ГЛАВА ДЕВЯТАЯ. ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ БЕЗ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ

9.1. КОНСТРУКЦИИ

В импульсных установках с невысокими требованиями к степени прямоугольности трансформированных импульсов могут применяться простые и надежные ИТ без МС, так называемые воздушные ИТ (ВИТ). Термин "воздушный импульсный трансформатор” может считаться не вполне удачным, однако он установился в отечественной и зарубежной литературе, поэтому принимается и здесь.

Теоретическая возможность применения ВИТ для трансформации электрических импульсов обоснована в работе [51], где приведена

также и методика приближенного расчета ВИТ как системы с сосредоточенными параметрами. Первые ВИТ рассчитывались по этой методике. Примеры расчета и применения ВИТ приведены в работах [51, 52], различные варианты конструктивного исполнения ВИТ — в [51—55]. Уточнению теории ВИТ посвящеи ряд следующих работ [8—10]. В настоящей главе обобщаются результаты проведенных в области ВИТ исследований.

Рис. 9.1. Воздушный ИТ с чередующимися цилиндрическими обмотками

Рис. 9.2. Соединение чередующихся цилиндрических обмоток

Конструктивно ВИТ представляет собой катушку на цилиндрическом каркасе с чередующимися, секционированными или однослойными обмотками цилиндрического, конического или спирального типа. Обобщенная конструкция ВИТ с чередующимися цилиндрическими обмотками изображена на рис. 9.1, где все обозначения соответствуют прийятым ранее. Схема чередования обмоток приведена на рис. 9.2. Трансформатор с чередующимися коническими обмотками выполняется аналогичным образом (одна из возможных конструкций приведена в работе [53]), а со спиральными - так же, как и катушки ИТ. со спиральными обмотками.

Ввиду того что ВИТ не имеет МС, его размеры значительно больше, чем у обычного ИТ с МС. Чередование обмоток позволяет уменьшить

индуктивность рассеяния ВИТ и, как следствие, его размеры. Однако при этом почти во столько же раз увеличивается емкость обмоток ВИТ, в значительной мере определяющая искажения формы трансформированных импульсов. Не менее важно также и то, что чередование исключает возможность применения обмоток с вводом посредине.

Рис. 9.3. (см. скан) Конструкция (а) и схема соединения обмоток (б) воздушного ИТ с конической обмоткой

По этим причинам чередование обмоток целесообразно только в низковольтных ВИТ, когда влияние емкости обмоток слабее и не возникает особых трудностей в обеспечении электрической прочности конструкции. В большинстве же применяются однослойные обмотки. При этом целесообразны конические обмотки; поскольку они имеют малую индуктивность рассеяния. Взаимное расположение первичной и вторичной обмоток не влияет на емкость и индуктивность рассеяния, так как в ВИТ

отсутствует МС и связанные с ее наличием емкости. Поэтому последовательность наложения обмоток в ВИТ определяется исключительно конструктивными соображениями.

Один из лучщих конструктивных вариантов ВИТ с однослойной конической обмоткой приведен на рис. 9.3 [55]. Первичная обмотка 5 намотана на цилиндрическом каркасе 4, коническая вторичная обмотка 2 — на каркасе 1. Каждая из обмоток состоит из двух одинаковых симметрично расположенных секций с выводами 3 и 6. Каркасы обмоток изготовляются из механически прочного диэлектрика, например стеклозпоксида. Полость между каркасами герметизируется уплотнениями и заполняется трансформаторным маслом или элегазом. Так как поверхностями охлаждения ВИТ являются наружная и внутренняя, непосредственно соприкасающиеся с воздухом, то условия охлаждения не определяются маслом или газом. Поэтому полость между обмотками весьма целесообразно заполнять элегазом, что позволит примерно в два раза уменьшить емкость обмоток ВИТ, являющуюся критическим параметром.

При низких напряжениях, когда размер изоляционного промежутка мал в сравнении с толщиной стенок каркаса 4, целесообразно, по чисто конструктивным соображениям, изоляцию между обмотками выполнять из слоистых диэлектриков - кабельной или трансформаторной бумаги, изоляционных пленок или комбинации этих материалов.

Данный ВИТ просто преобразуется в одновитковый. Для этого первичная обмотка выполняется в виде одного витка из шины шириной охватывающей вторичную коническую (возможна и цилиндрическая) обмотку. Продолжением витка является двухпроводная линия, как это показано на рис. 8.6.

В общем случае — для чередующихся обмоток электромагнитные параметры ВИТ можно рассчитывать по формулам

где — средний диаметр катушки; - число чередований;

Качественно характерные свойства ВИТ можно оценить на основе общей теории ИТ с МС. Составляя выражения для постоянной времени, волнового сопротивления и коэффициента рассеяния обмоток ВИТ, получим

Из этих формул видно, что постоянная времени ВИТ не зависит от числа чередований и отношения диаметра к длине катушкн, волновое сопротивление прямо пропорционально этому отношению и обратно пропорционально числу чередований. Используя эти свойства, можно согласовать ВИТ с генератором и нагрузкой.

Обращает на себя внимание то, что постоянная времени ВИТ пропорциональна коэффициенту трансформации. По этой причине с увеличением коэффициента трансформации увеличивается удлинение фронта трансформированного импульса. Следовательно, ВИТ может применяться только для относительно небольшого повышения напряжения.

Как следует из целевой функции (3.53) и критерия осуществимости (3.54), возможность реализации ВИТ с заданными параметрами искажений трансформированного импульса определяется возможностью получения достаточно малого коэффициента рассеяния. Из формулы (9.6) видно, что при заданном вторичном напряжении и выбранной конструкции ВИТ уменьшить коэффициент рассеяния можно практически только за счет увеличения диаметра катушки, т. е. габаритов ВИТ. Другие способы уменьшения коэффициента рассеяния малоэффективны или неконструктивны. Из этой формулы видно также, что с увеличением напряжения трансформированного импульса коэффициент рассеяния увеличивается, а значит, получать высокое напряжение посредством ВИТ затруднительно. Поэтому ВИТ эффективен только для получения относительно невысокого напряжения, обычно не более 100 кВ.

Практически неудобны ВИТ с чрезмерно большим диаметром или чрезмерно большой длиной катушки. Приемлемый конструктивный компромисс, проверенный практикой проектирования ВИТ, достигается при и однослойных конических обмотках с вводом посредине (рис. 9.3). Некоторое дополнительное удлинение катушки целесообразно только в том случае, когда необходимо увеличить продольную электрическую прочность ВИТ. Однако, ввиду того что посредством ВИТ не удается получать высокое напряжение, удлинения обычно не требуется.