ОГЛАВЛЕНИЕ

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 устаревшии 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.
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 вдияния 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.
Общее представление об импульсном режиме работы, когда период повторения импульсов не изменяется, дает рис. 1.1. Основные характеристики такого режима: амплитуда напряжения импульсов U, длительность импульсов ги, период повторения импульсов Т и производные
к II
Рис. 1.1. Основные характеристики импульсного режима работы
величины - частота повторения F = 1/7\ скважность q = T/tK и коэффициент усреднения а = l/q. В мощных импульсных устройствах скважность обычно характеризуется значениями 10 ... 1000. При такой большой скважности ИТ обычно успевает восстановить свои свойства в интервале между импульсами, и поэтому форма импульсов в последовательности одинакова. Длительность импульсов также может лежать в широких пределах - от нескольких наносекунд в лазерной технике до сотен микросекунд в радиолокации. Свойства магнитных материалов, доступных и пригодных для применения в МС, таковы, что не позволяют реализовать мощные ИТ на длительность импульсов менее 50 не. Поэтому далее имеются в виду импульсные режимы с большей длительностью импульсов.
1.2. ГЕНЕРАТОРЫ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ
Мощные ИТ входят в состав генераторов электрических импульсов, в которых эти трансформаторы выполняют функции согласующего звена между первичным генератором и потребителем импульсной электроэнергии - нагрузкой. В качестве первичных генераторов применяются генераторы с полным или частичным разрядом накопителя энергии емкостного типа. Схема такого генератора с ИТ имеет вид, приведенный на рис. 1.2, где Н — накопитель энергии в виде формирующей линии или накопительного конденсатора; К — коммутатор накопленной энергии; R 2 - сопротивление нагрузки, в общем случае нелинейное; Ux и U2 — амплитуда импульсов на первичной и вторичной обмотках ИТ; Ц0 — напряжение источника питания генератора; Z0 - зарядное сопротивление накопителя энергии. Мощность таких генераторов ограничена мощностью выпускаемых промышленностью коммутаторов. В мощных импульсных генераторах с полным разрядом накопителя 6
в качестве коммутаторов используются водородные тиратроны, игнитроны, тиристоры и динисторы, в генераторах с частичным разрядом накопительной емкости - специальные импульсные модуляторные лампы. Особенности коммутаторов приводят к тому, что КПД генераторов с полным разрядом накопителя обычно значительно выше, чем у генераторов с частичным разрядом. Этим определяется преимущественное применение генераторов с полным разрядом накопителя в мощных генераторах электрических импульсов.
Рис. 1.2. Схема генератора с импульсным трансформатором
Максимальные достигнутые к настоящему времени мощности коммутаторов не превышают 100 МВт, что значительно меньше требуемых в импульсной электроэнергетике. Эффективный способ увеличения мощности состоит в суммировании мощности многих автономных генераторов посредством импульсного трансформатора (рис. 1.3). Суммирование мощности позволяет применять в мощных генераторах автономные генераторы с коммутаторами в виде тиристоров и динисто-ров, обладающих известными преимуществами полупроводниковых приборов по сравнению с электронными лампами и газоразрядными приборами. Это делает метод суммирования мощности особенно перспективным.
Применение ИТ в составе мощного импульсного генератора неизбежно связано с потерей части мощности и искажениями формы транс-
Рис. 1.3. Схема суммирования мощности импульсных генераторов
п 7' ИТ
2
• •Л
г* 2
/
/?2
формированных импульсов, а также усложнением генератора. Однако преимущества столь значительны, что в целом применение ИТ обычно технически оправданно. Так, оно избавляет от необходимости строить
7
высоковольтные импульсные генераторы по сложным и малонадежным схемам умножения напряжения, позволяет легко создавать наиболее благоприятные условия для передачи максимальной мощности от генератора к нагрузке, изменять полярность импульсов, осуществлять гальваническую развязку генератора с нагрузкой и решать многие другие технические задачи. Коэффициент полезного действия мощного ИТ может достигать 99%, поэтому потерями мощности как таковыми не определяется принципиальная возможность применения ИТ. Но абсолютная величина потерь пропорциональна частоте повторения импульсов, и при увеличении частоты увеличивается тепловыделение и температура активных частей трансформатора. В связи с этим применение ИТ возможно только при частотах повторения, не превышающих 10 кГц. Масса и стоимость ИТ обычно на один-два порядка меньше массы и стоимости генератора импульсов, и они не определяют возможности применения ИТ в импульсных установках.
В целом, так же как и силовой трансформатор в промышленной электроэнергетике, ИТ оказывается практически незаменимым элементом в импульсной электроэнергетике, чем и обусловлено его широкое применение в импульсных установках.
Принципиальным фактором, определяющим возможность применения ИТ, являются вносимые им искажения формы импульсов. Эти искажения возникают как следствие процессов накопления и рассеяния электрической и магнитной энергии в принципиально неустранимых из системы генератор — ИТ — нагрузка (трансформаторной цепи) элементах. Такими элементами являются показанные на схеме замещения
1'
е ФС„ фс,
ИТ
2' -о—
^«2 _/"Y>0_«.
ФС„2 ФС
Рис. 1.4. Схема замещения трансформаторной цепи
трансформаторной цепи (рис. 1.4) емкость коммутатора Ск, емкости монтажа установки CMi и См2, емкость нагрузки Си, индуктивности монтажа LMi и!м! и не показанные на рисунке электромагнитные параметры ИТ — индуктивности рассеяния и намагничивания и емкости его обмоток. Вследствие того, что искажения трансформированных импульсов определяются именно этими параметрами трансформаторной цепи, все они характеризуются как паразитные. Соотношение между паразитными параметрами собственно генератора и ИТ может быть различным, но наиболее вероятным является такое, при котором в энергоемких элементах генератора и нагрузки, с одной стороны, и ИТ, 8
с другой, запасаются соизмеримые энергии. Таким образом, искажения трансформированных импульсов примерно в равной мере определяются как параметрами генератора и нагрузки, так и параметрами собственно ИТ. В отдельных случаях паразитные параметры генератора и нагрузки оказывают доминирующее влияние на искажения; тогда применение ИТ существенно затрудняется или становится вообще невозможным.
* 1.3. ПОТРЕБИТЕЛИ ИМПУЛЬСНОЙ ЭНЕРГИИ
В импульсных устройствах потребителями импульсной энергии (нагрузкой) долгое время являлись различные типы генераторов сверхвысоких частот: триодные генераторы, магнетроны, платинотроны, лампы бегущей волны, пролетные клистроны. С развитием прикладной физики потребителями стали также газовые лазеры, газоразрядные промежутки, мощные электромагниты. Общая особенность этих потребителей состоит в том, что для их нормальной работы необходимы высокие импульсные напряжения, лежащие в пределах 20 ... 1000 кВ. Именно эта особенность обусловливает необходимость применения импульсного трансформатора в составе генератора импульсов.
Другая особенность этих потребителей состоит в нелинейном характере зависимости тока потребителя от напряжения, т. е. в нелинейности их вольт-амперных характеристик. Этот фактор не ограничивает возможности применения ИТ в составе генератора импульсов, однако оказывает некоторое, иногда значительное, влияние на процесс формирования импульса и поэтому должен учитываться при расчетах ИТ.
Вольт-амперные характеристики являются экспериментально снятыми зависимостями, и их точное аналитическое описание представляет значительны^ трудности. Весьма приближенно вольт-амперные характеристики могут аппроксимироваться отрезками прямых линий. Однако кусочно-линейная аппроксимация неудобна для получения универсальных решений и недостаточно точна. Более точно вольт-амперные характеристики большинства нагрузок могут аппроксимироваться простой степенной функцией вида
»"н = К- (1Л)
Коэффициент J3 здесь определяется параметрами и конструктивными особенностями тех или иных нагрузок, и его значения могут лежать в весьма широких пределах. Показатель степени q для соответствующих нагрузок, наоборот, имеет вполне определенные значения. Так, для линейной нагрузки q = 1; для триодных генераторов q » 1; для нагрузок диодного и клистронного типа q — 1,5; для нагрузок магнетронного типа и ламп бегущей волны q = 4 ... 6; для газовых лазеров и газоразрядных промежутков q = 8 ... 10 и т. д.
9
Работа каждого типа нагрузки характеризуется переходным и установившимся (согласованным) режимом. Режим согласования является рабочим, и его параметры — напряжение UK,C, ток /нс и сопротивление нагрузки Лнс = ?/их//н.с - заранее известны. Это позволяет выразить коэффициент J3 через параметры согласованного режима и найти сопротивление нагрузки в переходном режиме:
/з = 1/(л„.с^н.с-1); (1-2)
Лн=Лн.с/("н/^н.с)'?_1. (1.3)
Последняя формула однозначно определяет закон изменения сопротивления нагрузки в зависимости от напряжения на нагрузке и поэтому удобна для анализа процесса формирования импульса.
1.4. ТРЕБОВАНИЯ К ИМПУЛЬСНОМУ ТРАНСФОРМАТОРУ
К импульсному трансформатору предъявляется широкий комплекс разнообразных требований, которые, можно разделить на функциональные, эксплуатационные и технико-экономические.
Функциональные требования определяют значения основных электрических параметров (напряжение, мощность и форма) импульсов, получаемых посредством ИТ. Функциональные требования являются безусловными. Однако по техническим причинам выполнить все функциональные требования удается не всегда.
Эксплуатационные требования — это, прежде всего, высокая надежность ИТ. Надежность ИТ определяется его электрической прочностью, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям, температурным режимом, способностью выдерживать перегрузки в возможных; аварийных режимах. Эксплуатационные требования абсолютна безусловны.
Технико-экономические требования — это минимальные габариты, масса и потери энергии, стоимость, трудоемкость изготовления, а также технологичность, возможность использования в конструкции ИТ доступных материалов и т. д. Степень выполнения технико-экономических требований определяется свойствами применяемых в ИТ магнитных, проводниковых, изоляционных и конструкционных материалов, уровнем технологии. В отличие от функциональных и эксплуатационных эти требования условны и в зависимости от конкретных обстоятельств могут изменяться в широких пределах. Так, мыслима ситуация, когда применение ИТ является единственным технически приемлемым способом получить импульсы с заданными параметрами; в этом случае технико-экономические требования приобретают второстепенное значение.
Традиционно наиболее важные и трудиовыполнимые функциональные требования касаются искажений формы трансформированного
10
импульса. Искажения имеют вид переходного процесса, который в зависимости от соотношения между индуктивньгми и емкостными параметрами трансформаторной цепи носит колебательный или апериодический характер. В пренебрежении второстепенными деталями искаженный трансформированный импульс представлен на рис. 1.5, где
0,9иг
U,
0,1 Ui
Рис. 1.5. Параметры искажений транс- 0
формированного импульса
предполагается, что генератор вырабатывает идеально прямоугольные импульсы с амплитудой Ui и длительностью ги.
Искажения трансформированного импульса длительности tK принято характеризовать удлинением фронта ?ф, измеренным между уровнями (0,1 ... 0,9) V2; амплитудой максимального выброса напряжения на фронте bU2; снижением напряжения на вершине Д U2 за время действия импульса; удлинением среза tc и амплитудой максимального выброса на срезе 5 Uc. Обычно удобнее оперировать соответствующими относительными параметрами искажений. Дня современного применения мощных ИТ характерны следующие допустимые относительные искажения: "гф//и = 0,05 ... 0,25; bU2IU2 = 0,00 ... 0,05; AU2IU2 = = 0,002 ... 0,050; tj^ = 0,10 ... 0,30; 5 Uc/U2= 0,3.
Форма импульса на нагрузке определяет протекание процессов в ней. Отклонения от заданной формы нарушают нормальный процесс и поэтому недопустимы. По этой причине главное функциональное требование, предъявляемое к ИТ, состоит в ограничении уровня вносимых им искажений формы трансформированного импульса. Однако соответствие этому функциональному требованию не является достаточным в практическом применении мощных ИТ. В установках импульсной электроэнергетики энергия, мощность и напряжение трансформированных импульсов весьма велики, поэтому при требуемых параметрах искажений формы импульса масса и объем ИТ могут достигать десятков тонн и кубометров. Кроме того, особое значение приобретает всемерное уменьшение потерь в ИТ; даже если потери и относительно малы, отвод выделяющейся при этом теплоты часто приобретает характер сложной
И

Оглавление