ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ...........3

1.Базовые выражения для оптимизации ферромагнитных устройств..........5

1.1.Габаритная мощность и сечение магнитопровода . .5

1.2.Показатели потерь и теплового режима ....7

1.3.Математическое отражение геометрических показателей .10

1.4.Плотность тока и влияющие на нее параметры ...16

1.5.Рабочая индукция и способы ее выражения . . .18

1.6.Удельно-экономнческие показатели и их формализация .21

2.Оптимизация геометрии ферромагнитных устройств . .23

2.1.Влияние геометрии ФМУ на их объемные показатели .23

2.2.Определение геометрии ФМУ методом независимой оптимизации ......... .28

2.3.Влияние на геометрию плотности тока и индукции . .32

2.4.Определение параметров оптимальной геометрии ФМУ при ограничениях по перегреву...... .40

2.5.Оптимизация геометрии тороидальных ФМУ . . .43

2.6.Ферромагнитные устройства кабельного исполнения . .46

2.7.Обобщенные геометрические показатели типовых конструкций ФМУ ..........52

3.Расчет основных физических величии СВЧ ФМУ . .5&

3.1.Отличительные свойства СВЧ ФМУ .....55

3.2.Типовые режимы работы СВЧ ФМУ и их характеристики58

3.3.Физические параметры и выбор их значений к расчету .65

3.4.Возможные исполнения СВЧ ФМУ и их показатели в сравнительной оценке ........76

3.5.Выбор конструкции СВЧ ФМУ......86

3.6.СВЧ ФМУ в звене промежуточного преобразования частоты...........90

4.Основные положения инженерного проектирования СВЧ ФМУ ..........94

4.1.Исходные данные для расчетов и проектирования . .95

4.2.Выбор параметров, не зависящих от конструктивного исполнения. . . . . . . . . .96

4.3.Определение геометрических параметров ....106

4.4.Расчет электромагнитных величин СВЧ ФМУ и линейных размеров его магнитопровода ......107

4.5.Конструктивный расчет обмоток......110

5.Примеры расчетов СВЧ ФМУ......1Г2

5.1.Проектирование силовых высокочастотных трансформатора и дросселя насыщения для высоковольтных емкостных накопителей энергии (ЕНЭ) .......112

5.2.Расчет СВЧ ФМУ по заданным параметрам магнитопровода........ . . .139

5.3.Пример проектирования мощных СВЧ ФМУ с большими сечениями магиитопроводов ......144

5.4.Расчет тороидального СВЧТ.......151

5.5.Расчет СВЧТ кабельного исполнения.....155

Литература..........164

УДК 621.372.632

Бальян P. X., Обрусник В. П. Оптимальное проектирование силовых высокочастотных ферромагнитных устройств. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 1987.— 168 с— 1 р. 30 к. 1000 экз. 2402020000.

В книге обобщены современные достижения науки и практики по проектированию высокочастотных ферромагнитных устройств (СВЧ ФМУ), к. которым относятся трансформаторы, дроссели насыщения, умножители числа фаз и т. д. Дается полная схема инженерного проектирования СВЧ ФМУ, базирующаяся на небольшом количестве простых выражений, предложенных и доказанных в книге. Приведены примеры оптимального расчета высокочастотных трансформаторов и дросселей до 200 кВА на фазу. Гарантируется высокая точность конечных результатов проектирования СВЧ ФМУ для диапазона частот 0,4 + 100 кГц.

Для специалистов, занимающихся вопросами проектирования электронных и преобразовательных систем, а также для студентов вузов электротехнического и радиотехнического профилей.

Рецензент — А. В. Коб-зев

2402020000 g4 g5

177 (0Г2) — 87

(£) Издательство Томского университета, 1987

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы оптимального проектирования высокочастотных трансформаторов и дросселей насыщения, равно как и других подобных им ферромагнитных устройств (автотрансформаторов, умножителей частоты, преобразователей числа фаз и др.), не являются в.теории и практике новыми, но остаются актуальными. Наиболее полно изученными считаются вопросы проектирования высокочастотных ферромагнитных устройств (ФМУ) малой мощности — до нескольких киловольт-ампер [1, 4, 5, 8, 9, 15], но продолжающиеся исследования [2, 16, 21 и др.] показывают, что даже в этом диапазоне мощностей приходится корректировать результаты и положения, не вызывавшие ранее сомнений. Силовые высокочастотные ферромагнитные устройства (СВЧ ФМУ) занимают в теории и практике особое положение. Практическая электротехника, включающая радиотехнические устройства, преобразователи параметров электроэнергии, электронные системы . различного назначения и т. д., не испытывала в предыдущие годы необходимости широкомасштабного применения СВЧ ФМУ. Возникавшие частные проблемы решались успешно [13, 27 и др.], но для обстоятельных исследований СВЧ ФМУ конкретных требований практика четко не выдвигала.

Современный научно-технический прогресс выдвинул новые задачи в области применения СВЧ ФМУ. К сожалению, известные научно-практические разработки оказались недостаточными для того, чтобы высокоэффективное применение СВЧ ФМУ не вызывало затруднений.

В настоящее время СВЧ ФМУ на мощности более ,10 кВА и частоты более 1 кГц пе стандартизованы и массово не выпускаются. Успехи отдельных разработок и внедрений СВЧ ФМУ, например в системах высокочастотного нагрева, не решают общей проблемы научно обоснованного проектирования этих устройств, посколь-

ку области их применения быстро расширяются. Современная преобразовательная техника требует массового производства трансформаторов и дросселей насыщения на мощности от десятков до тысяч киловольт-ампер при частотах 2-М00 кГц. Требуются СВЧ ФМУ и более высокого частотного диапазона при мощностях в десятки киловатт [3].

Вполне очевидно, что высокоэффективное применение СВЧ ФМУ без отработанных для них приемов инженерного проектирования невозможно. Использование здесь хорошо развитых теории и методов проектирования маломощных высокочастотных ФМУ требует существенных поправок. Обобщенных в единую систему приемов оптимального проектирования именно СВЧ ФМУ в известной литературе не излагалось, и авторы взяли на себя ответственность решить такую задачу в данной работе.

Предложенная методика инженерного расчета параметров СВЧ ФМУ и приведенные примеры ее применения базируются на теоретических положениях данной работы, большинство из этих положений являются результатом целенаправленной систематизации работ авторов и имеющейся в литературе информации оСВЧ ФМУ с переработкой и дополнениями, обеспечивающими в совокупности решение конкретной задачи — оптимального проектирования силовых высокочастотных ферромагнитных устройств с обеспечением для них;максимальной проходной мощности на единицу объема при заданной допустимой температуре перегрева обмоток и сердечников и заданных энергетических характеристиках.

1. БАЗОВЫЕ ВЫРАЖЕНИЯ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ

При расчете трансформаторов, равно как и других подобных им ферромагнитных устройств (ФМУ) —дросселей насыщения, преобразователей числа фаз, умножителей или делителей частоты и. т. д., в технической литературе принято использовать несколько групп уравнений, отражающих важнейшие соотношения между геометрическими и электромагнитными параметрами. Они определяют связь между мощностью, потерями, тепловыми режимами, магнитно-электрическими величинами, основными размерами и целым рядом параметров, влияющих на технико-экономические показатели при тех или иных условиях проектирования аппарата. Ниже приводятся те уравнения, которые наиболее полно удовлетворяют требованиям высокочастотных ФМУ, в целом эти уравнения справедливы для всех частот, пока существенную роль не начинают играть паразитные параметры. Ограничения на них легко устанавливаются при проектировании.

1.1. Габаритная мощность и сечение магнитопровода

Уравнение, устанавливающее связь между мощностью, основными электромагнитными параметрами и геометрическими размерами ферромагнитного устройства, является одним из центральных для оптимизации. В качестве расчетной мощности будем использовать габаритную мощность на одну фазу Р, представляющую собой максимальную полную мощность на входе устройства от действующих значений напряжения и тока одной фазы питающей сети для их максимальных величин в пересчете на длительный режим

Р = £/i • /ь(1.1)

где Ui, 1\ — расчетные, заданные или принятые действующие значения напряжения и тока для одной фазы на входе ФМУ.