автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Силовые высокочастотные трансформаторы для преобразовательной техники

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ОСЖВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СВЧТ И КРИТЕРИИ ИХ ПРОЕлТИРОВА

НИЯ .Ю

1.1. Отличительные особенности СВЧТ, влияющие на их расчет и проектирование

1.2. Варианты конструктивного исполнения.

1.3. Физические показатели и их выражения.

1.3.1. Габаритная мощность

1.3.2. Плотность тока.

1.3.3. Рабочая индукция

1.3.4. Выражения для индукции и плотности тока, развязанных между собой.

1.4. Показатели теплового резшма

1.5. Геометрические показатели

1.6. Выражения для минимизации удельно-экономических показателей

Глава 2. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СВЧТ.

2.1. Методика оптимизации

2.2. Оптимальная геометрия типовых конструкций

2.2.1. Стержневые однофазные СВЧТ

2.2.2. Трехфазные стержневые СВЧТ

2.2.3. Броневые СВТГ.

2.3. Оптимальная геометрия круговых и многостержневых трансформаторов.

2.4. Геометрия кабельного трансформатора

2.5. Сравнительная оценка удельно-экономических показателей СВЧТ яо геометрическим показателям.

Глава 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН СВЧТ

3.1. Методика оптимизации

3.2. Рабочая индукция и пути ее максимизации:.

3.3. Максимальная плотность тока

3.4. Сечение магнитопровода

3.5. Материал и параметры обмоток

3.6. Материал для магнитопровода и его показатели.

3.7. Максимальная мощность СВЧТ.

3.8. Оптимальные значения соотношения потерь и КПД.

3.9. Показатели СВЧТ в сравнительной оценке.

3.10. Параметрическая емкость и индуктивность рассеяния

Глава 4. СВЧТ для преобразовательных установок.

4.1. ^иловые случаи применения СВЧТ в преобразовательных установках.

4.2. Высоковольтные СВЧТ.

4.3. Йизковольтные СВЧТ.'.

4.4. Инженерный расчет СВЧТ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Удельная масса трансформаторов, как наиболее громоздких деталей в преобразовательной технике, очень велика. 3 бортовых и переносных устройствах радиоаппаратуры она составляет примерно 60% от остальных деталей. Естественно, проблема уменьшения массы и габаритов этих устройств связана с трансформаторами и в настоящее время приобрела практическое значение. Для силовы трансформаторов она решается несколькими способами: путем изготовления аппаратов оптимальной геометрии с применением материалов магнитопровода с хорошими магнитными свойствами; увеличения тепловой нагрузки сердечников и катушек; улучшения теплоотвода и повышения частоты источника питания [28] .

Требование повышения эффективности преобразовательно": техники в народном хозяйстве привело к разработке и созданию силовых высокочастотных трансформаторов (СЗЧТ), применение которых расширяется [9, 10, 13, 15, 16, 18, 20, 21, 22, 26, 28, 22, 42, 47-53, 58, 61, 62]. Область существования СЗЧТ установлена пределами параметров: по габаритной мощности 1-5-1000 кЗЛ, по частоте 14-100 кГц.

Вопросы оптимального проектирования трансформаторов не являются новыми, но остаются актуальными. Наиболее полно изучено проектирование трансформаторов малой мощности (т.м.м.) [3.5, 9, 13, 24, 26, 29, 38, 40, 42, 46, 59, 60, 64, 65, 67, 70.77] Продолжающиеся исследования, особенно в области повышенных частот и мощностей [I, 2, 7, 10.12, 16, 18, 22, 26, 30.37, 45, 47.57, 66, 69 и др.] , показывают, что приходится корректировать результаты и положения, не вызывавшие ранее сомнений.

3 предыдущие годы СЗЧТ не находили широкого применения. Возникавшие частные пробле:ьт решалась успешно [21, 62] , но до фундаментальных исследований дело не доходило.

Ряд особенностей т.м.м. ответил один из основоположников теории трансформаторов - Ы.Зидмар [17]. Он впервые предложил создать теорию нагрева трансформаторов, решил ряд задач, связанных с их тепловым расчетом, и разработал теорию независимой геометрии.

Технологии изготовления силовых трансформаторов, применяемых в радиотехнике, посвятил свои работы Д.II.Федосеев (1549, 1953) [64, 65]. Н.П.Ермолин опубликовал работу по вопросам расчета т.м.м. в 1963 году [24]. Частично рассматривали эти вопросы и С.Н.Кризе в [43](1550), Е.И.Киссель [зе](1958), Е.А.Рудаков [59] (1958) и др.

Работы в области т.м.м. широко развернулись в последнее двадцатипятиление. Из публикаций этого периода в области силовых т.м.м. наиболее значительны работы советских ученых и инженеров Р.Х.Балъяна [з.?], И.К.Еелопольского [9], Ю.П.Бородулина [п. 12], А.Д Гинзбурга [19], Г.Н.Дулънева [23], Е.И.Кареткиковой[26, 29] ,' М.П.Кондакова -.40], С.Кравцова [41], В.С.Ыоина[45] и др. Подиссертационным работам в области т.м.м. известны: Л.П.Наседкин [4б] (1964), С. 1.1.Дворников [22] (1975). Из зарубежных авторов можно отметить Г.П.Норденберга [72], Х.Гарбарино [73], Ц.Добел-лера [74], Р.ЛИ [75], А.Морриса [7б], Т.Нисбета [77].

Первое обобщение особенностей силовых т.м.м. и изложение основ теории и методики рационального проектирования на базе современных представлений в этой области было сделано в 1961 году Р.Х.Бальяном [з]. 3 последующие годы он существенно развил ее отдельные аспекты и рассмотрел ряд новых вопросов теории и методики проектирования силовых т.м.м. Как результат многолетнего Туда автора в области т.м.м., в 1971 году вышла в свет книга

Трансформаторы для радиоэлектроники" [4]. Автору удалось решить задачу проведения обобщенного теоретического анализа и создания на его основе рациональных методов проектирования, обеспечивающих получение более совершенных т.м.м.,в том числе-высокочастотных.

Современный научно-технический прогресс поставил задачу применения СВЧТ. К сожалению, известные научно-практические разработки оказались недостаточными для высокоэффективного применения их.

В известных работах [3, 4, 9] и др. задача геометрической оптимизации силовых т.м:.М. решается вариантным методом с помощью ЗВМ, Громоздкость, ненаглядность и другие известные недостатки этого метода вынуэдали исследователей искать более простые способы определения параметров оптимальной геометрии трансформаторов. Это привело к совершенствованию методов машинного проектирования [I, 2, II, 12], что заставило обратить серьезное внимание на разработку аналитически:: методов [5, 41, 45, 68, 69] .Использование соотношений, отражающих взаимную связь параметров и характеристик трансформатора с геометрией позволяет ограничить число рассматриваемых вариантов и получить законченное аналитическое решение задачи.

Решением этой задачи занимаются в Томске с 1964 года под руководством доктора технических наук профессора Обрусника В.П. Метод базисного сечения, выбранный для исследования, дает дополнительные возможности для анализа и синтеза ферромагнитных устройств (ФМУ). Как показано в [5], этот метод позволяет наглядно и просто, без больших затрат времени и с достаточной для инженерной практики точностью определить оптимальные соотношения геометрических размеров ФШ. Однако до настоящего времени этот метод отрабатывался лишь при рациональном проектировании подмагничи-ваемых трансформаторов и силовых трансформаторов обычного типа (стержневых и броневых) [52, 55]. Исследование других конструкций трансформаторов (круговых, многостержневых и кабельных),которые в последние годы получают все большее распространение, с помощью метода базисного сечения произведено впервые в [ 7] и с участием соискателя в [30.37, 54, 5б].

Высокоэффективное применение СВЧТ без отработанных приемов инженерного расчета затруднительно, и это определяет проблему проектирования СВЧТ в целом.

Современная' преобразовательная техника требует массового производства СВЧТ на мощности от десятков до тысяч кВА и частоты 1+25 кГц. Известны СВЧТ для установок электротехнологии, радиокомплексов, устройств преобразовательной техники и др., которые удовлетворительно обеспечивают электрические параметры, но их энергетические и удельно-экономические показатели не являются оптимальными.

Основная цель работы состояла в оптимизации параметров 'СВЧТ, с обеспечением максимальной проходной мощности на единицу объема или массы при заданной допустимой температуре перегрева и заданных энергетических показателях.

В соответствии с поставленной целью, в диссертации получены общие уравнения для расчета удельных технико-экономических показателей и основных параметров СВЧТ различных типов при различных материалах магнятопровода. Проведены оптимизация физических величин СВЧТ и геометрическая оптимизация СВЧТ типовых, круговых, многоетержневых и кабельных конструкций. Произведена сравнительная оценка удельно-экономических показателей СВЧТ. Разработаны методики инженерного и машинного рзече—.з СВЧТ

Научная новизна. 3 диссертации впервые произведено исследование круговых, многостержневых и кабельных СЗЧТ с помощью метода базисного сечения, аналитически установлены оптимальные соотношения геометрических размеров. В работе теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность оптимального проектирования СВЧТ с обеспечением максимальной габаритной мощное ти на единицу объема или массы при заданной допустимой температуре перегрева и заданных энергетических показателях, разработан ряд СВЧТ устройств преобразовательной техники. Экспериментально установлены для них основные характеристики. Предложены методики оптимизации физических и геометрических величин, показана возможность использования при этом вычислительной техники.

Практическая ценность. 3 результате теоретического и экспериментального исследования обоснованы оптимальные соотношения геометрических размеров, даны рекомендации по оптимизации физических величин СВЧТ. Применяемый метод базисного сечения позволяет использовать аналитические соотношения, отражающие взаимную связь параметров и характеристик аппарата с геометрией, ограничить число рассматриваемых вариантов и получить законченное решение задачи.

Использование ЭВМ для расчета основных величин СВЧТ существенно снижает затраты времени. Сравнительная оценка продолжительности расчетов без предложенных программ и с ними показывает, что в первом случае затраты времени увеличиваются более чем на порядок (расчет по программе длится не более одного часа).

Разработаны СЗЧТ для некоторых устройств преобразовательной техники.

Реализация результатов работы. Результаты работы нашли применение при выполнении научных исследований по разработке мето-"Дики оптимального проектирования силовых высокочастотных ферромагнитных устройств; при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок по устройствам электропитания радиотехнических систем на радиозаводе (г.Красноярск) и источнику питания акустической установки для исследования пара метров моря совместно с филиалом Всесоюзного НИИ "Электромеханика" (г.Николаев). Результаты исследований используются также в учебном процессе кафедры "Электрооборудование промышленных предприятий" Восточно-Сибирского технологического института, кафедр "Автоматизированный электропривод" и "Электрический транспорт" Иркутского политехнического института, Томского инс титута автоматизированных систем управления и радиоэлектроники и Иркутского факультета Высшей инженерной пожарно-технической школы МВД СССР.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложе ны, обсуждены и одобрены на научно-технической конференции, посвященной Ю-лэтию со дня основания Томского НИИ автоматики и электромеханики при ТИАСУРе (г.Томск, сентябрь 1978 г.), ХХШ научно-технической конференции "Электронные и полупроводни ковые преобразователи энергии и информации" (г.Томск, май, 1979 г.), научно-технической конференции электротехнического факультета, посвященной 50-летию Иркутского политехнического института (г.Иркутск, апрель 1980 г.), шестой научно-практичес кой конференции Иркутского факультета ВЕПТИ МВД СССР (Иркутск, май 1986 г.), научно-практической конференции "Проблемы по по-» жарной безопасности Сибири и Дальнего Востока" Иркутского дб-ластного Дот техники НТО (г.Иркутск, апрель 1988 г.), пятом Всесоюзном совещании "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе" (г.Барнаул, сентябрь 1989 г.). и.

1. Дворников С.М. Вопросы оптимального проектирования авиационных трансформаторов повышенной частоты.: Диссертация канд. техн. наук. М., 1975. - 293 с,

2. Дульнев Г.Н. Теплообмен в радиоэлектронных устройствах.- М.: Госэнергоиздат, 1963. 288 с.

3. Ермолин Н.П. Расчет трансформаторов малой мощности. 2-е изд. перераб.и доп. Л.: Энергия, 1969. - 190 с.

4. Иоссель Ю.Я. и др. Расчет электрической емкости. /Ю.Я. Иос-сель, Э.С. Кочанов, М.Г. Струнский. 2-е изд. перераб.и доп. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981. - 288 с.

5. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга.-- 3-е изд. перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленинград, отд-ние, 1986. 488 с.к

6. Каретникова Е.Л., Рычина Т.А., Ермаков А.И. Трансформаторы питания и дроссели фильтров для радиоэлектронной аппаратуры. М.: Советское радио, 1973. - 180 с.

7. Кирюхин Ю.А. Определение безразмерного коэффициента геометрии для кругового трансформатора. //Магнитно-вентильные пре123образователи параметров электрической энергии. Томск: Издательство Томского университета, 1977, с. 85-88.

8. Кирюхин Ю.А. Сравнительный анализ удельно-экономичоских показателей стержневого, броневого и кругового однофазных высокочастотных трансформаторов. //Магнитно-вентильные устройства. Томск: Издательство Томского университета, 1978, с. II6-I22.

9. Кирюхин Ю.А. Расчет сечения провода силового высокочастотного трансформатора. //Микропроцессорная техника и электрические устройства в автоматических системах. Томск: Издательство Томского университета, 1987, с. 105-107.

10. Наседкин Л.П. Исследование и расчет теплостойких маломощных трансформаторов с оптимальными соотношениями: Диссертация канд. техн. наук. Л,: ЛЭИ им. В.И. Ульянова (Ленина), 1964.с.

11. Обрусник В.П., Кобзев A.B., Завацкий Э.Г. Стабилизированный источник питания для вентильных преобразователей. Электротехника, Л 9, 1971,- С .11-13

12. Обрусник В.П., Житков М.П., Завацкий Э.Г. Стабилизированный трзхфазный источник напряжения для питания ванн элэктролит• ного нагрева деталей. Изв. ТЛИ, Томск, т. 243, 1972.- С 46-51

13. Обрусник В.П., Кобзев A.B., Земан С.К. Автоматизированный агрегат АЗАТ-2М для зарядки автомобильных аккумуляторов.1.. Изв. ТЛИ, Томск, т. 243, 1971. 2) Информац. листок II--72 Томского ЦНТИ, 1972.

14. Обрусник В.Д., Кобзев A.B., Хайдурова Г.П., Кошевец В.Ф. Стабилизатор напряжения с расширенным диапазоном стабилизации для радиоэлектронной аппаратуры. Информ. листок 31-72 Томского ЦНТИ, 1972.

15. Обрусник В.П., Кобзев A.B., Завацкий Э.Г., Кучин И.П., Шадрин Г.А. Статический преобразователь напряжения мощностью 150 кВт. Информ. листок % 30-72 Томского ЦНТЙ, 1972;

16. Обрусник В.П., ХайдуроЕа Г.А. Расчет электромагнитных параметров высокочастотных силовых трансформаторов малой мощности. //Известия ТЛИ, т. 285. Томск: Издательство Томского университета, 1975, с. 75-81.126.

17. Обрусник В.П., Силкин А.Д. и др. Регулятор зарядного напряжения и тока высоковольтного емкостного накопителя генератора импульсных напряжений ГИН-6МВ. Информ. листок, JS 60-76 Томского ЦНТИ, 1976.

18. Обрусник В.П., Кирюхин Ю.А. Расчет оптимальной геометрии кругового трансформатора методом базисного сечения: /Д1агни-тно-вентильные преобразователи параметров электрической энергии. Томск: йзд-во Томского университета, 1977, с. 52-60.

19. Обрусник В.П., Бальян Р.Х., Вахитова Х.З. Основные положения расчетов силовых высокочастотных трансформаторов //Электропривод и электропитание автоматизированных установок.Томск: Издательство Томского университета, 1984., с. 16.

20. Обрусник В.П., Кирюхин Ю.А., Киселев Н.Я. Расчет основных Ееличин силовых высокочастотных трансформаторов по программе для микро-ЭШ "Электроника БЗ-34". Депонир. в Инфорэлектро 09.07.87, $ 855-ЭТ.

21. Пястолов A.A., Яглоеский Ф.А., Счастный Е.Ф. Уменьшение нагрева магнитопроеодов силовых трансформаторов при работе на повышенной частоте тока. //Электроустановки повышенной частоты. Челябинск, 1978, с. 127-130.

22. Ромаш Э.М. и др. Высокочастотные транзисторные преобразователи /Э.М. Роыаш, Ю.И. Дробович, H.H. Юрченко, П.Н. Шевченко. ¿1.: Радио и связь, 1988. - 288 с.

23. Рудаков S.A. Трансформаторы минимального веса. //Электротехника и автоматика, 1958, Ii 2, с.

24. Русин Ю.С. Трансформаторы звуковой и ультрозвуковой частоты. I.: Энергия, 1973. - 152 с.

25. Слухоцкий А.Е., Вологдин В.В. Трансформаторы для высокочастотного нагреЕа. LI.: Машгиз, 1975, - с.

26. Станков Е.И. Разработка и исследование тиристорных и исполнительных систем управления режимами работы вакуумных индукционных печей: Диссертация канд. техн. наук. Уфа, 1981. -192 с,

27. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учебное пособив для вузов. 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергия, 1976. -544 с.

28. Федосеев Д.Н. Технология изготовления силовых трансформаторов и дросселей, применяемых в радиотехнике. М. : ГЭИ, 1955. - 156 с,

29. Федосеев Д.Н., Технология изготовления силовых трансформатоаров и дросселей. М.: Госэнергоиздат, IS53. - с;

30. Харьковский В.В., Зверев Ю.А., Лапин А.Н. Исследование параметров и характеристик трансформаторов для высокочастотных преобразователей: Тезисы докл. итоговой научно-технической конференции. Иваново, 1977. - 122 с.

31. Цыкин Г.С. Трансформаторы низкой частоты. -М.: Связь, 1965. 430 е., 1956. - 418 с.

32. Штерн Г.И. Параметрический метод проектирования трансформаторов . //Электротехника, 1975, té II, с. 34.

33. Штерн Г.'/î. Определение параметров трансформаторов на основе энергетических показателей. //Электротехника, 1977, të 12, с. 133-135.

34. Выбор параметров, проектирование и изготовление трансформаторов. " ^pectjjcng , cUsi^îùng cuiA manujathutinj-UusJutn^tS .„hutoro and Unit" f 1986, 17,të 7, 19, 22, 23, 26.

35. Развитие трансформатора с 900-х годое до настоящего времени. // aidclCung des i-unsjoinia-tmdftttkundeiufônciç Êis heirU ^¿eliieh «iethet128.hcf( 1986, 107, i' 22-23, 1080-1085.

36. Норденберг Г.М. Трансформаторы для радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия, 1070. - 239 с,

37. Гарбарино X. Некоторые аспекты оптимального проектирования силовых трансформаторов. " Troni Ш1 w, 1954, Jé 12.у

38. Добеллер Ц. Малые трансформаторы, " EM^ÍSche Müshinen ^ 1958, № 9, 10, II.

39. Ли Р. Электронные схемы и их трансформаторы. York

40. Моррис А. Трансформаторы малой мощности для электрооборудования самолетов. " Рм>С Iii 1949, т. 96, & 42, 51