Расчет импульсного трансформатора. Расчет и проектирование импульсных трансформаторов: ключевые аспекты и методика

Как рассчитать параметры импульсного трансформатора. Какие особенности нужно учитывать при проектировании. Как правильно выбрать магнитопровод и обмотки. Какие формулы использовать для расчета основных характеристик.

Основные принципы работы импульсных трансформаторов

Импульсные трансформаторы предназначены для передачи коротких импульсов электрической энергии с минимальными искажениями. Их ключевые особенности:

• Работа в режиме переходных процессов
• Высокая скорость изменения магнитного потока
• Униполярное намагничивание сердечника
• Необходимость учета емкостных эффектов в обмотках
• Повышенные требования к изоляции

При проектировании импульсных трансформаторов необходимо обеспечить минимальные искажения формы передаваемых импульсов, что достигается за счет:

• Минимизации индуктивности рассеяния обмоток
• Снижения паразитных емкостей
• Оптимизации конструкции магнитопровода
• Правильного выбора материалов и геометрии обмоток

Эквивалентная схема импульсного трансформатора

Для анализа работы импульсных трансформаторов используется упрощенная эквивалентная схема, учитывающая основные паразитные параметры:

• L1, L2 — индуктивности рассеяния обмоток
• C1, C2 — распределенные емкости обмоток
• Lm — индуктивность намагничивания
• Rм — сопротивление, учитывающее потери в магнитопроводе

Данная схема позволяет с достаточной для инженерных расчетов точностью моделировать процессы в импульсном трансформаторе и определять его основные характеристики.

Выбор материала и конструкции магнитопровода

Магнитопровод импульсного трансформатора должен обеспечивать:

• Высокую скорость перемагничивания
• Низкие потери на вихревые токи
• Высокую индукцию насыщения

Оптимальным выбором являются:

• Ферриты с низкими потерями
• Аморфные и нанокристаллические сплавы
• Пермаллои

Конструкция магнитопровода должна минимизировать воздушные зазоры. Часто используются:

• Стержневые магнитопроводы
• Тороидальные сердечники
• Витые ленточные магнитопроводы

Расчет параметров обмоток

При проектировании обмоток импульсного трансформатора необходимо обеспечить:

• Минимальную индуктивность рассеяния
• Низкую распределенную емкость
• Достаточную электрическую прочность изоляции

Основные формулы для расчета параметров обмоток:

Индуктивность рассеяния:

L_s = μ₀ * N² * l_ср / (π * D)

где N — число витков, l_ср — средняя длина витка, D — диаметр намотки.

Распределенная емкость:

C_p = ε₀ * ε * S / d

где ε — диэлектрическая проницаемость изоляции, S — площадь пересечения обмоток, d — толщина изоляции.

Методика расчета импульсного трансформатора

Основные этапы расчета импульсного трансформатора:

1. Определение требуемых параметров импульсов (амплитуда, длительность, частота)
2. Выбор материала и расчет габаритов магнитопровода
3. Расчет числа витков и сечения проводов обмоток
4. Определение конструкции и взаимного расположения обмоток
5. Расчет паразитных параметров (индуктивность рассеяния, емкость)
6. Проверка искажений передаваемых импульсов
7. Тепловой расчет и выбор системы охлаждения

При расчете необходимо учитывать взаимное влияние параметров и проводить оптимизацию конструкции по заданным критериям.

Особенности конструкции высоковольтных импульсных трансформаторов

При проектировании высоковольтных импульсных трансформаторов особое внимание уделяется:

• Обеспечению электрической прочности изоляции
• Снижению напряженности электрического поля на краях обмоток
• Минимизации частичных разрядов в изоляции

Основные конструктивные решения:

• Применение секционированных обмоток
• Использование экранов между обмотками
• Специальная пропитка обмоток
• Оптимизация формы магнитопровода

Методы снижения искажений передаваемых импульсов

Для минимизации искажений формы импульсов применяются следующие методы:

• Оптимизация конструкции обмоток для снижения индуктивности рассеяния
• Использование распределенной емкостной связи между обмотками
• Применение корректирующих RC-цепей
• Оптимизация формы сердечника для снижения потерь на вихревые токи
• Использование многосекционных обмоток с оптимальным чередованием секций

Выбор конкретных методов зависит от требований к параметрам передаваемых импульсов и условий эксплуатации трансформатора.

Тепловой расчет импульсных трансформаторов

Тепловой режим работы импульсного трансформатора определяется следующими факторами:

• Потери в магнитопроводе на перемагничивание и вихревые токи
• Потери в обмотках на активном сопротивлении проводов
• Потери в изоляции на диэлектрический гистерезис

Основные этапы теплового расчета:

1. Определение мощности потерь в элементах конструкции
2. Расчет теплового сопротивления конструкции
3. Определение максимальной температуры нагрева
4. Выбор системы охлаждения при необходимости

Для мощных импульсных трансформаторов часто требуется принудительное охлаждение обмоток и магнитопровода.

Испытания и диагностика импульсных трансформаторов

Основные виды испытаний импульсных трансформаторов:

• Измерение коэффициента трансформации
• Определение индуктивности рассеяния и намагничивания
• Измерение распределенной емкости обмоток
• Проверка электрической прочности изоляции
• Испытания на передачу импульсов заданной формы
• Тепловые испытания

Для диагностики состояния импульсных трансформаторов в процессе эксплуатации применяются:

• Измерение частичных разрядов в изоляции
• Анализ растворенных в масле газов (для маслонаполненных трансформаторов)
• Измерение тангенса угла диэлектрических потерь изоляции
• Тепловизионный контроль

Регулярная диагностика позволяет своевременно выявлять развивающиеся дефекты и предотвращать отказы оборудования.

Проектирование импульсных трансформаторов

Проектирование импульсных трансформаторов

Вдовин С. С. Проектирование импульсных трансформаторов. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. — 208 с. 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. Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ ГЛАВА ПЕРВАЯ. ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР В УСТАНОВКАХ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ 1.2. ГЕНЕРАТОРЫ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ 1.3. ПОТРЕБИТЕЛИ ИМПУЛЬСНОЙ ЭНЕРГИИ 1.4. ТРЕБОВАНИЯ К ИМПУЛЬСНОМУ ТРАНСФОРМАТОРУ 1.5. ОБЩИЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ 1.6. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ГЛАВА ВТОРАЯ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В МАГНИТНОЙ СИСТЕМЕ 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ С МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ 2.2. ПРИРАЩЕНИЕ ИНДУКЦИИ 2.3. МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ИНДУКЦИИ 2.4. ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ 2.5. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 2.6. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ГЛАВА ТРЕТЬЯ. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ПО ЗАДАННЫМ ИСКАЖЕНИЯМ ФОРМЫ ИМПУЛЬСА 3.1. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА 3.2. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ЦЕПИ 3.3. ИСКАЖЕНИЯ ФРОНТА ИМПУЛЬСА 3. 4. ИСКАЖЕНИЯ ВЕРШИНЫ ИМПУЛЬСА 3.5. ИСКАЖЕНИЯ СРЕЗА ИМПУЛЬСА 3.6. ЭНЕРГИЯ В РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ЦЕПИ 3.7. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ 3.8. КРИТЕРИЙ ОСУЩЕСТВИМОСТИ ИМПУЛЬСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА 3.9. КОРРЕКЦИЯ ИСКАЖЕНИЙ ФОРМЫ ИМПУЛЬСА ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОБМОТОК 4.1. СВЯЗЬ МЕЖДУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ И КОНСТРУКТИВНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ. ИНДУКТИВНОСТЬ НАМАГНИЧИВАНИЯ 4.2. ИНДУКТИВНОСТЬ РАССЕЯНИЯ 4.3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ЕМКОСТИ 4.4. СОПРОТИВЛЕНИЕ 4.5. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ОБМОТКИ 4.6. СПИРАЛЬНЫЕ ОБМОТКИ 4.7. КОНИЧЕСКИЕ ОБМОТКИ 4.8. ОБМОТКИ МОЩНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ 4.9. ВЫБОР ИЗОЛЯЦИИ И ПРОВОДОВ ГЛАВА ПЯТАЯ. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 5.2. МИНИМАЛЬНЫЙ ОБЪЕМ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ 5.3. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ 5.4. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ 5.5. РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ СИЛ В ОБМОТКАХ 5.6. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА 5.7. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 5. 8. О МАШИННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГЛАВА ШЕСТАЯ. ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ СО СТЕРЖНЕВОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ 6.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТЕРЖНЕВЫХ МАГНИТНЫХ СИСТЕМАХ 6.2. КОНСТРУКЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ СО СТЕРЖНЕВОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ 6.4. МОЩНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР С ВИТОЙ НЕРАЗРЕЗНОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ 6.5. ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ С РАЗРЕЗНОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ ГЛАВА СЕДЬМАЯ. ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ С ТОРОИДАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ 7.2. ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ С ВЕРТИКАЛЬНО УСТАНОВЛЕННОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ 7.3. ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ С ГОРИЗОНТАЛЬНО УСТАНОВЛЕННОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ ГЛАВА ВОСЬМАЯ. ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ С ОДНИМ ВИТКОМ В ПЕРВИЧНОЙ ОБМОТКЕ 8.2. РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ 8.3. КОНСТРУКЦИИ 8.4. ПРИМЕР РАСЧЕТА МОЩНОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОДНОВИТКОВОГО ИМПУЛЬСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА 8.5. ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГЛАВА ДЕВЯТАЯ. ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ БЕЗ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ 9. 2. ИСКАЖЕНИЯ ФОРМЫ ИМПУЛЬСА 9.3. РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ 9.4. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ И РАСЧЕТА СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Матханов П. Н., Гоголицын Л. 3.

Главная » Литература » Электротехника » Матханов П. Н., Гоголицын Л. 3. — Расчет импульсных трансформаторов

Матханов П. Н., Гоголицын Л. 3.  Расчет импульсных трансформаторов.— Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. — 112 с, ил. 40 к.

В книге на основе рассмотрения важнейших электромагнитных процессов в магнитопроводе и обмотках излагается методика инженерного расчета импульсных трансформаторов. Отличительная особенность методики расчета состоит в комплексном учете требовании, предъявляемых к электрическим, энергетическим и конструктивным характеристикам, позволяющем свести к минимуму число вариантов расчета. Приводятся подробные примеры расчета импульсных трансформаторов различного назначения.

Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся расчетом и, проектированием импульсных трансформаторов, а также для студентов старших курсов электротехнических и радиотехнических специальностей.

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Импульсные трансформаторы (ИТ), предназначаемые для трансформирования коротких импульсов с минимальными искажениями и работающие в режиме переходных процессов, находят применение в различных импульсных устройствах. Диапазон мощностей, напряжений и длительностей трансформируемых импульсов получается очень широким. Кроме того, условия работы и требования предъявляемые к характеристикам ИТ, бывают весьма многообразными. Сказанное существенно усложняет расчет ИТ и поэтому, несмотря на ряд имеющихся книг [4, 7, 10, 11, 13], нельзя считать вопрос их рационального проектирования полностью решенным.

В данной книге излагается методика [5, 15, 16], в течение длительного времени применявшаяся при расчетах ИТ различного назначения. Методика расчета более двух десятилетий излагалась авторами студентам ЛЭТИ имени В. И. Ульянова (Ленина), специализирующимся по преобразовательной технике. Основная идея методики состоит: 1) в комплексном учете требований на главные характеристики ИТ и 2) в сведении к минимуму числа вариантов расчета путем введения коэффициентов и некоторых данных, которые могут быть оценены заранее с требуемой точностью. Полученное таким образом первое приближение оказывается в большинстве случаев приемлемым для практики, хотя при необходимости оно может быть уточнено.

Книга состоит из введения и четырех глав. Первые две главы написаны П. Н. Матхановым, а введение, третья и четвертая главы—Л. 3. Гоголицыным. Авторы выражают искреннюю признательность М. А. Сиверсу за ценные замечания, сделанные им при рецензировании книги. Все замечания и предложения по улучшению книги просьба направлять по адресу: 191041, Ленинград, Марсово поле, д. 1, Ленинградское отделение издательства «Энергия».

 

ВВЕДЕНИЕ

Импульсные трансформаторы (ИТ) нашли широкое применение в импульсных устройствах радиолокационных установок, установок экспериментальной физики, квантовой электроники, преобразовательной техники и т. д.

Импульсные трансформаторы позволяют изменить уровень формируемого импульса напряжения или тока, полярность импульса, согласовать сопротивление генератора импульсов с сопротивлением нагрузки, отделить потенциалы источника и приемника импульсов, получить на нескольких раздельных нагрузках импульсы от одного генератора импульсов, создать обратную связь в контурах схемы импульсного устройства. Импульсный трансформатор может быть использован и как преобразовательный элемент, например дифференцирующий трансформатор.

В некоторых установках работа импульсного устройства практически невозможна без ИТ. Это прежде всего относится к мощным высоковольтным импульсным устройствам. Повышение напряжения с помощью ИТ до уровня, необходимого по условиям работы нагрузки, оказывается необходимым, если напряжение источника, формирующего импульсы, ограничено допустимым напряжением коммутирующих приборов (электронные лампы, тиратроны, тиристоры) или электрической прочностью элементов генератора (конденсаторы, дроссели), находящихся длительное время под напряжением в процессе накопления энергии. Применение же каскадных схем для увеличения напряжения связано со сложностью управления работой многих коммутирующих приборов, находящихся в схеме под различными потенциалами,

В некоторых установках применение ИТ оказывается целесообразным по сравнению с другими возможными схемными решениями из технико-экономических соображений. Так, например, изменение полярности импульса генератора может быть достигнуто или изменением полярности источника питания, или изменением расположения элементов накопления энергии и коммутации в схеме генератора. Однако возможны случаи, когда изменение полярности источника питания или положения элементов в схеме генератора нежелательно или просто недопустимо и применение ИТ для изменения полярности импульса оказывается вполне оправданным.

В ряде импульсных устройств малой мощности ИТ является, как правило, вспомогательным элементом, используемым в схемах управления, автоматизации, защиты и т. д.

В зависимости от назначения (исключая из рассмотрения миниатюрные и уникальные трансформаторы) ИТ изготавливаются на напряжения от единиц до сотен киловольт, на токи от долей ампера до десятков килоампер, мощностью от единиц ватт до сотен мегаватт, с длительностью импульсов от долей микросекунды до сотен и тысяч микросекунд, с частотой следования импульсов от одиночных импульсов до десятков килогерц.

Включение ИТ в схему импульсного устройства всегда связано с искажением формы трансформируемого импульса, обусловленным такими параметрами трансформатора, как индуктивность рассеяния, распределенная емкость, индуктивность намагничивания.

Трансформация импульсов связана с некоторыми потерями энергии, вызываемыми процессами в магнитопроводе и обмотках трансформатора. Включение ИТ в схему может быть связано и с увеличением габаритов и массы импульсного устройства. Поэтому вопрос о применении ИТ в импульсном устройстве должен решаться комплексно, при рассмотрении условий работы всех элементов устройства — источника питания, генератора импульсов, нагрузки — и с учетом требований, предъявляемых к форме выходного импульса, коэффициенту полезного действия, габаритам, массе, а также с учетом экономических соображений. В большинстве случаев основным требованием, предъявляемым к ИТ, является минимальное искажение формы трансформируемого импульса. Это требование может дополняться ограничениями на к. п. д., массу и габариты ИТ и т. д. Вопрос об одновременном удовлетворении требований, предъявляемых к форме импульса, к. п. д., массе, габаритам ИТ, является сложным и должен решаться в процессе расчета не только ИТ, но и всего импульсного устройства Наибольшее распространение получили ИТ, трансформирующие импульсы, по форме близкие к прямоугольным, которые обладают крутым фронтом и постоянством напряжения вершины импульса, необходимыми для работы широкого класса нагрузок.

Поэтому, прежде всего, рассматриваются процессы, происходящие при трансформации фронта и вершины импульса, определяющие длительность и характер нарастания фронта и спад вершины импульса.; Если импульс прямоугольной формы должен быть трансформирован с малыми искажениями, то длительность фронта импульса должна быть значительно меньше длительности импульса и переходные процессы при трансформации фронта и вершины импульса могут рассматриваться раздельно. Эквивалентные схемы ИТ при раздельном рассмотрении переходных процессов упрощаются и позволяют становить связь между параметрами эквивалентных схем и конструктивными параметрами ИТ и найти такие соотношения между ними, при которых удовлетворяются требования к длительности фронта и спаду вершины импульса.

Особенностью работы ИТ является кратковременность режима работы и связанный с этим характер процессов, происходящих в обмотках и магнитопроводе ИТ. Высокая скорость изменения магнитного потока вызывает появление значительных вихревых токов в магнитопроводе ИТ и связанные с ними потери энергии. Кратковременность воздействующих импульсов требует учитывать не только индуктивный, но и емкостный эффект в обмотках, влияющий на характер формирования фронта импульса и энергетические характеристики ИТ. Малые длительности импульсов вызывают необходимость учитывать, поверхностный эффект в проводах обмоток при определении эффективного сечения проводов. Униполярный характер намагничивания при трансформации импульсов не позволяет полностью использовать магнитные характеристики материала магнитопровода. Несмотря на различие в функциях, выполняемых ИТ, в предъявляемых к ним требованиях, общность процессов, происходящих в обмотках и магнитопроводе, позволяет дать единый подход к рассмотрению переходных процессов, установить связь параметров эквивалентной схемы ИТ с конструктивными параметрами трансформатора и предложить методику расчета ИТ, подчиненную удовлетворению основным поставленным требованиям.

Трудности расчета ИТ обусловлены сложной и противоречивой взаимосвязью параметров эквивалентной схемы с конструктивными параметрами ИТ. Трансформация фронта импульса с малыми искажениями достигается при малых значениях индуктивности рассеяния и распределенной емкости трансформатора, которые уменьшаются с уменьшением числа витков обмоток и сечения магнитопровода ИТ.

В то же время для трансформации вершины импульса с малым спадом следует стремиться к увеличению индуктивности намагничивания трансформатора, возрастающей с увеличением числа витков и сечения магнитопровода. Для уменьшения массы и габаритов трансформатора следует уменьшать сечение магнитопровода и число витков обмоток, но это приведет к увеличению спада вершины импульса и увеличению потерь на вихревые токи Удовлетворение одновременно нескольким поставленным требованиям при расчете ИТ потребует нахождения компромиссного решения. Оно должно быть принято в зависимости от значимости того или иного поставленного требования.

Точность расчетов ИТ будет во многом зависеть от принятых в качестве расчетных величин, определяющих характеристики материала магнитопровода и изоляции обмоток, и может быть повышена, если за расчетные будут приняты экспериментальные данные, полученные для заданного режима работы ИТ Предлагаемая в данной книге методика расчета ИТ основана на определении конструктивных параметров трансформатора, удовлетворяющих поставленным требованиям, и иллюстрируется примерами расчета ИТ, различных по мощности, длительности импульсов, частоте их следования и работающих в схемах с использованием генераторов импульсов на электронных лампах, на газоразрядных и полупроводниковых коммутирующих приборах.

 

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ПАРАМЕТРЫ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ ИМПУЛЬСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

1-1. Эквивалентная схема ИТ

Расчеты электрических и энергетических характеристик ИТ производятся на основе приближенной эквивалентной схемы трансформатора. Эквивалентная схема должна:

1) учитывать наиболее существенные электромагнитные процессы и обеспечивать достаточную точность расчетов характеристик исследуемых режимов;

2) описываться уравнением невысокого порядка для того, чтобы можно было в явном виде устанавливать связь между наиболее важными характеристиками, с одной стороны, и конструктивными данными ИТ — с другой.  

Эти условия противоречивы. Для выполнения первого из них следует усложнять схему, а для выполнения второго необходима простая схема, которая допускала бы проведение анализа в общем виде.

В следующей главе будет показано, что довольно большие отклонения наиболее важных конструктивных данных от некоторых •оптимальных значений, принимаемых в качестве расчетных, незначительно влияют на электрические и энергетические характеристики трансформатора. Кроме того, при практическом исполнении конструктивные размеры всегда отличаются в той или иной •степени от расчетных.

Отсюда следует, что усложнение эквивалентной схемы ИТ с целью некоторого повышения точности определения конструктивных параметров не имеет большого смысла.

Опыт проектирования ИТ и сравнительные вычисления по различным эквивалентным схемам показывают, что достаточную для инженерных целей точность дают расчеты по упрощенным эквивалентным схемам. Для наиболее важных режимов эти схемы приводятся к цепям второго порядка, которые позволяют производить анализ в общем виде. Индуктивный эффект и потери в проводах обмоток можно учитывать с помощью известной Т-образной эквивалентной схемы (рис. 1-1, а), которая получается из рассмотрения уравнения двухобмоточного трансформатора.

…

Скачать

Источник питания

— конструкция импульсного трансформатора с использованием PSIM

Я не знаю, как PSIM моделирует свой идеальный трансформатор, но сильно подозреваю, что это так называемый «трансформатор постоянного тока». Это имеет смысл, учитывая их философию моделирования крупномасштабных схем с помощью моделей на уровне блоков. Это означает, что «trafo» допускает постоянный ток, и поэтому напряжение в «первичке» — это то, что вы видите. Это также означает, что и конденсаторы, и диод бесполезны.

Если же у вас есть возможность добавить две спаренные катушки индуктивности (у меня нет PSIM), то вы сможете увидеть эффект, плюс полезную ошибку и небольшой бонус.

Ошибка связана с выбранной вами частотой источника импульсов и значениями для «trafo»: 10 кГц и 0,1 мкГн. Импульсный трансформатор моделируется в соответствии с энергией, необходимой для подачи на вторичную сторону, так что спад незначителен. Для этого полезно говорить в терминах В⋅мкс. Поскольку нагрузка емкостная, ток непостоянен, в начале он будет иметь резкий пик, затем упадет до нуля (или будет близок к нему), поэтому, если траффик должен быть рассчитан на основе начального пика (скажем, 1 А), его значение будет (учитывая 100 кГц, 0,9максимальный рабочий цикл) Von⋅Ton/Ipk = 15⋅9/1 = 135 мкГн. Но этого значения будет недостаточно для малых токов, плюс два конденсатора по 100 нФ дадут нежелательный резонанс в районе 61 кГц, что близко к частоте переключения. Поэтому обычно импульсные трансформаторы выбирают с индуктивностью 0,5…2 мГн. Но процесс проектирования все же не следует пропускать, потому что существует компромисс между тем, насколько большой должна быть индуктивность намагничивания, и перерегулированием, поскольку траффик неидеален, поэтому есть утечки. Теперь учтите, что выбранные вами значения в 10 раз ниже частоты переключения и в 10 раз ниже значения индуктивности намагничивания.

Бонус связан с нагрузочным резистором: чем больше значение, тем хуже отклик, чем меньше значение, тем больше спад (у импульса не будет плоской вершины, он будет затухать). Типичное значение выходного резистора составляет 1…10 кОм. Это обеспечивает минимальную токовую нагрузку трансформатора, не влияя при этом на напряжение затвора. В качестве бонуса он может действовать как разряд для емкости G-S.

Однако почти никогда не бывает достаточно оставить только импульсный траффик и восстановитель постоянного тока, так как импульс искажается. Импульсные преобразователи необходимы, и это цель R8 , D3 и Q4 на вашем 1-м изображении. PSIM хорош для моделирования на уровне блоков, но что касается деталей, я подозреваю, что это не лучший выбор; симулятор SPICE, который имеет дело с примитивными элементами, лучше подходит (если только PSIM уже не делает этого). Если у вас есть LTspice, я предоставлю источник тестовой схемы, включающей идеальный траффик и две линейные индуктивности с неидеальной связью. Вы можете изменить значения элементов, чтобы увидеть влияние различных индуктивностей намагничивания, колпачков блокировки постоянного тока, сопротивления источника (это влияет на демпфирование), сопротивления нагрузки, диода восстановления постоянного тока (используйте Шоттки против 4148, для например), вы можете сделать еще один шаг и добавить настоящий MOSFET или нелинейный сердечник (хотя, учитывая большую относительную индуктивность намагничивания, это почти никогда не проблема). Скопируйте-вставьте и сохраните как *.asc ( не *.asc.txt !):

 Версия 4
ЛИСТ 1 944 864
ПРОВОД 48 112 0 112
ПРОВОД 96 112 48 112
ПРОВОД 208 112 160 112
ПРОВОД 256 112 208 112
ПРОВОД 416 112 400 112
ПРОВОД 448 112 416 112
ПРОВОД 576 112 512 112
ПРОВОД 624 112 576 112
ПРОВОД 672 112 624 112
ПРОВОД 816 112 752 112
ПРОВОД 864 112 816 112
ПРОВОД 912 112 864 112
ПРОВОД 0 160 0 112
ПРОВОД 256 160 256 112
ПРОВОД 400 160 400 112
ПРОВОД 576 160 576 112
ПРОВОД 816 160 816 112
ПРОВОД 912 176 912 112
ПРОВОД 0 272 0 240
ПРОВОД 256 272 256 240
ПРОВОД 400 272 400 240
ПРОВОД 576 272 576 224
ПРОВОД 816 272 816 240
ПРОВОД 912 272 912 240
ПРОВОД 48 432 0 432
ПРОВОД 96 432 48 432
ПРОВОД 208 432 160 432
ПРОВОД 256 432 208 432
ПРОВОД 352 432 256 432
ПРОВОД 416 432 400 432
ПРОВОД 448 432 416 432
ПРОВОД 576 432 512 432
ПРОВОД 624 432 576 432
ПРОВОД 672 432 624 432
ПРОВОД 0 480 0 432
ПРОВОД 256 480 256 432
ПРОВОД 400 480 400 432
ПРОВОД 576 480 576 432
ПРОВОД 672 480 672 432
ПРОВОД 352 496 352 432
ПРОВОД 0 592 0 560
ПРОВОД 256 592 256 560
ПРОВОД 400 592 400 560
ПРОВОД 576 592 576 544
ПРОВОД 672 592 672 560
ФЛАГ 256 272 0
ФЛАГ 400 272 0
ФЛАГ 0 272 0
ФЛАГ 816 272 0
ФЛАГ 576 272 0
ФЛАГ 48 112 а1
ФЛАГ 208 112 а2
ФЛАГ 416 112 а3
ФЛАГ 624 112 а4
ФЛАГ 256 592 0
ФЛАГ 400 592 0
ФЛАГ 0 592 0
ФЛАГ 672 592 0
ФЛАГ 576 592 0
ФЛАГ 48 432 б1
ФЛАГ 208 432 б2
ФЛАГ 416 432 b3
ФЛАГ 624 432 б4
ФЛАГ 352 544 0
ФЛАГ 912 272 0
ФЛАГ 864 112 а5
СИМВОЛ напряжение 0 144 R0
ОКНО 0 25 128 Слева 2
ОКНО 3 -36 156 Слева 2
ОКНО 123 -36 178 Левая 2
SYMATTR имя_установки V1
Импульс значения SYMATTR 0,2 14,8 0 0,1u 0,1u 3u 10u
SYMATTR Значение2 Rser=1
СИМВОЛ крышка 96 128 R270
ОКНО 0 32 32 VTop 2
ОКНО 3 0 32 VВнизу 2
SYMATTR имя_установки C1
Значение SYMATTR 100n
СИМВОЛ ind2 240 144 R0
SYMATTR имя_установки L1
Значение SYMATTR {L}
SYMATTR Тип инд. 
СИМВОЛ ind2 416 144 M0
SYMATTR имя_установки L2
Значение SYMATTR {L}
SYMATTR Тип инд.
СИМВОЛ разрешение 800 144 R0
SYMATTR имя_установки R1
Значение SYMATTR 10k
СИМВОЛ крышка 448 128 R270
ОКНО 0 32 32 VTop 2
ОКНО 3 0 32 VВнизу 2
SYMATTR имя_установки C2
Значение SYMATTR 100n
СИМВОЛ диод 592 224 р180
ОКНО 0 24 64 Левый 2
ОКНО 3 24 0 Слева 2
SYMATTR имя_установки D1
Значение SYMATTR 1N4148
СИМВОЛ напряжение 0 464 R0
ОКНО 0 25 128 Слева 2
ОКНО 3 -36 156 Слева 2
ОКНО 123 -36 178 Левая 2
SYMATTR имя_установки V2
Импульс значения SYMATTR 0,2 14,8 0 0,1u 0,1u 3u 10u
SYMATTR Значение2 Rser=1
СИМВОЛ крышка 96 448 R270
ОКНО 0 32 32 VTop 2
ОКНО 3 0 32 VВнизу 2
SYMATTR имя_установки C3
Значение SYMATTR 100n
SYMATTR SpiceLine Рпар=1г
СИМВОЛ разрешение 656 464 R0
SYMATTR имя_установки R2
Значение SYMATTR 10k
СИМВОЛ крышка 448 448 R270
ОКНО 0 32 32 VTop 2
ОКНО 3 0 32 VВнизу 2
SYMATTR имя_установки C4
Значение SYMATTR 100n
СИМВОЛ диод 592 544 р180
ОКНО 0 24 64 Левый 2
ОКНО 3 24 0 Слева 2
SYMATTR InstName D2
Значение SYMATTR 1N4148
СИМВОЛ e 400 464 R0
SYMATTR имя_установки E1
СИМАТР Значение 1
СИМВОЛ f 256 480 R0
SYMATTR имя_установки F1
Значение SYMATTR E1 -1
СИМВОЛ крышка 896 176 R0
SYMATTR имя_установки C5
Значение SYMATTR 1n
СИМВОЛ разрешение 656 128 R270
ОКНО 0 32 56 VTop 2
ОКНО 3 0 56 VНиз 2
SYMATTR имя_установки R3
СИМАТР значение 10
ТЕКСТ 200 -48 Слева 2 !. parma L=0,135 м
ТЕКСТ 248 64 Левый 2 !k12 L1 L2 0,99
ТЕКСТ 200 -88 Влево 2 !.trans 1m
ТЕКСТ 200 -8 Левый 2 !.шаг параметр L список 0.135м 1м
 

Оптимальная конструкция трансформатора для импульсной энергосистемы (Технический отчет)

Оптимальная конструкция трансформатора для импульсной энергосистемы (Технический отчет) | ОСТИ.GOV

перейти к основному содержанию

• Полная запись
• Другое связанное исследование

Электромагнитные силы, возникающие в результате пикового импульсного тока, требуют особого внимания при проектировании, чтобы предотвратить выход из строя катушек трансформатора. Описаны процедуры чередования обмоток трансформатора для уменьшения как электромагнитных сил короткого замыкания, так и падения реактивного напряжения при одновременном снижении затрат на закупку. Основы принципов проектирования трансформаторов и компромиссов по стоимости включены для лучшего понимания процедур перемежения. 3 исх., 3 рис.

Авторов:

Броверман, А.Ю.

Дата публикации:

1987-11-01

Исследовательская организация:

Национальная лаборатория Ок-Ридж. (ORNL), Ок-Ридж, Теннесси (США)

Идентификатор ОСТИ:

5508881

Номер(а) отчета:

ORNL/TM-10620
ПО: DE88006054; РНН: 88-010890

Номер контракта с Министерством энергетики:  

АК05-84ОР21400

Тип ресурса:

Технический отчет

Страна публикации:

США

Язык:

Английский

Тема:

70 ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ТЕХНОЛОГИЯ СТРОЕНИЯ ПЛАЗМЫ; ТРАНСФОРМАТОРЫ; ДИЗАЙН; АНАЛИЗ ВЫГОДЫ И ЗАТРАТ; ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ; ГЕНЕРАТОРЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ; ОПТИМИЗАЦИЯ; ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ; ЭЛЕКТРОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ; ОБОРУДОВАНИЕ; ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ; ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ; 700203 * — Технология термоядерных электростанций — источники питания, накопители энергии

---

Форматы цитирования

• MLA
• АПА
• Чикаго
• БибТекс

Броверман А. Ю. Оптимальная конструкция трансформатора для импульсной энергосистемы . США: Н. П., 1987. Веб. дои: 10.2172/5508881.

Копировать в буфер обмена

Броверман А.Ю. Оптимальная конструкция трансформатора для импульсной энергосистемы . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/5508881

Копировать в буфер обмена

Броверман, А.Ю., 1987. «Оптимальная конструкция трансформатора для импульсной энергосистемы». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/5508881. https://www.osti.gov/servlets/purl/5508881.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_5508881,
title = {Оптимальная конструкция трансформатора для импульсной энергосистемы},
автор = {Броверман А. Ю.},
abstractNote = {Электромагнитные силы, возникающие в результате пикового импульсного тока, требуют особого внимания при проектировании, чтобы предотвратить выход из строя катушек трансформатора. Описаны процедуры чередования обмоток трансформатора для уменьшения как электромагнитных сил короткого замыкания, так и падения реактивного напряжения при одновременном снижении затрат на закупку. Основы принципов проектирования трансформаторов и компромиссов по стоимости включены для лучшего понимания процедур перемежения. 3 исх., 3 рис.},
дои = {10.2172/5508881},
URL = {https://www.osti.gov/biblio/5508881}, журнал = {},
номер =,
объем = ,
место = {США},
год = {1987},
месяц = ​​{11}
}

Копировать в буфер обмена

---

Посмотреть технический отчет (0,38 МБ)

https://doi.org/10.2172/5508881

---

Экспорт метаданных

Сохранить в моей библиотеке

Вы должны войти в систему или создать учетную запись, чтобы сохранять документы в своей библиотеке.