Построение высокочастотных трансформаторов н 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 (ФМУ) малой мощности -до нескольких киловольт-ампер [1, 4, 5, 8, 9, 15], но продолжающиеся исследования [2, 16, 21 и др.] показывают, что даже в этом диапазоне мощностей приходится корректировать результаты и положения, не вызывавщие ранее сомнений. Силовые высокочастотные ферромагнитные устройства (СВЧ ФМУ) занимают в теории и практике особое положение. Практическая электротехника, включаюидая радиотехнические устройства, преобразователи параметров электроэнергии, электронные системы . различного назначения и т. д., не испытывала в предыдущие годы необходимости щирокомасщтабного применения СВЧ ФМУ. Воз-никавщие частные проблемы решались успешно [13, 27 и др.], но для обстоятельных исследований СВЧ ФМУ конкретных требований практика четко не выдвигала.

Современный научно-технический прогресс выдвинул новые задачи в области применения СВЧ ФМУ. К сожалению, известные научно-практические разработки оказались недостаточными для того, чтобы высокоэффективное применение СВЧ ФМУ не вызывало затруднений.

В настоящее время СВЧ ФМУ на мощности более ,10 кВА н частоты более 1 кГц ие стандартизованы и массово не выпускаются. Успехи отдельных разработок н внедрений СВЧ ФМУ, например в системах высокочастотного нагрева, не решают общей проблемы научно обоснованного проектирования этих устройств, посколь-

ку области их применения быстро расширяются. Современная преобразовательная техника требует массового производства трансформаторов и дросселей насыщения на мощности от десятков до тысяч киловольттампер при частотах 2-100 кГц. Требуются СВЧ ФМУ и более высокого частотного диапазона при мощностях в десятки киловатт [3].

Вполне очевидно, что высокоэффективное применение СВЧ ФМУ без отработанных-для них приемов инженерного проектирования невозможно. Использование здесь хорошо развитых теории и методов проектирования маломощных вы-сокочастотных ФМУ требует существенных поправок. Обобш.енных в единую систему приемов оптимального проектирования именно СВЧ ФМУ в известной литературе не излагалось, и авторы- взяли на себя ответственность решить такую задачу в данной работе.

Предложенная методика инженерного расчета параметров СВЧ ФМУ и приведенные примеры ее применения базируются на теоретических положениях данной работы. Большинство из этих положений «fвляютcя результатом целенаправленной систематизации работ авторов и имеющейся в литературе информации оСВЧ ФМУ с переработкой и дополнениями, обеспечивающими в совокупности решение конкретной задачи - оптимального проектирования силовых высокочастотных ферго-магнитных устройств с обеспечением для них,максимальной проходной мощности на единицу объема при заданной допустимой температуре перегрева обмоток и сердечников й заданных энергетических характеристиках.

1. БАЗОВЫЕ ВЫРАЖЕНИЯ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ

При расчете трансформаторов, равно как и других подобных им ферромагнитных устройств (ФМУ.) - дросселей насыщения, преобразователей числа фаз, умножителей или делителей частоты и. т. д., в технической литературе принято использовать несколько групп уравнений, отражающих важнейшие соотношения между геометрическими и электромагнитными параметрами. Они определяют связь между мощностью, потерями, тепловыми режимами, магнитно-электрическими величинами, основными размерами и целым рядом параметров, влияющих на технико-экономические показатели при тех или иных условиях проектирования аппарата. Нилсе приводятся те уравнения, которые наиболее полно удовлетворяют требованиям высокочастотных ФМУ, в целом эти уравнения справедливы для всех частот, пока существенную роль не начинают играть паразитные параметры. Ограничения на них легко устанавливаются при проектировании.

1.1. Габаритная мощность и сечение магнитопровода

Уравнение, устанавливающее связь между мощностью, основными электромагнитными параметрами и геометрическими размерами ферромагнитного устройства, является одним из центральных для оптимизации. В качестве расчетной мощности будем использовать габаритную мощность на одну фазу Р, представляющую собой максимальную полную мощность на входе устройства от действующих значений напряжения и тока одной фазы питающей сети для их максимальных величин в пересчете на длительный режим

Р=и,-1и (1.1)

где Uu /]-расчетные, заданные или принятые действующие значения напряжения и тока для одной фазы на входе ФМУ.

Значения f/, и Л нетрудно установить, зная определяемые техзаданием номиналы выходных величин, электрическую схему, в которой работают проектируемые трансформатор или ФМУ, и нестабильность входного напряжения.

В [1, 4, 5]-чаще пользуются мощностью нагрузки (номинальной или средневзвешенной). Считаем, что к этой мощности можно перейти, пользуясь формулой

Рп=Р • Кр, (1.2)

Кр г= СОЗф • X • Г). (1.3)

Рн -выходная мощность одной фазы; ф - угол сдвига переменного тока на входе по отношению к входному напряжению; я -коэффициент искажения переменного тока на входе; г - коэффициент полезного действия на пути энергии от сети к нагрузке.

Для номинального, то есть расчетного, режима значения ф, X и 1] задаются в техзадании или могут быть рассчитаны. Поэтому проблемы перейти от Р к Рн не существует. Удобно при проектировании и оптимизации ферромагнитных устройств пользоваться величинами Р, Ui, /], определяющими электромагнитные режимы питающей сети и ФМУ в целом. Это особенно важно, когда частота или число фаз от входа к выходу меняются.

Связать входную мощность с другими параметрами и величинами нетрудно через типовые выражения для напряжения и тока [1]

[/, = 4Кф,/,55сКзс[В]; (1.4)

/, = SoK • KoH«o Wb (1.5)

где Кф - коэффициент формы входного фазного напряжения (для синусоиды Кф=1,]1); /] -частота напряжения питающей сети по первой гармонике, Гц; Wi - число витков обмотки, включаемой на входное напряжение Ui; 5с - поперечное сечение магнитопровода, м, на котором помещена обмотка Wj (подмагничиваемые участки вычитаются); Кзс - коэффициент заполнения сердечника магнитным материалом (данные см. в табл. 3.5); В - максимальная рабочая индукция, Тл, по переменной составляющей; Sok - сечение, м, окна, в ког тором находится обмотка Wj; По - часть площади окна, занимаемая обмоткой Wi;./Cok - коэффициент заполнения окна обмоточным материалом, о нем сказано в

3.3.2; / - усредненная плотность тока для обмоток, А/м2.

Решая совместно (1.1), (1.4), (1.5), получим

Р = 4Кф«оКзсКои5ок5оВ 1. (1:6)

Выражение (1.6) широко употребляется в технической литературе при тех или иных модификадиях. Однако в нем не отражена доказанная в работе [2] важная роль соотношения /С? = SoJSc, определяющего геометрическую оптимизацию в целом.

Преобразуем выражение (1.6) с учетом показателя величины относительно сечения окна

и параметров частоты

Ks = 5ок/5с относительных

(1.7)

значений индукции и (1-.8)

где Во и fio - базовые значения индукции и частоты, при которых выбираются удельные потери в стали рсо-С учетом (1.7) и (Г.8) выражение (1.6) получит вид

P = MKJ-B,fi&\[BA], (1.9)

(1.10)

Мр = 4л;ф«(,КокКзс5о/1о

Решая (1.9) относительно Sc, получаем одну из центральных для оптимального проектирования ФМУ формул базисного сечения магнитопровода

(1.11)

Выражения (1.10) и (1.11) нами выделены, так как являются важными для решения вопросов оптимального проектирования ФМУ, что будет очевидным из последующих разделов книги.

1.2. Показатели потерь и теплового режима

Потери мощности ФМУ определяют температуру его натрева, поэтому существенно влияют на расчетные параметры. Ограничение потерь мощности за счет соответствующего выбора определяющих эти потери пара-