Нюансы проектирования импульсных трансформаторов на тороидальном сердечнике

Тороидальные магнитные системы компонуются из тороидальных (кольцевых) магнитопроводов, число которых может быть от одного до нескольких десятков. Каждый магнитопровод изготовляется посредством навивки ленты на кольцевую оправку (см. рис. 1 ), т.е. технология в принципе такая же, как у витых стержневых. Для навивки используется лента из трансформаторной стали марок 3421-3425 или из пермаллоя. Изготовленные из трансформаторной стали магнитопроводы благодаря спеканию изолирующего покрытия ленты имеют достаточно высокую механическую прочность и допускают компоновку  импульсного трансформатора  без специальных защитных деталей. Возникающие при креплении магнитопроводов механические напряжения не оказывают существенного влияния на магнитные свойства магнитной системы. При сборке предпочтение отдается вертикальной установке магнитопроводов, так как при этом обеспечивается лучшая конвекция масла у торцевых частей магнитопроводов и, следовательно, облегчается теплоотвод. Горизонтальная установка применяется в тех случаях, когда для увеличения площади сечения магнитная система набирается из большого числа магнитопроводов. В этом случае велика неравномерность поперечного сечения: b > а. При вертикальной установке магнитопроводов «длинная сторона» витков оказывается горизонтальной, что приводит к их провисанию. При горизонтальной установке,наоборот, «длинная сторона» витков вертикальна и провисание исключено. В отличие от магнитопроводов из трансформаторной стали магнитопроводы из пермаллоя легко деформируются и их магнитные свойства  существенно изменяются при различных механических воздействиях.

   По этим причинам магнитопроводы из пермаллоя обычно помещают в защитные обечайки из немагнитного металла или механически прочного диэлектрика (см. рис.2 ). Металлические обечайки могут быть из 
Импульсный трансформатор на торе

меди, алюминия, нержавеющей стали. Достоинство обечаек из меди и алюминия состоит в их высокой теплопроводности, что облегчает охлаждение магнитной системы. Однако недостаточная механическая прочность обечаек из этих металлов затрудняет изготовление и компоновку крупногабаритных конструкций. Поэтому в последних целесообразно применение обечаек из нержавеющей стали, механически более прочных. Недостаток таких обечаек — значительно меньшая теплопроводность. Обечайки из изоляционных материалов — стеклоэпоксида, органического стекла,пластмасс — имеют низкую теплопроводность и поэтому применяются для защиты магнитопроводов небольшого размера, обычно диаметром менее 250 мм. Пространство между обечайкой и магнитопроводом обычно заполняется эластичным амортизирующим компаундом, например силиконовой смазкой ЦИАТИМ-201 или ей подобными. Относительная конструктивная сложность и высокая стоимость пермаллоевых магнитопроводов делает их применение целесообразным только при весьма коротких импульсах, когда необходимо уменьшить потери на вихревые токи посредством уменьшения толщины ленты магнитного материала. Ранее отмечалось, что пермаллой не обладает преимуществами перед трансформаторной сталью ни в отношении приращения индукции, ни в отношении удельного электрического сопротивления. Поэтому с учетом значительной конструктивной сложности магнитопровода из пермаллоя их применение оправданно только тогда, когда толщина ленты должна быть менее 0,05 мм, т. е. когда магнитопровод  не может быть сделан из электротехнической стали. По этой причине магнитопровод трансформаторов, предназначенных для работы при малой длительности и высокой частоте повторения импульсов, приходится изготовлять из пермаллоя.Однако и тонкие ленты пермаллоя не всегда помогают избежать больших потерь, и тепловой режим работы магнитной системы оказывается чрезмерно напряженным. В таких случаях приходится применять водяное охлаждение магнитопровода. С этой целью обечайки, предпочтительно медные или алюминиевые, изготовляются с водяными рубашками. Главная технологическая трудность изготовления магнитопроводов из пермаллоя состоит в необходимости их отжига в специальных печах — в атмосфере водорода, инертных газов или в вакууме. Обычно это печи небольшого размера и пригодны для отжига магнитопроводов сравнительно малого, не болеее 600 мм,диаметра. По этой причине приходится применять  магнитопроводы из большого числа магнитопроводов малого диаметра, что приводит, с одной стороны, к большой неравносторонности сечения магнитопровода, с другой — к существенному ограничению мощности и энергии импульсного трансформатора, рассчитанного на импульсы малой длительности. В то же время магнитопроводы из трансформаторной стали могут изготовляться диаметром до нескольких метров, так как стали 3421-3425 поставляются в отожженном состоянии и после изготовления магнитопровода необходимо производить не отжиг, а только  спекание ленты. Таким образом, диаметр магнитопровода из трансформаторной стали ограничен лишь возможностями технологического оборудования для намотки ленты и трудностями транспортировки крупногабаритных импульсных трансформаторов с тороидальными магнитопроводами. Наиболее важным ограничивающим фактором является железнодорожный габарит, составляющий 2,77 м.

Возможные варианты компоновки магнитопроводов в тороидальные магнитные системы

Компоновка магнитных систем с вертикальной установкой вертикальная установка тороидального трансформаторавитых магнитопроводов приведена на рисунке, где 1 — тороидальный магнитопровод; 2 — щека из механически прочного изоляционного материала, например стеклоэпоксида (щеки могут быть также и металлическими, например литыми из чугунаi); 3 — фундаментная плита, служащая конструктивной основой трансформатора; 4 — бандаж из стеклоленты. Магнитопроводы фиксируются в выточке на внутренней стороне щек. Внешняя сторона щек имеет наклон по отношению к внутренней. Это позволяет относительно просто реализовать в импульсном трансформаторе конические обмотки. При цилиндрических обмотках внешняя и внутренняя стороны щек выполняются параллельными. Таким или подобным способом удается компоновать магнитопроводы из магнитопроводов диаметром до 1,5 м. Компоновка магнитопроводов с вертикальной установкой магнитопроводов в обечайке приведена на рисунке, где 1 — магнитопровод, помещенный в обечайки — 2; 3 — приваренный к обечайкам угольник для крепления магнитопровода к фундаментной плите 4. На обечайки с магнитопроводами в нескольких местах также накладываются бандажи. Такие или подобные им компоновки магнитных систем целесообразны в высоковольтных импортных трансформаторах, так как позволяют наиболее простым способом реализовать вторичную обмотку с вводом посредине. Существенный недостаток обеих вертикальных компоновок -низкая механическая прочность конструкции, вследствие чего при больших диаметрах магнитных систем собранный импульсный трансформатор оказывается не транспортабельным. По этой причине импульсные трансформаторы  таких конструкций приходится собирать на месте их постоянной установки.
Компоновка магнитных систем с горизонтальной установкой витых магнитопроводовгоризонтальная установка тороидального трансформатора приведена на рисунке, где 1 — тороидальный магнитопровод, 2 — амортизирующая прокладка; 3 — прижимной фланец. Фланцы снабжены выступами, через которые магнитная система стягивается шпильками Обмотки размещаются в секторах между выступами. Для повышения жесткости магнитопровода фланцы в районе выступов могут быть усилены ребрами жесткости. Компоновка магнитных систем с горизонтальной установкой магнитопроводов в обечайке приведена на рисунке где 1 — магнитопровод; 2 — амортизирующая прокладка; 3 — обечайка; 4 — приваренное к обечайке ребро,посредством которого магнитная система крепится к крышке бака 5. Обращает на себя внимание, что при горизонтальной компоновке периферийная часть магнитной системы разделена выступами или ребрами. Вследствие этого обмотки импульсного трансформатора приходится секционировать, причем число секций равно числу секторов между выступами или ребрами. Если применяются обмотки с вводом посредине, то число секций удваивается. Это приводит к уменьшению длины каждой секции и, следовательно, затрудняет получение высокой продольной электрической прочности обмоток импульсного трансформатора. Более целесообразна конструкция магнитной системы с тремя секторами вместо показанных на рисунках четырех, так как при этом увеличивается длина каждой секции. Если магнитопровод большого диаметра, то отмеченные обстоятельства не имеют особого значения, но при малых диаметрах проектирование трансформатора на высокие напряжения с такой компоновкой затруднительно. В этом отношении очевидно преимущество вертикальной установки, когда магнитопровод имеет только один сектор, что позволяет увеличить длину секции и тем самым повысить продольную электрическую прочность.
Существенный недостаток горизонтальной установки состоит также в практической невозможности устройства охлаждающих масляных каналов, что затрудняет теплоотвод от магнитопровода. Компоновка магнитной системы с вертикальной установкой магнитопроводов в обечайке магнитопровод в обечайке ,установленный вертикальноприведена на рисунке, где 1 — магнитопровод, помещенный в обечайке — 2; 3 — приваренный к обечайкам угольник для крепления магнитопровода к фундаментальной плите 4. На обечайки с магнитопроводами в нескольких местах также накладываются бандажи. Такие или подобные им компоновки магнитных систем целесообразны в высоковольтных импульсных трансформаторах, так как позволяют наиболее простым способом реализовать вторичную обмотку с вводом посредине. Существенный недостаток обеих вертикальных компоновок — низкая механическая прочность конструкции, вследствие чего при больших диаметрах сердечника, собранный трансформатор оказывается не транспортабельным. По этой причине трансформаторы таких конструкций приходится собирать на месте их постоянной установки. Компоновка магнитопровода с горизонтальной установкой витых магнитопроводов приведена на следующем рисунке, где 1 — тороидальный магнитопровод; 2 — амортизирующая прокладка; 3 — прижимной фланец. Фланцы снабжены выступами, через которые магнитопровод стягивается шпильками. Обмотки размещаются в секторах между выступами. Для повышения жесткости магнитной системы  фланцы в районе выступов могут быть усилены ребрами жесткости.
Компоновка магнитной системы с горизонтальной установкой магнитопроводов в обечайке горизонтальная установка тороидального трансформатора в обечайкеприведена на рисунке, где 1 — магнитопровод; 2 — амортизирующая прокладка; 3 — обечайка; 4 — приваренное к обечайке ребро, посредством которого магнитопровод крепится к крышке бака 5. Обращает на себя внимание, что при горизонтальной компоновке периферийная часть разделена выступами или ребрами. Вследствие этого обмотки импульсного трансформатора приходится секционировать, причем число секций равно числу секторов между выступами или ребрами. Если применяются обмотки с вводом посредине, то число секций удваивается. Это приводит к уменьшению длины каждой секции и, следовательно, затрудняет получение высокой продольной электрической прочности обмоток трансформатора. Более целесообразна конструкция магнитопровода с тремя секторами вместо показанных на рисунках четырех, так как при этом увеличивается длина каждой секции. Если магнитопроводы большого диаметра, то отмеченные обстоятельства не имеют особого значения, но при малых диаметрах сердечников проектирование импульсных трансформаторов на высокие напряжения с такой компоновкой затруднительно. В этом отношении очевидно преимущество вертикальной установки, когда магнитная система имеет только один сектор, что позволяет увеличить длину секции и тем самым повысить продольную электрическую прочность.
Существенный недостаток горизонтальной установки состоит также в практической невозможности устройства охлаждающих масляных каналов, что затрудняет теплоотвод от магнитной системы

К списку статей.

 

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован.

Иконка левого меню
Иконка в правом меню