1.5. ОБЩИЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Импульсные трансформаторы отличаются многообразием конструктивного исполнения. Это обусловлено их применением в широком диапазоне энергий, мощностей, напряжений, длительностей импульсов, требованиями к форме трансформированных импульсов, различиями в назначении и условиях эксплуатации и т. д. Тем не менее, несмотря на это многообразие, все конструктивные схемы ИТ можно свести к четырем основным: стержневой (рис. 1.6), броневой (рис. 1.7), бронестержневой (рис. 1.8) и тороидальной (рис. 1.9). Таким образом, по конструктивным признакам ИТ можно классифицировать как стержневые, броиевые, бронестержневые и тороидальные. Форма поперечного сечения МС у них может быть прямоугольной или круговой (рис. 1.10 и 1.11), как и у силовых трансформаторов.

Рис. 1.6. Конструктивная схема стержневого ИТ

Рис. 1.7. Конструктивная схема броневого ИТ

Рис. 1.8. Конструктивная схема бронестержневого ИТ

Рис. 1.9. Конструктивная схема тороидального ИТ

Рис. 1.10. Прямоугольное поперечное сечение ИТ

На рис. и далее в тексте приняты следующие обозначения: - длина (средней магнитной линии); и 12 — внутренняя и наружная длина (самой короткой и самой длинной магнитной линии); высота катушек с обмотками (длина обмоток) — ширина окна в стержневых и броневых МС, а также длина ярма в тороидальной - толщина катушки; - толщина

изоляции между первичной обмоткой и МС, между обмотками и между вхорич-ной обмоткой и МС соответственно; и толщина первичной и вторичной обмотки; и - стороны прямоугольного и диаметр кругового поперечного сечения высота стержня -геометрическая и активная площадь поперечного сечения Ул геометрический и активный объем коэффициент заполнения сечения МС сталью (предполагается, что МС набрана из листов или навита лентой толщиной с); первичная и вторичная обмотки содержат и витков из проводов диаметром или толщиной — коэффициент использования длины — коэффициент трансформации ИТ.

Рис. 1.11. Круговое поперечное сечение ИТ

Характерная конструктивная особенность ИТ - относительно млое число витков в его обмотках. Так, в некоторых случаях находят применение ИТ с минимальным возможным числом витков: По этой причине объем проводниковых материалов обмоток ИТ намного, в раз, меньше объема МС и в качестве обобщающего технико-экономического показателя конструкции ИТ естественно принимать объем его МС. Если принять такой показатель качества, то непосредственно из рис. рис. 1.9 видно, что не все конструкции в этом отношении равноценны, так как в каждой из них эффективно используется только та часть объема МС, которая заключена внутри обмоток. Внешние части МС, т. е. ярма, служат только для проведения рабочего магнитного потока ИТ. Так как поперечное сечеиие постоянно по длине, то эффективность использования МС можно характеризовать коэффициентом использования длины под высотой обмотки понимается суммарная высота катушек. Как показывает опыт конструирования ИТ, максимальные значения этого коэффициента составляют: для тороидальной для стержневой - 0,6; для броиевой и бронестержневой - 0,3. Таким образом, наиболее экономичны ИТ тороидального типа,

относительно экономичны - стержневого и менее всего экономичны — броневого и бронестержневого. Если учесть, что конструктивно и технологически стержневые, броневые и броиестержневые ИТ примерно равноценны, то следует вывод о целесообразности применения тороидальных и стержневых МС в ИТ, особенно мощных, отличающихся большим объемом МС.

Коэффициент использования длины МС можно повысить, увеличив высоту стержня или диаметр МС. Однако такие вытянутые в высоту или увеличенного диаметра конструкции имеют большие габариты, менее прочны, нетехнологичны, для них характерен повышенный расход проводниковых материалов, потери мощности в обмотках, искажения трансформированных импульсов и другие недостатки. Однако наиболее важно то, что высшие функциональные показатели достигаются в конструкциях ИТ с максимальной большой площадью сечения и минимальной длиной МС, как будет показано далее. В связи с этим коэффициент использования длины МС является показателем относительным и характеризует только степень конструктивного совершенства ИТ.

С другой стороны, увеличение площади сечения и уменьшение длины МС имеет ограничение, состоящие в следующем. Одновременно, при постоянном объеме МС, увеличивается отношение длины самой длинной к длине самой короткой магнитной линии. Это приводит к пропорциональному увеличению степени неоднородности магнитного поля МС, вследствие чего насыщение ее внутренних частей происходит раньше, чем наружных. В итоге - дополнительные искажения формы трансформированного импульса, потери мощности, увеличение магнитных потоков рассеяния, вызывающих нагрев элементов конструкции ИТ. Поэтому для получения приемлемой степени неоднородности магнитного поля в МС необходимо выполнение ограничения в виде неравенства

Связь длины МС с другими размерами для разных типов МС определяется следующими формулами:

для тороидальной МС прямоугольного сечения

для стержневой МС прямоугольного сечения

для стержневой МС кругового сечения

Из формул прежде всего видно, что для уменьшения Длины МС необходимо выполнение условия По этой причине второй возможный случай практического значения не имеет и далее не рассматривается.

Уменьшая сторону а и увеличивая сторону сечения, длину МС можно уменьшить неограниченно. Одиако практически это реализуется лишь в незначительной степени, так как при уменьшении отношения уменьшается механическая прочность и виброустойчивость обмоток, возникает провисание или распушение проводов обмоток со стороны а следовательно, усложняется намотка и закрепление витков, увеличивается расход проводниковых материалов, затрудняется наложение обмоток. По этим причинам отношение не следует выбирать меньшим 0,5. Обычно же применяют форму сечения, близкую к квадратной. Если принять квадратное сечение и равновеликое круговое, то при максимальном допустимом отношении длина и площадь сечения МС окажутся связаны соотношениями

Из этих формул видно, что при одинаковой площади сечения минимальную длину имеет тороидальная МС, а максимальную - стержневая кругового сечения. Вследствие этого, а также по причине большой конструктивной и технологической сложности, связанной с трудностями изготовления из тонких листов или лент, МС кругового сечения находят ограниченное применение в ИТ.

С целью упрощения записи расчетных формул в них далее вводятся следующие конструктивные коэффициенты и производные величины: коэффициент формы прямоугольного сечения МС

коэффициенты длины МС

сторона базового квадратного сечения МС

средняя длина витка обмотки

В последней формуле для прямоугольного сечения а для кругового

В отличие от силовых трансформаторов строгая и обоснованная классификация ИТ не разработана. Вводимая здесь основана на принципах классификации силовых - по конструктивным признакам и классу напряжения.

По конструктивным признакам ИТ удобно классифицировать как тороидальные, стержневые, броневые и бронестержневые. Значительно сложнее классифицировать ИТ по классу напряжения, так как напряжения ИТ не могут быть стандартизованы по причине многообразия применения этих трансформаторов.

Облегчает классификацию по напряжению следующее соображение. Характерным признаком класса напряжения является тип и конструкция главной изоляции ИТ, в сильной степени определяющая собой и конструкцию ИТ в целом. Так, в ИТ на напряжение до 20 кВ удается применять сухую изоляцию из слоистых диэлектриков, в некоторых случаях - воздушную при нормальном давлении. В интервале напряжений 20 ... 100 кВ обычно применяют бумажно-масляную или бумажно-пленочно-масляную изоляцию. При напряжении более 100 кВ лучшие результаты дает применение чисто масляной изоляции. Изоляция в виде бакелитовых или стеклоэпоксидных цилиндров в последнем случае выполняет роль несущих элементов конструкции (для наложения и закрепления обмоток). Поэтому, несмотря на определенную условность, целесообразно ввести такую классификацию по классу напряжения, чтобы значение напряжения отражало и конструктивные особенности изоляции, т. е. в следующем виде: ИТ класса напряжения до 20 кВ; ИТ класса напряжения до 100 кВ; ИТ класса напряжения свыше 100 кВ.

Конечно, не исключается возможность применения различных комбинированных видов изоляции, например маслобарьерной или элегазобарьерной при повышенном давлении элегаза. Однако существенного влияния на принцип классификации это не оказывает.