книги / Учебное пособие по курсовому проектированию импульсных трансформаторов

Следовательно, намагничивающий ток

(М2)

К моменту окончания импульса намагничивающий ток достигает величины

0-13)

Возрастающий в течение импулйса магнитный поток

происходит, как и в обычном трансформаторе, за счет уве­ личения'тока в первичной обмотке: ti = rlx-Ин'.

б) Явление гистерезиса

Рассмотрим процесс намагничивания сердечника им­ пульсного трансформатора (рис. 1-3) при подаче на пер­ вичную обмотку однополярных импульсов напряжения. На рис. 1-3 изображена петля симметричного 'гистерезис­ ного цикла 'первмдгничи'ваиия, снятая «а постоянном токе. Предположим, что сердечник был |раз:ма)г.ничен. Следователь­ но, начало процесса сошадает ю началом координат. П,ри по­ даче импульса напряжения индукция нарастает на величину АВ, определяемую амплитудой импульса U\ и длительно­ стью tn.

Намагничивание сердечника происходит по основной кривой намагничивания от 0 до точки В\. За время паузы

импульс индукция снова нарастает на величину АВ, сердеч­ ник намагничивается по кривой В0\В\В2, За следующую пау­ зу индукция спадает до значения В02 и т. д. Этот процесс постепенного нарастания индукции происходит до тех пор, пока сердечник не достигнет точки В0, соответствующей остаточной индукции симметричного гистерезисного цикла перемагничивания. В дальнейшем процесс устанавливается и перемагничивание сердечника за период импульса проис­ ходит по частному (несимметричному) циклу BQB n, выде­ ленному на рис. 1-3 штриховкой. Приращению индукции АВ частного цикла .соответствует напряженность магнитного

Рис. 1-3. Процесс намагничивания сердечника импульсного транс­ форматора:

Во — остаточная индукция; Нк— коэрцитивная сила; ОВ\В2ВпВт — основная кривая намагничивания; В тНкВтНк— предельный симмет­ ричный гистерезисный цикл перемагничивания; Bt)B'BnB"Bni — харак­ теристика намагничивания на предельном частном цикле; ВоВ'ВяВ0— частный (несимметричный) цикл перемагничивания, соответствующий 'приращению индукции ДВ; ВйВпВтВ0— предельный частный цикл щеремагничиваиия, соответствующий максимальному приращению индук­

ции АВт

трансформаторов иногда называют током «действительного» намагничивания.

Если уменьшить амплитуду импульса напряжения U\ до значения U\', то уменьшится приращение индукции до зна­ чения АВ', уменьшится напряженность поля до значения ДН' и сердечник будет перемагничиваться по другому част-

ному циклу BQB'. При увеличении амплитуды импульса (t/i">£/i) соответствующим образом изменятся прираще­ ние индукции (АВ"), напряженность поля (АН") и цикл перемагничи’вания (В0В"). Максимальное приращение ин­ дукции Д£от будет определяться насыщением сердечника; частный цикл перемагничивания В^Вт будет являться пре­

деляется как отношение индукции к напряженности магнит­ ного поля. Магнитная проницаемость по основной кривой намагничивания

W н п

Средняя магнитная проницаемость на частном цикле (ВоБп) определяется как отношение приращения индукции к напряженности поля

Из сравнения выражений (1—14) и (1—15) очевидно, что м-а< ц. Следовательно, явление гистерезиса значительно

понижает магнитную, проницаемость в сердечнике импульс­ ного трансформатора по сравнению с трансформаторами нормального исполнения.

Потери энергии на гистерезис в импульсном трансфор­ маторе относительно малы.

в) Влияние вихревых токов на работу сердечника

В импульсном режиме изменение индукции в сердечнике трансформатора происходит с очень большой" скоростью, достигающей порядка 1010 гс/сек. Это приводит к возникно­ вению в сердечнике трансформатора, мощных вихревых то­ ков, которые создают размагничивающее поле .и. потери энергии.

Для уменьшения вихревых токов необходимо выбирать материал сердечника импульсного трансформатора с боль-

Щйм удельным электрическим сопротивлением и уменьшать толщину листов.

Влияние вихревых токов прежде всего заключается в увеличении. намагничивающего тока импульсного трансфор­ матора. Вихревые токи создают в сердечнике размагничи­ вающее поле™ для” компенсации которого из сети в первич­ ную обмотку трансформатора поступает больший намагни­ чивающий ток. При этом говорят о «кажущемся» намагни­ чивающем токе*

Обозначим ток действительного намагничивания, т. е. Намагничивающий ток трансформатора при отсутствии вих­ ревых токов, через 1 д (Этому току соответствует напряжен­ ность поля Нп на рис. 1-3.) Обозначим через iB составляю­ щую намагничивающего тока,- компенсирующую размагни­ чивающее действие поля вихревых токов. Тогда ток «кажу­

С другой стороны, размагничивающее действие вихревых токов можно представить как снижение магнитной прони­ цаемости материала сердечника. Поэтому вводятся понятия «кажущейся» магнитной проницаемости материала (цк)> соответствующей «кажущемуся» току намагничивания и «кажущейся» индуктивности намагничивания (LK).

Из анализа ясно, что

Кроме указанного выше увеличения намагничивающего тока возникновение вихревых.токов приводит к неравномер­ ному распределению индукции по сечению листа. Как изве­ стно из теории, действие поверхностного эффекта заключа­

ется в том, что ток вытесняется из середины листа материа­ ла сердечника к краевым плоскостям. Вследствие этого индукция в середине листа меньше, чем в его внешних сло­

толщины листов сравнительно мало влияет на действие вихревых токов, но приводит к увеличению стоимости изго­ товления сердечника трансформатора.

Вихревые токи после начала действия импульса нараста­ ют постепенно, приблизительно по экспоненциальному за­ кону

. *

o.607-ee

). ( 1*21)

Величина 0В называется вихревой постоянной времени и характеризует длительность установления вихревых токов.

где ца—средняя магнитная проницаемость на частном цик­

пульсного трансформатора целесообразно производить в зависимости от длительности импульса таким образом, что­ бы длительность импульса была больше вихревой постоян­ ной /и>0в. Более желательно соотношение: 3@я. Одна­ ко для снижения стоимости изготовления сердечника можно принять

(iB). При /П< 0 В «вихревая» компонента iu>ib.

4 i

нитного последействия -7V Величина t ? сильно зависит от технологического процесса изготовления сердечника транс­ форматора. Она может быть определена 'опытным путем.

Для снижения влияния магнитного последействия' в им­ пульсных трансформаторах рекомендуется выбирать маг­ нитные материалы для сердечников, „с высокой магнитной проницаемостью на частном цикле (ид).

д) Влияние насыщения на работу сердечника

Намагничивающий ток трансформатора при увеличении насыщения сердечника определяется двумя факторами:

1)эффект насыщения ослабляет действие вихревых то­ ков и способствует более равномерному распределению по­ тока по сечению листа;

2)увеличение насыщения приводит к возрастанию тока действительного намагничивания. Действие этих противопо­ ложных факторов определяет предельный режим насыще­ ния сердечника. Для каждого магнитного материала могут быть построены кривые, характеризующие предельное значе­ ние напряженности поля в сердечнике трансформатора, ко­ торое может быть допущено при заданной длительности импульсов {Л. 1].

е) Действующая магнитная проницаемость. Снижение вершины импульса

Как указывалось выше, размагничивающее действие вих­ ревых токов уменьшает магнитную проницаемость, что учи­ тывается введением понятия «кажущейся» магнитной про­ ницаемости (|хк). Явление магнитного последействия также приводит к увеличению намагничивающего тока трансфор­ матора, т. е. понижает проницаемость. Величина намагни­ чивающего тока зависит еще и от насыщения сердечника.

Необходимо обметить, что магнитная проницаемость ма­ териала сердечника зависит от режима работы импульсного трансформатора (длительности импульса, скважности). Влияют также условия работы (температура, вибрации и т. д.). Кроме того, ',на .магнитные ювойства металлов большое влияние оказывает обработка (прокатка, резка, штамповка и т. д.). Поэтому большое значение имеет производственный процесс, технология изготовления сердечника трансформа­ тора. Причем обычно магнитная проницаемость материала в изделии бывает меньше, Чем в рулонах.

Все эти факторы приводят к тому, что при расчете им­ пульсных трансформаторов приходится оперировать с так называемой действующей (динамической) магнитной прони­ цаемостью (рд), которая имеет место в импульсном режиме. Причем

дальном напряжении, с которой имеют дело при расчетах электрических машин и трансформаторов обычного исполнения.

Действующая магнитная проницаемость (рд) определя­ ется опытным путем. Причем для учета производственных факторов желательно снимать импульсные магнитные ха-

Клт замыкаете»

Рис. 1-4.. Упрощенная эквивалентная схема трансформаторной цепи

R, — эквивалентное активное сопротивление трансформатор­ ной цепи; RH' — приведенное сопротивление нагрузки; I n — пара­ зитная индуктивность трансформаторной цепи; L\L — действую­ щая индуктивность намагничивания сердечника трансформатора;

Сп' — паразитная емкость трансформаторной цепи

рактерйстики рд=/('ДБ) с образцов различного рода выпол­ ненных сердечников для разных режимов работы трансфор­ матора. Эти усредненные кривые могут быть положены в основу расчета импульсных трансформаторов.

Динамической магнитной проницаемости цд соответству­ ет действующая в импульсном режиме индуктивность намаг­ ничивания сердечника трансформатора Ly. (учитывающая влияние гистерезиса, вихревыхтоков, магнитного последей­ ствия, насыщения). Поскольку индуктивность намагничива­ ния является функцией действующей магнитной проиицае-

ничивания Лу. входит в схему замещения (рис. 1-4) и учи­ тывается при расчете импульсного трансформатора. Этой индуктивности намагничивания (Lh ) соответствует намаг­ ничивающий ток iy. , который действительно протекает в первичной обмотке трансформатора. К концу импульса намагничивающий ток достигает значения

Наиболее вредное влияние намагничивающего тока трансформатора при импульсном режиме работы заключа­ ется в искажении (понижении) вершины трансформируемых импульсов

(1-24)

Uo

где I n —приведенный ток нагрузки.

Как указывалось выше, относительная величина сниже­ ния вершины трансформируемых импульсов напряжения (А,) ограничивается техническими условиями, что и опреде­ ляет максимально допустимый намагничивающий ток транс­ форматора.

Уменьшение намагничивающего тока при проектировании импульсных трансформаторов обеспечивается уменьшением размеров и выбором конструкции сердечника, применением материала сердечника с большой магнитной проницаемостью на частном цикле и с большим удельным электрическим сопротивлением, уменьшением толщины листов и т. д. Уве­ личение магнитной проницаемости на частном цикле может быть достигнуто путем применения материалов с большой индукцией насыщения Вт и малой остаточной индукцией В0 (формула 1—16).

Для уменьшения BQ иногда в сердечнике импульсного трансформатора делают небольшой воздушный зазор. Вве­ дение воздушного зазора не только снижает остаточную индукцию, но и изменяет форму магнитной характеристики сердечника, делая ее более линейной. Благодаря этому уве­ личивается магнитная проницаемость на частном цикле и расширяется диапазон приращений индукции за импульс ДВу которые могут быть выбраны при проектировании трансформатора. Кроме этого, линейность магнитной харак­ теристики уменьшает искажение выходного импульса напря­ жения. По величине воздушный зазор в сердечнике должен

быть выбран небольшим и желательно вполне определен­ ным. Значительное увеличение воздушного зазора приводит уже не к уменьшению, а к увеличению намагничивающего тока. Оптимальная величина зазора зависит от значения

АВ.

Для электротехнической холоднокатаной стали, при выбранном приращении индукции, оптимальное значение воздушного зазора получается порядка нескольких сотых лолещ процента от длины магнитной силовой линии ЁГсердечнике. Введение воздушного зазора для сердечников из сплавов осложняется тем, что магнитные свойства их ухуд­ шаются при механической обработке.

Увеличение магнитной проницаемости на частном цикле и повышение допустимых приращений индукции за импульс гложет быть обеспечено также путем применения размагни­ чивающего (обратного) поля, которое создается током, про­

в область малых насыщений. Наиболее эффективнее влия­ ние размагничивающего поля в зависимости от коэрцитив­ ной силы получается при Як<Я р<2Я к. Недостатком приме­ нения размагничивающего поля является усложнение схемы.

Применение размагничивающего поля и введение в сер­ дечник воздушного зазора целесообразно для магнитных материалов, имеющих малую коэрцитивную силу-Як.

Использование обратного поля и применение сердечников с воздушным зазором особенно выгодно для импульсных трансформаторов большой мощности, где требуются боль* шие приращения индукции за импульс. Причем, действие обратного поля более эффективно, чем введение зазора.

1-4. Схема замещения импульсного трансформатора

Известно, что расчет трансформатора (или электриче­ ской машины) производится с помощью схемы замещения, которая представляет собой эквивалентную электрическую цепь. Обычно схема замещения соответствует статическому режиму работы трансформатора. В импульсном режиме схема замещения трансформатора значительно усложняется. Дело в том, что индуктивные сопротивления обмоток прямо