Оглавление

Предисловие.......................................................................................................3

1.Глава первая. Импульсный трансформатор в установках импульсной энергетики...............................................................................5

1.1.Импульсные режимы работы...........................................................5

1.2.Генераторы мощных электрических импульсов..........................6

1.3.Потребители импульсной энергии..................................................9

1.4.Требования к импульсному трансформатору............................10

1.5.Общие конструктивные схемы и классификация импульсных трансформаторов.....................................................12

1.6.Исходные данные для проектирования импульсных трансформаторов.............................................................................17

2.Глава вторая. Электромагнитные процессы в магнитной системе.. 19

2.1.Общие сведения о трансформаторах с магнитной системой.. 19

2.2.Приращение индукции.....................................................................24

2.3.Методы уменьшения остаточной индукции................................28

2.4.Потери энергии..................................................................................33

2.5.Магнитные материалы.....................................................................40

2.6.Измерение характеристик магнитных материалов....................43

3.Глава третья. Расчет электромагнитных параметров схемы замещения по заданным искажениям формы импульса....................46

3.1.Схема замещения импульсного трансформатора.....................46

3.2.Схема замещения трансформаторной цепи................................48

3.3.Искажения фронта импульса..........................................................52

3.4.Искажения вершины импульса......................................................61

3.5.Искажения среза импульса.............................................................63

3.6.Энергия в реактивных компонентах трансформаторной цепи ... 65

3.7.Расчет электромагнитных параметров схемы замещения......66

3.8.Критерий осуществимости импульсного трансформатора.....68

3.9.Коррекция искажений фронта импульса......................................70

4.Глава четвертая. Электромагнитные параметры обмоток.................73

4.1.Связь между электромагнитными и конструктивными параметрами. Индуктивность намагничивания..........................73

4.2.Индуктивность рассеяния...............................................................75

4.3.Динамические емкости....................................................................83

4.4.Сопротивление..................................................................................89

4.5.Цилиндрические обмотки................................................................91

4.6.Спиральные обмотки.......................................................................96

4.7.Конические обмотки.........................................................................99

4.8.Обмотки мощных высоковольтных импульсных трансформаторов...........................................................................100

4.9.Выбор изоляции и проводов........................................................106

5.Глава пятая. Основы проектирования.................................................112

5.1.Постановка задачи..........................................................................112

5.2.Минимальный объем магнитной системы................................114

5.3.Выбор конструкции........................................................................119

5.4.Конструктивный расчет.................................................................123

5.5.Расчет механических сил в обмотках.........................................128

5.6.Расчет теплового режима.............................................................129

5.7.Оценка технико-экономических и функциональных показателей......................................................................................133

5.8.О машинном проектировании......................................................134

6.Глава шестая. Импульсные трансформаторы со стержневой магнитной системой.................................................................................136

6.1.Основные сведения о стержневых магнитных системах......136

6.2.Конструкции импульсных трансформаторов со стержневой магнитной системой................................................142

6.3.Мощный высоковольтный импульсный трансформатор с шихтованной магнитной системой кругового сечения...........148

6.4.Мощный высоковольтный импульсный трансформатор

с витой неразрезной магнитной системой................................155

6.5.Импульсный трансформатор средней мощности с разрезной магнитной системой...................................................161

7.Глава седьмая. Импульсные трансформаторы

с тороидальной магнитной системой...................................................164

7.1.Основные сведения о тороидальных магнитных системах.. 164

7.2.Импульсные трансформаторы с вертикально установленной магнитной системой..........................................170

7.3.Импульсные трансформаторы с горизонтально установленной магнитной системой..........................................176

8.Глава восьмая. Импульсные трансформаторы

с одним витком в первичной обмотке..................................................182

8.1.Обоснование целесообразности применения..........................182

8.2.Расчет конструктивных параметров...........................................183

8.3.Конструкция.....................................................................................187

8.4.Пример расчета мощного высоковольтного одновиткового импульсного трансформатора.....................................................191

8.5.Оценка технико-экономических и функциональных показателей......................................................................................193

9.Глава девятая. Импульсные трансформаторы

без магнитной системы............................................................................194

9.1.Конструкция.....................................................................................194

9.2.Искажения формы импульсов.....................................................198

9.3.Расчет конструктивных параметров...........................................203

9.4.Примеры применения и расчета..................................................204

Список литературы........................................................................................206

ББК 31.261.8 В25

УДК 621.314.21 : 621.374

Рецензент А. С. Васильев

Редактор С. С. Полигнотова

Вдовин С. С.

В25 Проектирование импульсных трансформаторов. — 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991.--208 с: ил. ISBN 5-283-04484-Х

Рассмотрены основы теории, конструкции и методы расчета импульсных трансформаторов для мощных импульсных систем. Излагаются принципы конструирования трансформаторов с высокими технико-экономическими характеристиками. Установлены предельные функциональные возможности импульсных трансформаторов, дан ряд конструкций и примеры расчета. Первое издание вышло в 1971 г. Во втором издании основное внимание уделено мощным высоковольтным импульсным трансформаторам для применения в современных областях прикладной физики и техники.

Для инженерно-технических и научных работников, занятых в области физики и техники мощных импульсных систем. и 2202070300-114 „

В -87-90ББК 31.261.8

051(01) -91

© Энергия, 1971

ISBN 5-283-04484-Х© С. С. Вдовин, изменения и дополнения, 1991

ПРЕДИСЛОВИЕ

Со времени выхода в свет первого издания книги "Проектирование импульсных трансформаторов" в прикладной физике и в технике сформировалось новое направление, получившее название физики и техники мощных импульсных систем [1]. Одна из актуальных задач этого направления состоит в получении электрических импульсов, энергия, мощность и напряжение которых измеряется мегаджоулями, тера-ваттами и мегавольтами.

Для преобразования напряжений в импульсной технике широко применяется импульсный трансформатор. Как к объекту импульсной техники к импульсному трансформатору традиционно предъявляется только функциональное требование: минимальное искажение формы импульсов. В мощных импульсных системах импульсный трансформатор выступает как объект, импульсной электроэнергетики и техники высоких напряжений. Поэтому кроме безусловного функционального требования к нему должны предъявляться также и разнообразные технико-экономические требования. Пренебрежение последними приводит при проектировании к неэкономичным или даже практически невыполнимым конструкциям.

Однако в известных монографиях, в том числе и в первом издании книги, технико-экономическим требованиям придается второстепенное значение, а следовательно, проектирование импульсных трансформаторов не ориентировано на получение конструкций с высшими технико-экономическими показателями. Публикации в периодической печати, будучи посвящены частным вопросам, не восполняют этого пробела.

Во втором издании книги сделана попытка рассмотреть проектирование импульсного трансформатора с учетом как функциональных, так и технико-экономических требований. На основе этого подхода выявлены принципы проектирования импульсных трансформаторов с высшими технико-экономическими показателями, приведены конструкции, в которых эти принципы реализуются наиболее полно. Автор стремился сделать книгу максимально полезной в практическом отношении. Этим объясняется ее насыщенность примерами конкретных конструкций импульсных трансформаторов, их анализом, методиками и примерами расчетов. Библиография расширена и содержит все основные публикации по данному вопросу. Опущен второстепенный или уста-

3

ревший материал. В целом второе издание книги коренным образом отличается от первого и отражает происходящие изменения в теории и практике проектирования импульсных трансформаторов.

Автор надеется, что книга окажется полезной инженерно-техническим, научным работникам и студентам, работающим или специализирующимся в области физики и техники мощных импульсных систем.

Отзывы о книге, замечания и пожелания просьба направлять по адресу: 191065 Ленинград, Марсово поле, 1, Ленинградское отделение Энергоатомиздата.

Автор

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР В УСТАНОВКАХ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

1.1. ИМПУЛЬСНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ

В современных электротехнических устройствах и при проведении различных электрофизических экспериментов необходимы электрические токи, достигающие сотен килоампер при напряжениях до нескольких мегавольт. При таких больших токах и напряжениях мощности измеряются гигаваттами, что лежит далеко за пределами технических возможностей современных электрогенераторов, если иметь в виду длительную их эксплуатацию. Поэтому единственным доступным способом получения столь больших мощностей является кратковременность режима работы соответствующих устройств. Такой режим, когда мощность генерируется и потребляется в течение небольшого интервала времени, принято называть импульсным. Собственно импульсы могут иметь разную форму — близкую к прямоугольной, трапецеидальную, треугольную, колоколообразную и др. Характер последовательности импульсов также может быть разным — строго периодическим, с переменным периодом, с периодом, изменяющимся по случайному закону, с импульсами разной длительности и с разным периодом. В, некоторых случаях необходимы одиночные импульсы, и тогда говорят о моноимпульсном режиме работы импульсного устройства. Мощности и напряжения импульсов могут изменяться в весьма широких пределах. Однако в целом в развитии прикладной физики и техники прослеживается общая тенденция к увеличению импульсных мощностей и напряжений, которые, в перспективе, могут достигать нескольких тераватт и мегавольт [1].

При изложении будут рассматриваться импульсные режимы, в которых длительность импульса мала по сравнению с периодом их повторения, а форма близка к прямоугольной. Именно в таком режиме большей частью работают мощные импульсные устройства. При этом периодичность импульсов не оказывает существенного влияния на конструкцию импульсного трансформатора (ИТ), которая определяется прежде всего параметрами собственно трансформированного импульса: длительностью, напряжением, мощностью, допустимыми отклонениями формы от заданной. Главное влияние периодичность оказывает на количество выделяющейся в активных частях ИТ — его магнитной системе (МС) и обмотках - теплоты. По изложенным причинам изменение периода повторения импульсов может не приниматься во внимание.