Проектирование силовых высокочастотных трансформаторов


Ю. А. Кирюхин, В. С. Степанов, С. А. Аршинов









ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИЛОВЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ






Монография













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

УДК621.314.029.5
ББК31.26:65.30

К43

                                    Рекомендована к изданию редакционно-издательским советом ИрНИТУ




Рецензенты:
А.  М. Худоногов, д. т. и., проф. кафедры электроподвижного состава ИрГУПС;
В. Г. Хапусов, д. т. и., проф. кафедры автоматизации производственных процессов ИрНИТУ


     Кирюхин, Ю. А.
К43 Проектирование силовых высокочастотных трансформаторов: монография / Ю. А. Кирюхин, В. С. Степанов, С. А. Аршинов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 152 с. : ил., табл.

        ISBN 978-5-9729-0312-2




      Исследованы силовые высокочастотные трансформаторы, освещены принципы их инженерного расчета и рассмотрены способы оптимизации геометрических и физических параметров. Предложены расчетные данные некоторых силовых высокочастотных трансформаторов.
      Для специалистов, занимающихся вопросами расчета и проектирования силовых высокочастотных трансформаторов для преобразовательной техники. Будет полезно аспирантам и магистрантам электротехнических и энергетических специальностей высших учебных заведений.


УДК621.314.029.5
ББК31.26:65.30








ISBN 978-5-9729-0312-2

   © Кирюхин Ю. А., Степанов В. С., Аршинов С. А., 2019
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ........................................................5
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СВЧТ И КРИТЕРИИ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ..............................................10
    1.1. Отличительные особенности СВЧТ, влияющие на их расчет и проектирование...........................................10
    1.2. Варианты конструктивного исполнения...................12
    1.3. Физические показатели и их выражения..................18
        1.3.1. Габаритная мощность.............................19
        1.3.2. Плотность тока..................................19
        1.3.3. Рабочая индукция................................20
        1.3.4. Выражения для индукции и плотности тока, развязанных между собой............................................21
    1.4. Показателитепловогорежима.............................22
    1.5. Геометрические показатели.............................25
    1.6. Выражения для минимизации удельно-экономических показателей СВЧТ.......................................................26
ГЛАВА 2. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СВЧТ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ....................................................30
    2.1. Методика оптимизации..................................30
    2.2. Оптимальная геометрия типовых конструкций.............35
        2.2.1. Стержневые однофазные СВЧТ......................35
        2.2.2. Трехфазные стержневые СВЧТ......................41
        2.2.3. Броневые СВЧТ...................................44
    2.3. Оптимальная геометрия круговых и многостержневых трансформаторов............................................48
        2.3.1. Многостержневые СВЧТ............................48
    2.4. Геометрия кабельного трансформатора...................53
    2.5. Сравнительная оценка удельно-экономических показателей СВЧТ по геометрическим параметрам...............................58
ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН СВЧТ...................63
    3.1. Методика оптимизации..................................63
    3.2. Рабочая индукция и пути ее максимизации...............64
    3.3. Максимальная плотность тока...........................68
    3.4. Сечение магнитопровода................................74
    3.5. Материал и параметры обмоток..........................75
    3.6. Материал для магнитопровода и его показатели..........77
    3.7. Максимальная мощность СВЧТ............................79
    3.8. Оптимальные значения соотношения потерь мощности иКПД СВЧТ..................................................81
    3.9. Показатели СВЧТ в сравнительной оценке................82
    3.10. Параметрическая емкость и индуктивность рассеяния....85

з

ГЛАВА 4. СВЧТ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК..............88
4.1. Типовые случаи применения СВЧТ в преобразовательных установках............................................88
    4.2. Высоковольтные СВЧТ................................90
    4.3. НизковольтныеСВЧТ..................................92
    4.4. Инженерный расчет СВЧТ.............................93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................96
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................97
ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................105
    А. Перечень принятых сокращений и условных обозначений.105
    Б. Таблицы.............................................111
В. Расчет СВЧТ 27,5 кВА, 2,5 кГцдля высоковольтного накопителя энергии...................................132
Г. Расчет СВЧТ 250 кВА, 2,5 кГц для систем электролитного нагрева..............................................140
    Д. СВЧТ блоков питания электронных сварочных пушек.....145
    Е. Эскизы исполнения СВЧТ..............................146

4

            ВВЕДЕНИЕ



     Проследить последовательность создания теории оптимального проектирования силовых высокочастотных трансформаторов (СВЧТ) не просто, но очень важно. Попытаемся это сделать.
     В разработке и создании теории оптимального проектирования СВЧТ принимали участие многие ученые и инженеры. Большой вклад в это дело внес Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт токов высокой частоты имени В. П. Вологдина (ВНИИ ТВЧ) своим трудом «Промышленное применение токов высокой частоты».
     Немалый вклад в разработку теории и создание СВЧТ внес Томский НИИ автоматики и электромеханики при ТИПСУРе, в котором с 1964 г. эти работы ведутся под руководством доктора технических наук, профессора Обрусника Валентина Петровича. Метод базисного сечения, выбранный здесь для исследования, дает дополнительные возможности для анализа и синтеза ферромагнитных устройств (ФМУ). Как показано в [5, 7, 36, 37], этот метод позволяет наглядно и просто, без больших затрат времени и с достаточной для инженерной практики точностью определить оптимальные соотношения геометрических размеров ФМУ и оптимальные значения их физических параметров.
     Из отдельных авторов публикаций по СВЧТ следует прежде всего отметить Роблена Хореновича Бальяна. Первое обобщение особенностей силовых трансформаторов малой мощности (т. м. м.) и изложение основ их теории и методики рационального проектирования на базе современных представлений в этой области им было сделано в 1961 г. [3]. В последующие годы, продолжая работу в области теории т. м. м., он существенно развил ее отдельные аспекты и рассмотрел ряд новых вопросов теории и методики проектирования силовых т. м. м. Как результат многолетнего труда автора в области т. м. м., в 1971 г. вышла в свет книга «Трансформаторы для радиоэлектроники» [4]. Здесь 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.
     В 1987 г. вышла в свет книга: Бальян Р. Х., Обрусник В. П. «Оптимальное проектирование силовых высокочастотных ферромагнитных устройств» [7]. В книге обобщены современные на то время достижения науки и практики проектирования высокочастотных ферромагнитных устройств (СВЧ ФМУ), к которым относятся трансформаторы, дроссели насыщения, умножители числа фаз и т. д. Дается полная схема этапов инженерного проектирования СВЧТ ФМУ,

5

базирующаяся на небольшом количестве простых выражений, предложенных и обоснованных авторами книги. Приведены примеры оптимального расчета высокочастотных трансформаторов и дросселей до 200 кВА на фазу. Гарантируется высокая точность конечных результатов проектирования СВЧ ФМУ для диапазона частот 0.4^100 кГц.
      Книга предназначена для специалистов, занимающихся вопросами проектирования электронных и преобразовательных систем, а также для студентов вузов электротехнического и радиотехнического профилей.
      Вопросы оптимального проектирования высокочастотных трансформаторов и дросселей насыщения, равно как и других подобных им ферромагнитных устройств (автотрансформаторов, умножителей частоты, преобразователей числа фаз и др.), не являются в теории и практике новыми, но остаются актуальными. Наиболее полно изученными считаются вопросы проектирования высокочастотных ферромагнитных устройств малой мощности — до нескольких киловольт-ампер [1-27, 72, 74, 75, 77, 81, 82, 116, 118, 119, 120], но продолжающиеся исследования [5, 22, 28-71, 83-97, 104-107] показывают, что даже в этом диапазоне мощностей приходится корректировать результаты и положения, не вызывавшие ранее сомнений. Силовые высокочастотные ферромагнитные устройства занимают в теории и практике особое положение. Практическая электротехника, включающая радиотехнические устройства, преобразователи параметров электроэнергии, электронные системы различного назначения и т. д., не испытывала в предыдущие годы необходимости широкомасштабного применения СВЧ ФМУ [7]. Возникавшие частные проблемы решались успешно [107, 110], но для обстоятельных исследований СВЧ ФМУ практика четко не выдвигала конкретных требований.
      Современный научно-технический прогресс поставил новые задачи в области применения СВЧ ФМУ. К сожалению, известные научно-практические разработки оказались недостаточными (за исключением [7 и 37]) для того, чтобы высокоэффективное применение СВЧ ФМУ не вызывало затруднений.
      В настоящее время СВЧ ФМУ на мощности более 10 кВА и частоты более 1 кГц не стандартизированы и массово не выпускаются. Успехи отдельных разработок и внедрений СВЧ ФМУ, например, в системах высокочастотного нагрева, не решают общей проблемы научно обоснованного проектирования этих устройств, поскольку области их применения быстро расширяются. Современная преобразовательная техника требует массового производства трансформаторов и дросселей насыщения мощности от десятков до тысяч киловольт-ампер при частотах 2^100 кГц [7] . Требуются СВЧ ФМУ и более высокого частотного диапазона при мощностях в десятки киловатт.

6

     Предложенная в [7] методика инженерного расчета параметров СВЧ ФМУ и приведенные примеры ее применения базируются на теоретических положениях данной работы. Большинство из этих положений являются результатом целенаправленной систематизации работ авторов и имеющейся в литературе информации СВЧ ФМУ с переработкой и дополнениями, обеспечивающими в совокупности решение конкретной задачи — оптимальное проектирование силовых высокочастотных ферромагнитных устройств с обеспечением для них максимальной проходной мощности на единицу объема при заданной допустимой температуре перегрева обмоток и сердечников и заданных энергетических характеристиках.
     Удельная масса трансформаторов, как наиболее громоздких деталей в преобразовательной технике, очень велика. В бортовых и переносных устройствах радиоаппаратуры она составляет примерно 60 % остальных деталей. Естественно, проблема уменьшения массы и габаритов этих устройств связана прежде всего с трансформаторами. В настоящее время эта проблема приобретает большое практическое значение.
     Для силовых трансформаторов задача уменьшения массы и габаритов трансформаторов решается несколькими способами: путем изготовления аппаратов оптимальной геометрии при применении материалов магнитопровода с хорошими магнитными свойствами; увеличения тепловой нагрузки сердечников и катушек; улучшения теплоотвода и повышения частоты источника питания [37].
     Требование повышения эффективности преобразовательной техники в народном хозяйстве привело к разработке и созданию силовых высокочастотных трансформаторов (СВЧТ), применение которых расширяется. Область существования СВЧТ установлена пределами параметров: по габаритной мощности К1 000 кВА, по частоте 1^100 кГц.
     В известных работах [3, 4, 8, 10, 26, 27, 72, 74, 77 и др.] задача геометрической оптимизации силовых т. м. м. решается вариантным методом с помощью ЭВМ. Громоздкость, ненаглядность и другие известные недостатки этого метода вынуждали исследователей искать более простые способы определения параметров оптимальной геометрии трансформаторов. Это привело, прежде всего, к совершенствованию методов машинного проектирования [1, 2, 14-17], а последнее заставило обратить серьезное внимание на разработку аналитических методов [75, 79, 83, 101, 112, 113]. Использование соотношений, отражающих взаимную связь параметров и характеристик трансформатора с геометрией, позволяет ограничить число рассматриваемых вариантов и получить законченное аналитическое решение задачи [37].

7

      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 других применений. Они удовлетворительно обеспечивают электрические параметры, но их энергетические и удельноэкономические показатели не являются оптимальными.
      Основная цель работы [37] состояла в оптимизации параметров СВЧТ с обеспечением для них максимальной проходной мощности на единицу объема или веса 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 магнитопровода. Проведены оптимизация физических величин СВЧТ и геометрическая оптимизация СВЧТ типовых, круговых, многостержневых и кабельных конструкций. Произведена сравнительная оценка удельно-экономических показателей СВЧТ. Разработаны методики инженерного и машинного расчетов СВЧТ.
      Ряд особенностей т. м. м. отметил один из основоположников теории трансформаторов— М. Видмар [20]. 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. Н. Федосеев (1949, 1953) [109]. Н. П. Ермолин опубликовал работу по вопросам расчета т. м. м. в 1969 г. [26]. Частично рассматривали эти вопросы и С. Н. Кризе в [77] (1950), Е. И. Киселев [72] (1958), Е. А. Рудаков [101] (1958) и др.
      Работы в области т .м. м. наиболее широко и глубоко развернулись в последнее пятидесятилетие. Из публикаций этого периода в области силовых т. м. м. наиболее значительны работы советских ученых и инженеров Р. X. Бальяна [3, 4, 6], И. И. Белопольского [10], Ю. А. Бородулина [14-17], А.Д.Гинзбурга [22], Г.Н.Дульнева [25], Е.И.Каретниковой [27], М. П. Кондакова [74], С. Ф. Кравцова [75], Моина В. С. [79] и др. По диссертационным работам в области т. м. м. известны Л. П. Наседкин [82] (1964) и С. М. Дворников [24] (1975). Из зарубежных авторов можно отметить Г.М. Норденберга [116], X. Гарбарино [117], Ц. Добеллера [118], Р.Ли [119], А. Морриса [120], Т. Нисбета [121].
      Таким образом, в результате изучения списка технической литературы по трансформаторам можно сделать некоторые выводы:

8

      1. В разработке и создании силовых высокочастотных трансформаторов (СВЧТ) участвовало много инженеров и ученых, как советских и российских, так и зарубежных.
      2. Наибольший вклад внесли авторы публикаций [5, 7, 28-71, 83-96] — Р. X. Бальян и В. П. Обрусник со своими многочисленными учениками.
      3. Работа в этой области не закончена, предстоит ее продолжение, хотя бы потому, что авторами [7] предложено оптимальное проектирование СВЧ ФМУ, а приведены примеры оптимального расчета только силовых высокочастотных трансформаторов (СВЧТ) и дросселей насыщения (СВЧТ ДН).

9

            ГЛАВА 1.
            ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СВЧТ И КРИТЕРИИ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ


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

     Область существования СВЧТ установлена в [7, 37] пределами параметров: по габаритной мощности Н1 ООО кВА, по частоте Н100 кГц. Эти границы условны.
     Мегагерцовый диапазон частот СВЧТ имеет свою специфику, мало исследован и редко практически применяется. Известно лишь применение его для широкополосных трансформаторов на ферритах в коротковолновых радиопере-дающихустройствах [76].
     Нижняя граница параметров СВЧТ в 1 кВА и 1 кГц рекомендована по соображениям выбора базового трансформатора с показателями, удобными для сравнения СВЧТ с другими трансформаторами. Параметры такого базового трансформатора определены известными методами и доведены до табличных сведений [4], поэтому достоверность его можно будет легко проверить другими приемами (в том числе изложенными в данной работе).
     В данной работе силовые высокочастотные трансформаторы СВЧТ будут относиться к тем трансформаторам, которые имеют мощность более 1 кВА и частоту питающего напряжения более 1кГц.
     В работе [37] указывается на ряд отличительных особенностей, присущих СВЧТ. Выделим основные из них, поскольку это важно для оптимального проектирования СВЧТ в целом.
     Прежде всего, из множества известных критериев для расчетных значений индукции и плотности тока выделяется один главный: допустимый нагрев обмоток и магнитопровода. Критерии ограничения тока холостого хода и потерь напряжения в обмотках снимаются, так как указанные показатели у СВЧТ всегда находятся в пределах значений, допустимых по техническим требованиям.
     Расчетные значения коэффициентов полезного действия и мощности трансформатора также не входят в состав ограничивающих критериев и принимаются контрольными, отслеживаются при оптимизации СВЧТ.
     Важным фактором минимизации удельно-экономических и энергетических показателей СВЧТ являются потери в магнитопроводах. Для улучшения отвода тепла магнитопровода приходится менять его привычные при малых мощностях конструктивные формы и геометрические соотношения размеров.


10

Меняются требования к выбору материала магнитопровода. Снижение на этой основе удельных потерь в стали резко увеличивает стоимость и усложняет технологию изготовления сердечников. Для частот килогерцевых значений использование шихтованных магнитопроводов становится нецелесообразным. Изменяются для СВЧТ оптимальные соотношения потерь мощности в сердечниках и катушках, они достигают двух-трехкратных кратных значений, что также влияет на конечные результаты проектирования.
      Требуют учета в силу ряда важных обстоятельств увеличенные против т .м. м. линейные размеры СВЧТ:
      1. Становится малым удельный вес тока намагничивания по отношению к номинальному току нагрузки, а при поперечных размерах сердечника (ЗМ) см² он будет неизменным и не более 10 % [4, 7].
      2. Возрастает роль охлаждающих каналов, поскольку в случае своей малой удельной значимости к общим размерам они существенно улучшают теплоотвод. Здесь, как показано в [7], становится реальным и целесообразным осуществлять независимое охлаждение сердечников и катушек, поскольку канал эффективен при ширине не менее 15 мм, что для т. м. м. вводить было нецелесообразно.
      З. Уменьшается эффект охлаждения трансформатора за счет контакта с шасси, в ряде случаев им для СВЧТ можно пренебречь.
      4. Меняется значимость конструктивных типоисполнений: например, для малых мощностей лучшими по удельно-экономическим показателям (УЭП) считаются стержневые и тороидальные конструкции [4], для СВЧТ с сечениями магнитопроводов более 10 см² это не подтверждается [7, З7].
      Рабочая индукция СВЧТ в подавляющем большинстве случаев намного меньше индукции насыщения материала магнитопровода и может достичь десятых и сотых долей тесла. Чем больше частота и мощность СВЧТ, тем меньше его рабочая индукция. Индукцию приходится снижать, выдерживая заданный перегрев и ограничивая потери в стали, всегда увеличивающиеся с ростом частоты. Для СВЧТ, когда рабочая индукция становится меньше 0,З Тл, не требуются магнитопроводы из материалов с большими значениями индукции насыщения, а это обеспечивает хорошие перспективы применения ферритов, которые против сплавов имеют известные преимущества. Для СВЧТ придется учитывать также влияние большой частоты на активное, индуктивное и емкостное сопротивление обмоток СВЧТ.
      Влияние отмеченных отличительных для СВЧТ факторов на показатели конечных результатов оптимального проектирования этих трансформаторов мало изучены. Глубокое изучение этих вопросов еще предстоит произвести.

11

    1.2. Варианты конструктивного исполнения


      Среди известных СВЧТ наиболее характерны конструкции без каналов охлаждения между катушками и сердечниками: они показаны на рис. 1.1 а, б, в. Представленные варианты исполнения типовых конструкций трансформаторов имеют хорошие геометрические формы, но не являются лучшими по возможностям охлаждения. Здесь не все поверхности сердечников и катушек открыты.
      Ввод охлаждающих каналов, как указано в [7, 37] является эффективным по теплоотдаче при их ширине не менее 15 мм, и такие каналы целесообразны, когда они составляют незначительную часть от других нелинейных размеров.
      В работе [37] открывается внутренняя поверхность катушки для охлаждения с исполнением ее в круглой форме. При этом несколько увеличивается относительное значение ширины окна. Варианты показаны на рис. 1.1 д,е, ж, з, и, к. Квадратная форма сечения магнитопровода (рис. 1.1 г, е, з, к) внутри катушки весьма просто обеспечивает охлаждающие зазоры сегментного вида, ширина которых в максимуме будет равна [37]:
8 = 0,5 •(>/2 -1)а-1,1 = 0,25 • а.
      Возможны также неквадратные конфигурации сердечников, когда Y>1 (рис. 1.1 ж) или Y<1 (рис. 1.1 д, и), но это не меняет сути вопроса.
      Аппараты, конструкции которых приведены на рис. 1.1 д, ж, и, к, л, м, н, о, п, имеют расщепленные магнитопроводы для увеличения их поверхности охлаждения.
      На рис. 1.1 не представлена тороидальная конструкция СВЧТ по причине того, что для обычных о них достаточно сказано, а для силовых вариантов они не технологичны, так как трудно выполнить обмотки проводниками больших сечений. Кроме того, в [37] показано, что они в силовом исполнении по УЭП проигрывают броневым и другим конструкциям трансформаторов.
      Сердечники СВЧТ на рис. 1 н, о могут быть круглыми. Это удобно для изготовления витых ленточных надрезных магнитопроводов. Но мотать обмотки в этом случае будет труднее. Все конструкции СВЧТ на рис. 1.1 выполнены так, что выдержаны одинаковыми суммарные сечения сердечников S,;v и катушек SKv.
      Установить простейшими способами, например, логическим анализом, какой вариант исполнения трансформатора из показанных на рис. 1.1 является лучшим, не представляется возможным. Зрительно броневая конструкция на рис. 1.1 б кажется более привлекательной, чем на рис. 1.1 ж: малые габариты и простота исполнения. Однако небольшое увеличение габаритов для ввода охлаждающих каналов с получением форм на рис. 1.1 ж обеспечит, согласно [37], увеличение мощности на единицу объема почти в 2 раза.

12