рис. 7.2. Тороидальный магнито-провод в обечайке

В отличие от магнитопроводов из трансформаторной стали магнитопроводы из пермаллоя легко деформируются и их магнитные свойства существенно изменяются при различных механических воздействиях. По этим причинам магнитопроводы из пермаллоя обычно помещают в защитные обечайки из немагнитного металла или механически прочного диэлектрика (рис. 7.2). Металлические обечайки могут быть из меди, алюминия, нержавеющей стали. Достоинство обечаек из меди и алюминия состоит в их высокой теплопроводности, что облегчает охлаждение МС. Однако недостаточная механическая прочность обечаек из этих металлов затрудняет изготовление и компоновку крупногабаритных МС. Поэтому в последних целесообразно применение

обечаек из нержавеющей стали, механически более прочных. Недостаток таких обечаек — значительно меньшая теплопроводность. Обечайки из изоляционных материалов — стеклоэпоксида, органического стекла, пластмасс — имеют низкую теплопроводность и поэтому применяются для защиты магнитопроводов небольшого размера, обычно диаметром менее 250 мм.

Пространство между обечайкой и магнитопроводом обычно заполняется эластичным амортизирующим компаундом, например силиконовой смазкой ЦИАТИМ-201 или ей подобными.

Относительная конструктивная сложность и высокая стоимость пермал-лоевых магнитопроводов делает их применение целесообразным только при весьма коротких импульсах, когда необходимо уменьшить потери на вихревые токи посредством уменьшения толщины ленты магнитного материала. Ранее отмечалось, что пермаллой не обладает преимуществами перед трансформаторной сталью ни в отношении приращения индукции, ни в отношении удельного электрического сопротивления. Поэтому с учетом значительной конструктивной сложности МС из пермаллоя их применение оправданно только тогда, когда толщина ленты должна быть менее 0,05 мм, т. е. когда МС не может быть сделана из электротехнической стали. По этой причине МС трансформаторов, предназначенных для работы при малой длительности и высокой частоте повторения импульсов, приходится изготовлять из пермаллоя.

Однако и тонкие ленты пермаллоя не всегда помогают избежать больших потерь, и тепловой режим работы МС оказывается чрезмерно напряженным. В таких случаях приходится применять водяное охлаждение МС. С этой целью обечайки, предпочтительно медные или алюминиевые, изготовляются с водяными рубашками.

Главная технологическая трудность изготовления магнитопроводов из Пермаллоя состоит в необходимости их отжига в специальных печах — в атмосфере водорода, инертных газов или в вакууме. Обычно это печи небольшого размера и пригодны для отжига магнитопроводов сравнительно малого, не болеее 600 мм, диаметра. По этой причине приходится применять МС из большого числа магнитопроводов малого диаметра, что приводит, с одной стороны, к большой неравно-сторонности сечения МС, с другой - к существенному ограничению мощности и энергии ИТ, рассчитанного на импульсы малой длительности. В то же время магнито-проводы из трансформаторной стали( могут изготовляться диаметром до нескольких метров, так как стали 3421—3425 поставляются в отожженном состоянии и после изготовления магнитопровода необходимо производить не отжиг, а только спекание ленты. Таким образом, диаметр магнитопровода из трансформаторной стали ограничен лишь возможностями технологического оборудования для намотки ленты и трудностями транспортировки крупногабаритных ИТ с тороидальными МС. Наиболее важным ограничивающим фактором является железнодорожный габарит, составляющий 2,77 м.

Возможные варианты компоновки магнитопроводов в тороидальные МС приведены на рис. 7.3-7.6.

Компоновка МС с вертикальной установкой витых магнитопроводов приведена на рис. 7.3, где 1 — тороидальный магнитопровод; 2 — щека

из механически прочного изоляционного материала, например стекло-зпоксида (щеки могут быть также и металлическими, например литыми из чугуна); 3 — фундаментальная плита, служащая конструктивной основой ИТ; 4 — бандажи из стеклоленты. Магнитопроводы фиксируются в выточке на внутренней стороне щек. Внешняя сторона щек имеет наклон по отношению к внутренней. Это позволяет относительно просто реализовать в ИТ конические обмотки. При цилиндрических обмотках внешняя и внутренняя стороны щек выполняются параллельными. Таким или подобным способом удается компоновать МС из магнитопроводов диаметром до 1,5 м.

Рис. 7.3. Магнитная система с вертикально установленными магнитопроводами

Компоновка МС с вертикальной установкой магнитопроводов в обечайке приведена на рис. 7.4, где 1 — магнитопровод, помещенный в обечайки -2; 3 — приваренный к обечайкам угольник для крепления МС к фундаментальной плите 4. На обечайки с магнитопроводами в нескольких местах также накладываются бандажи. Такие или подобные им компоновки МС целесообразны в высоковольтных ИТ, так как позволяют наиболее простым способом реализовать вторичную обмотку с вводом посредине.

Существенный недостаток обеих вертикальных компоновок — низкая механическая прочность конструкции, вследствие чего при больших диаметрах МС собранный ИТ оказывается нетранспортабельным. По этой причине ИТ таких конструкций приходится собирать на месте их постоянной установки.

Компоновка МС с горизонтальной установкой витых магнитопроводов приведена на рис. 7.5, где 1 — тороидальный магнитопровод;

2 — амортизирующая прокладка; 3 — прижимной фланец. Фланцы снабжены выступами, через которые МС стягивается шпильками. Обмотки размещаются в секторах между выступами. Для повышения

(кликните для просмотра скана)

жесткости МС фланцы в районе выступов могут быть усилены ребрами жесткости.

Компоновка МС с горизонтальной установкой магнитопроводов в обечайке приведена на рис. 7.6, где 1 — магнитопровод; 2 — амортизирующая прокладка; 3 — обечайка; 4 — приваренное к обечайке ребро, посредством которого МС крепится к крышке бака 5.

Рис. 7.6. Магнитная система с горизонтально установленными магнитопроводами в обечайке

Обращает на себя внимание, что при горизонтальной компоновке периферийная часть МС разделена выступами или ребрами. Вследствие этого обмотки ИТ приходится секционировать, причем число секций равно числу секторов между выступами или ребрами. Если применяются обмотки с вводом посредине, то число секций удваивается. Это приводит к уменьшению длины каждой секции и, следовательно, затрудняет получение высокой продольной электрической прочности обмоток ИТ. Более целесообразна конструкция МС с тремя секторами вместо показанных на рисунках четырех, так как при этом увеличивается длина каждой секции. Если МС большого диаметра, то отмеченные обстоятельства не имеют особого значения, но при малых диаметрах МС проектирование ИТ на высокие напряжения с такой компоновкой затруднительно. В этом отношении очевидно преимущество

вертикальной установки, когда МС имеет только один сектор, что позволяет увеличить длину секции и тем самым повысить продольную электрическую прочность.

Существенный недостаток горизонтальной установки состоит также в практической невозможности устройства охлаждающих масляных каналов, что затрудняет теплоотвод от МС.