Расчет генератора импульсных токов

Исходные данные Энергия в импульсе W =0,9 кДж;

Зарядное напряжение конденсатора U₀ = 3 кВ;

Напряжение сети U_c = U_1Ф = 220 В, частота сети f = 50 Гц;

Характер нагрузки — ёмкостной;

Выпрямитель — трансформатор собран по схеме Ларионова (?-?);

Частота следования импульсов — 1 Гц

L_экв=2 мкГн;

R_экв=40 мОм;

генератор конденсатор трансформатор преобразователь

1. Расчет режима работы гит на эквивалентное сопротивление нагрузки трансформатор ток генератор зарядный Определим режим работы ГИТ на эквивалентное сопротивление нагрузки:

Определим ёмкость конденсаторной батареи

;

Параметр разряда

;

По полученному значению делаем вывод о виде разряда, так как, имеем колебательный разряд.

По имеющимся формулам для колебательного разряда рассчитываем его параметры.

Угловая частота колебаний:

;

;

Время достижения максимума тока:

.

Максимальное значение тока:

где Функция изменения тока в колебательном режиме:

.

КПД разрядного процесса

2. Расчет конденсатора

2.1 Расчет электрических характеристик

· ресурс

где М = 10⁶ — ресурс;

Е — рабочая напряженность поля;

? — частота следования импульсов;

F — частота тока в разрядном контуре;

? — декремент затухания импульсов;

Т — температура внутри конденсатора;

А, м, b, l, n,? — коэффициенты, зависящие от режима работы конденсатора, технологии изготовления и др. факторов.

Найдем частоту тока в разрядном контуре:

где

.

Определим рабочую напряженность электрического поля из формулы расчета ресурсов:

где

.

При рабочих напряжениях меньше 80 кВ/мм выбираем комбинированную намотку конденсатора толщиной 30 мкм.

Рабочее напряжение выбираем в 60 кВ/мм.

— 3 слоя конденсаторной бумаги КОН-2 толщиной 10 мкм;

— 2 слоя конденсаторной пленки ПП-КС по 10 мкм.

— диэлектрик трансформаторное масло.

· ёмкость конденсатора

.

Расчеты ведутся для конденсатора емкостью 100 мкФ и зарядным напряжением до 6 кВ.

· удельная энергия, приходящаяся на единицу рабочего объема конденсатора

где? — диэлектрическая проницаемость;

;

_п, _к, _ж — относительная диэлектрическая проницаемость пленки, бумаги, жидкости соответственно.

.

· выбор габаритных размеров по оценкам активного объема конденсатора

;

Полный объем конденсатора в 1,2 раз больше чем активный объем диэлектрика. Следовательно, .

· напряжение и собственная ёмкость секций

где d_с — толщина изоляции секции (50 мкм);

;

Определим количество групп секций:

;

Определим емкость групп секций:

.

2.2 Конструктивный расчет Геометрические размеры секций и количество витков считается по емкости секций и по диаметру оправки, на которую она мотается, по ширине бумаги и пленки.

где b_? — ширина (30 см);

b_ф — ширина фольги;

l_З — длина закраин (2 см).

;

Найдем длину фольги:

где l_ф — длина фольги;

Z — количество витков; D₀ — диаметр оправки (50 мм);

D_вн — внешний диаметр (90 мм).

Определим количество витков:

Где d_с — толщина изоляции секции;

d_ф — толщина фольги.

;

;

Приблизительная емкость секции:

;

Уточненный внешний диаметр секции:

Находим ширину сплющенной секции:

Находим общую емкость конденсатора:

где n_c — последовательно включенная секция;

m_c — параллельно включенная секция.

Общее количество секций в конденсаторе .

Габаритные размеры конденсатора:

длина 505 мм, ширина 318 мм, высота 680 мм.

Рис. 2 Конструктивная схема конденсатора, вид сбоку и сверху Рис. 3 Электрическая схема конденсатора

2.3 Тепловой расчет Потери силовых конденсаторов состоит из потерь в диэлектрике. Из уравнения теплопроводности определим величину P_у:

;

;

Определим перепад температур между центральной точкой пакета и внешней поверхностью секций:

где ?₁₁ — коэффициент теплопроводности масла (масло нафтеновое);

?₁ — коэффициент теплопроводности пленки (лавсановая фторопласта 4,);

;

Определяем перепад температур между внешней поверхностью секции и внешней окружающей средой:

где ?₁ и ?₁ — толщина и коэффициент теплопроводности стенок бака (стенки бака изготовлены из винипластовой пластмассы: толщина 10 мм, теплопроводность);

?₂ и ?₂ — толщина и коэффициент теплопроводности изоляции пакета секций (изоляция изготовлена из бумаги, пропитанной нафтеновым маслом: толщина 5 мм, теплопроводность);

?₃ и ?₃ — толщина и коэффициент теплопроводности корпусной изоляции (изоляция изготовлена из бумаги, пропитанной нафтеновым маслом: толщина 3 мм, теплопроводность);

S — площадь поверхности бака (0,824 м²);

k — коэффициент теплоотдачи с поверхности бака в окружающую среду (50%).

;

.

Для конденсатора с пленочно-масляной изоляции перепад температур не должен превышать 60 град, что и подтверждается расчетными данными.

В качестве накопителя энергии используется 2 конденсаторные батареи емкостью 100 мкФ каждая. Индуктивность конденсатора равна 100 нГн.

3. Расчёт зарядного устройства Произведем расчет зарядного устройства:

Расчет выпрямителя, работающего на емкость, с учетом индуктивного сопротивления рассеивания обмоток трансформатора.

Ток в плече выпрямителя, собранного по схеме Ларионова:

где, а

Вт

тогда .

Обратное напряжение выпрямителя:

.

Амплитудное значение тока через вентиль:

.

Выбираем в качестве вентилей кремниевые столбы 7СВЛ — 2 — 100. Из графика зависимости прямого падения напряжения на столбе от тока нагрузки в установившемся режиме, определяем следующие параметры:

— падение напряжения на столбе? U = 29,8 В;

— ток в плече выпрямителя I_ОВ = 0,2 А.

Сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к вторичной обмотке:

где = 4,5 — коэффициент, зависящий от схемы и характера нагрузки выпрямителя; U₀ = 6 кВ — выпрямленное напряжение; f = 50 Гц — частота сети; s = 3 — число стержней трансформатора, на которых расположены обмотки; I₀ = 0,6 А — выпрямленный ток.

Для определения индукции и В_м в стержнях силовых трансформаторов, нам необходимо определить приблизительную мощность трансформатора:

VA_{2(приблиз)} = 1,25•Р₀ =1,25•3,6•10 ³= 4,5 кВ· А. Следовательно, рекомендуемая индукция В_м = 1,45 Тл, для стержня марки стали Э300.

Тогда:

Ом.

Индуктивность рассеивания обмоток трансформатора, приведенная к вторичной обмотке:

(Гн),

где k_L =1,9^.10^-3 — коэффициент, зависящий от схемы и характера нагрузки выпрямителя.

Внутреннее сопротивление одного плеча выпрямителя:

Ом.

Активное сопротивление фазы выпрямителя (для схемы Ларионова):

r = 2 R_i+2 r_TP =2•49,7+2•307,7= 714,8 Ом.

Определение соотношения между активным и реактивным сопротивлениями фазы выпрямителя:

?= arctg (0,6985)= 34,9^о.

Вспомогательный коэффициент А₀:

где m = 3 — число фаз выпрямления.

По определенным значениям А₀ и? находим коэффициенты:

В = 0,74 при А₀ = 0;

В₀ = 0,9;

Д₀ = 2,1;

F₀ = 6.

Фазное напряжение вторичной обмотки

кВ.

Напряжение холостого хода выпрямителя:

Эффективное значение фазы вторичной обмотки:

А.

Мощность вторичной обмотки трансформатора:

кВ· А.

Коэффициент трансформации:

.

3.1 Расчет трансформатора Полная мощность S_T = 3,93 кВ· А.

Схема соединения обмоток: низковольтная обмотка собрана по схеме треугольник (?), высоковольтная — звезда (?).

Номинальный ток (фазный) вторичной обмотки I_2Ф = 0,042 А.

Номинальное фазное напряжение вторичной обмотки U_0ХХ = 7,3 кВ.

Для трансформаторов, в которых использована сталь марки ЭЗЗО толщиной 0,35 мм напряжение короткого замыкания U_K = 4,7%.

Потери короткого замыкания Р_К = 32 Вт.

Потери холостого хода Р_ХХ =6 Вт.

Потери холостого хода I_ХХ = 3.2%.

Линейный ток обмотки низкого напряжения (ОНН):

.

Фазный ток ОНН:

.

Линейное напряжение обмотки высокого напряжения (ОВН):

кВ.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

.

Основные размеры трансформатора.

Мощность обмотки одного стержня:

кВ· А, где m — число стержней с обмотками.

Расчетная ширина приведенного канала рассеивания:

где a₁₂ = 0,9 см — изоляционный промежуток между обмотками ВН и НН, определяется по испытательному напряжению ОВН и для данного класса изоляции обмоток является неизменным; k = 0.8 — коэффициент, зависящий от мощности трансформатора, металла обмоток, напряжения ОВН и уровня потерь короткого замыкания.

Тогда см.

Диаметр стержня:

где S' - мощность обмотки одного стержня, кВ· А;

а_Р — ширина приведенного канала рассеивания, см;

f — частота сети, Гц;

U_p — реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %;

В_с = 1,45 Тл — максимальная индукция в стержне;

k_P = 0,95 — коэффициент приведения идеального поля рассеивания к реальному полю (коэффициент Роговского);

? = 1,8 — коэффициент геометрии трансформатора, отношение средней длины витка двух обмоток к высоте обмотки;

k_c = k_KP • k₃= 0,874 — коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описанного около сечения стержня;

где k_KР = 0,91 — учитывает наличие охлаждающих каналов в сечении стержня;

k₃ = 0,96 — коэффициент заполнения;

Тогда

см.

Для нормализованных размеров пакетов без прессующей пластины выбираем диаметр стержня d_H = 8 см.

Уточняем коэффициент геометрии трансформатора по нормализованному диаметру:

Ориентировочный средний диаметр канала между обмотками d₁₂=a^.d_H, где, а = 1,4 для трансформаторов мощностью S_T до 630 кВА, тогда d₁₂ = 11,2 см.

Радиальный размер ОВН:

где k₁ = 1.1 для трансформаторов мощностью до 630 кВА.

Тогда

см.

Средний диаметр канала между обмотками:

где a₀₁ = 0,4 см, радиальный размер осевого канала между стержнем и ОНН, определяется из условий электрической прочности главной изоляции трансформатора и условий его охлаждения; а₁₂ = 0,9 см — зазор между ОНН и ОВН,

Тогда см .

Предварительная высота обмотки:

см Предварительное активное сечение стержня

.

Уточненное активное сечение стержня:

П_С = П_ФС · к_з,

где k_з = 0,96 — коэффициент заполнения;

П_ФС = 43,3 см² — площадь сечения формы стержня;

Тогда П_с = 41.57см?.

Ориентировочная ЭДС одного витка:

.

Расчет обмотки низкого напряжения.

Число витков на фазу ОНН:

Ориентировочная средняя плотность тока:

где k_д = 0,97 — коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках, потери в отводах для трёхфазных масляных трансформаторов.

.

Ориентировочное сечение витка:

.

Для ОНН по сечению выбираем соответствующую марку провода ПЭМ-2 (ГОСТ 10 288 — 74).

Провод по нагревостойкости изоляции в пропитанном состоянии относится к классу, А (105^оС). Провод ПЭМ-2 медный круглого сечения, покрытый механически прочным слоем эмали (лаком ВЛ-491) с изоляцией повышенной толщины. Он имеет следующие параметры:

— номинальный диаметр провода

;

— минимальная диаметральная толщина изоляции провода b'=0,1 мм;

— максимальный диаметр провода

Плотность тока в ОНН:

.

Число витков в слое:

где b' = 3,2 мм — толщина провода с изоляцией, тогда:

.

Число слоев провода в ОНН:

Осевой размер ООН: Осевой размер ОНН:

.

Радиальный размер ООН:

см, Радиальный размер ОНН:

где k_oc= 1,15; k_paд= 1,05;

а' = 0,32 см — толщина провода с изоляцией.

Так как вертикальный канал в трансформаторах с мощностью S_T до 40 кВА отсутствует, то а₁ = а" ₁ = 1,68 см.

Внутренний диаметр ОНН:

.

Наружный диаметр ОНН:

.

Вес металла ОНН:

;HP, .i|M iv ,

где ?₀ = 8900 кг/м³ — удельный вес меди.

Тогда: G₀₁ = 25,6 кг.

Электрические потери в ОНН:

Р_Э1=2,4•?₁²•G₀₁= 0,81 Вт.

Расчет обмотки высокого напряжения.

Число витков ОВН:

W₂ = W₁•k_TP =273•14,2= 3876.

Ориентировочная плотность тока в ОВН:

.

Сечение витка ОВН:

.

Ориентировочный диаметр проводника:

.

Выбираем провод марки ПЭЛО (ГОСТ 165 507 — 80) — медный провод круглого сечения, изолированный лаком и одним слоем полиэфирных нитей. Класс нагревостойкости — А (105^о).

d'₂ = 0,69 мм — диаметр провода с изоляцией;

d₂ = 0,56 мм — диаметр провода без изоляции.

Сечение выбранного провода:

.

Плотность тока в ОВН:

.

Выбираем цилиндрическую катушечную обмотку:

Число катушек в обмотке N_кат = 3.

Число витков в одинарной катушке:

.

Суммарная высота всех катушек:

?h_КАТ=l₁=21,1 см.

Осевой размер катушки ориентировочно:

.

Число витков в одном слое:

.

Рабочее напряжение двух слоев:

U_2CЛ = 2•W_СЛ2•U_B =2•100•1,394 =278,8 В .

Число слоев кабельной бумаги на толщину листов: 2· 0,12, следовательно, междуслойная изоляция ?_МСЛ =2· 0,12= 0,24 мм ;

Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону)

?_ВЫСТ=1 см. Число слоев в катушке:

.

Радиальный размер катушки:

.

Осевой размер катушки:

.

Окончательный осевой размер обмотки:

.

Внутренний диаметр ОВН:

.

Наружный диаметр ОВН:

.

Вес металла ОВН:

где? = 8900 кг/м³ — удельный вес меди; тогда: G₀₂ = 2,9 кг.

Электрические потери в ОВН:

Р_Э2=2,4•?₂²•G₀₂= 7.81 Вт.

Определение характеристик короткого замыкания.

Ширина приведенного канала рассеивания:

Коэффициент отклонения реального потока рассеивания от идеального (коэффициент Роговского).

Тогда

.

Коэффициент геометрии трансформатора:

.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

.1,2782−103

Полные потери короткого замыкания:

Вт, где k_д = 0,97 — коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Напряжение короткого замыкания:

.

Магнитная система.

Для выбранного согласно расчету нормализованного диаметра выбираем соответствующее число ступеней n_ст = 4 (d_H = 80 мм). Трехфазный стержневой сердечник собирается из полос электротехнической холоднокатаной текстурованной стали марки ЭЗЗО толщиной 0,35 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины изолируются друг от друга пленкой лака с обеих сторон. Марка лака КФ — 935 ГОСТ 15 030– — 69. Наш сердечник является шихтованным, т. е. стержни и ярма собираются в переплет, затем полосы верхнего ярма вынимаются и после установки катушек снова укладываются на место.

Поперечные сечения стержневых трансформаторов выполняются ступенчатыми. Ступени состоят из пакетов, собранных из полос одинаковой толщины (0,35 мм). Каждый пакет стержня сочетается с пакетом ярма.

Размеры пакетов в одной половине стержня.

Толщина стержня:

.

Площадь сечения формы стержня:

Активное сечение стержня:

.

Число пластин необходимых для набора стержня:

Размеры пакетов ярма выбираются аналогично размерам стержня и заносятся в таблицу. Форма поперечного сечения ярма в средней своей части по размерам пакетов повторяет сечение стержня. Крайние пакеты в целях улучшения прессовки ярма ярмовыми балками делаются более широкими, путем объединения двух пакетов в один.

Толщина ярма:

.

Активное сечение ярма:

.

Число пластин необходимых для набора ярма:

.

Длина стержня:

где l₀= 2 см — расстояние от обмотки до верхнего и нижнего ярем, тогда l_С= 25,29 см. I с = 23,588 + 2 — 2,0 = 27,588(см).

Расстояние между осями соседних стержней:

где а₂₂ = 0,8 см — расстояние между обмотками ВН соседних стержней, тогда L = 24,42 см.

Вес стали одного угла:

.

Вес стержней:

G_c =G`_с+G``_с,

а) G_c' - вес стали стержней в пределах окна магнитной системы:

.

б) G_c" - вес стали в местах стыка пакетов стержня и ярма:

тогда: G_c = 31,668 кг.

Вес стали ярм:

G_Я =G`_Я+G``_Я,

а) G_Я` - вес частей ярм, заключенных между осями крайних стержней:

.

б) G_Я`` - вес стали в торцевых частях ярм:

.

тогда вес ярма G_Я =24,114 кг.

Полный вес стали:

G_CT = G_С + С_Я = 55,782 кг.

3.2 Расчет выпрямителя Трехфазная схема соединения Ларионова (треугольник — звезда) работающая на емкостную нагрузку.

Применяем в выпрямителе высоковольтные кремниевые столбы 7СВЛ2−100.

Технические параметры:

1. Повторяющееся напряжение: U_П = 65 кВ;

2. Напряжение лавинообразования: U_Л = 90 кВ;

3.Рекомендуемое рабочее напряжение:

Uр = 0.67 •U_П = 43,55 кВ;

4. Предельный ток: I₀ = 2 А;

5. Максимально допустимая энергия в состоянии лавинного пробоя:

А = 6,3 Дж ;

6. Ударный ток: I_удар = 200 А;

7. Максимально допустимая температура структуры: Т_стмах = +140 °С;

8. Минимально допустимая температура структуры: Т_стмин = - 40 °C;

9. Прямое падение напряжения: U_0П = 84 В;

10. Пороговое напряжение U₀ = 44 В;

11. Обратный ток I_обр = 3 мА (неболее);

12. Динамическое сопротивление в открытом состоянии: Rд = 4 Ом (не более);

13. Интенсивность отказов:? = 4,7^.10^-5 1/ч (не более);

14. Масса столба: m = 2,9 кг (не более);

15. Длительность импульса напряжения t_И = 10 мс.

Амплитуда обратного напряжения:

.

Прямое падение напряжения в выпрямителе:

.

Потери в выпрямителе от прямого тока:

.

Потери в выпрямителе от обратного тока:

.

Полные потери в выпрямителе:

.

Падение напряжения на выходе выпрямителя:

.

Выпрямленное напряжение на выходе:

.

Напряжение короткого замыкания высоковольтного выпрямителя:

.

3.3 Расчет индуктивно-емкостного преобразователя Принимаем k_i =1,3, а k_u =2,05.

Тогда максимальное сопротивление нагрузки индуктивно-емкостного преобразователя:

кОм Коэффициент трансформации преобразователя:

.

Выбираем коэффициент максимальной относительной нагрузки из условий оптимального веса габаритных показателей конденсатора и габаритного веса ИЕП и определении индуктивного сопротивления ИЕП, приведенного ко вторичной обмотке преобразователя:

кОм.

Находим угловую частоту:

(с^-1)

Определим индуктивность реактора, приведенную к вторичной обмотке (под индуктивностью L понимают индуктивность фазы реактора с совмещенным магнитопроводом):

(Гн).

Из условия резонанса определим емкость конденсатора ИЕП в каждой фазе:

Ф.

Находим ток нагрузки ИЕП:

А Тогда ток через обмотку реактора ИЕП:

А.

Ток вторичной обмотки, то есть ток заряда конденсатора равен

А.

4. Выбор разрядника и расчет его электроэрозионной стойкости Так как U=6 кВ, то выбираем воздушный трехэлектродный управляемый разрядник со стальными электродами. Произведем расчет его электроэрозионной стойкости:

Масса металла, который выбрасывается:

где k_В — коэффициент выброса (зависит от среды, в которой происходит разряд), k_В =1 для воздуха,

U'_Э=10 эВ=1,6•10^-18 (для воздуха),

Сртеплоемкость металла, из которого сделан электрод (латунь либо сталь). Так как для электрода выбрана сталь, то Ср= 481,5 Дж/кг^.К, Т_пл — температура плавления материала, из которого сделан электрод. Так как для электрода выбрана сталь, то Т_пл = 1400^oC=1673 К.

? — интеграл от модуля разрядного тока.

Определим интеграл от модуля разрядного тока:

где? — декремент затухания

Q₀ -заряд,

.

Тогда

Следовательно

(кг) Тогда масса выбросов

кг,

где М — ресурс, М =.

Для повышения электроэрозионной стойкости разрядника используем электроды в виде торов, так как разряд будет происходить каждый раз в новых точках.

Найдем массу выступающей части тора разрядника толщиной h=2 мм:

кг, где? — плотность стали, ?=7800 кг/м³;

— внешний диаметр тора, см;

— внутренний диаметр тора см.

Согласно полученным данным для обеспечения заданного ресурса необходимо параллельно соединить 10 таких разрядников.

Рис. 4 Общий вид ГИТ

1. Тихомиров П. М. «Расчет трансформаторов». — Москва: Энергия. 1976 г.

2. «Источники электропитания на полупроводниковых приборах"/ С. Д. Додик, Ю. Я. Дусавицкий, К. Б. Мазель и пр. Под редакцией С. Д. Додика и Е. И. Гальперина. — Москва: Советское радио 1969 г.

3. Векслер Г. С. «Расчет электропитающих устройств» — Киев: Техника. 1978 г.

4. Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. «Расчет индуктивностей». — Ленинград: Энергия. 1970 г.

5. Справочник. «Электрические машины Т.1» Под редакцией Тимошенко В. М. — Москва: Энергия. 1980 г.