книги / Учебное пособие по курсовому проектированию импульсных трансформаторов

В В Е Д Е Н И Е

Импульсные трансформаторы служат для передачи ко­ ротких импульсов напряжения длительностью от долей микросекунды до сотен микросекунд и широко применяются в технике радиолокации, телевидении, импульсной радиосвя­ зи, счетиорешающих устройствах и других установках.

Назначение импульсных трансформаторов: изменение амплитуды импульсанапряжения, согласование полных сопротивлений источника питания и нагрузки, изменение полярности импульсов, создание в генераторах импульсов сильной обратной связи между различными цепями генера­ тора, разделение потенциалов первичной и вторичной цепей, получение нескольких импульсов напряжения (от несколь­ ких вторичных обмоток трансформатора) и т. д.

Широкое применение импульсных трансформаторов при­ водит к необходимости изучения методов их проектирования в процессе подготовки современных, инженеров-электриков.

Авторы сделали попытку создать учебное пособие, кото­ рое помогло бы студентам в работе, над проектом.

Настоящее учебное пособие по курсовому проектирова­ нию импульсных трансформаторов составлено на базе тру­ дов профессора Я. С. Ицхоки [Л. 1, 2, 3, 4, 5]. При составле­ нии пособия были использованы также материалы некото­ рых отечественных предприятий.

Настоящее учебное пособие может быть рекомендовано при проектировании сухих импульсных трансформаторов на импульсные мощности порядка Я„=10н-200 /сет, с импульс­ ными напряжениями на обмотках [/„=100-1-5000 в, при дли­ тельностях импульсов f„=0,l-M 0 мксек.

Курсовой проект по импульсным трансформаторам вы­ полняется студентами электромеханического факультета МЭИ и может быть полезным для студентов факультетов электровакуумной техники и автоматики и вычислительной техники.

ГЛАВА 1

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ТЕОРИИ ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

1-1. Основные определения

Импульсные Трансформаторы— это специальные транс­ форматоры, предназначенные для трансформации кратко­ временных, периодически повторяющихся импульсов напря­ жения (тока) (рис. 1-1). Они выполняются однофазными

ДвуХЮбМОТОЧ|НЫ'МИ ИЛИ 0ЩН0ф а31НЬШИ !М|НОШО|б'М©ТОЧ1НЬВМИ.

Принцип трансформации напряжения в импульсных трансформаторах в основном такой же, как в силовых трансформаторах, работающих при синусоидальном напря-

Рис. 1-1. Однополярные импульсы напряжения идеальной прямоугольной формы:

#н — длительность импульса; /п — длитель­ ность паузы; Ги— период повторения импуль­ сов; U i— амплитуда импульса

жении. Однако импульсные трансформаторы передают одно­ полярные кратковременные импульсы и это создает ряд особенностей в их работе, которые рассматриваются в даль­ нейшем.

Форма импульсов может быть различной. Обычно при расчете исходят из импульсов прямоугольной формы. Форму импульса характеризуют следующие основные параметры (рис. 1-2): амплитуда импульса (Uг'). длительность импуль­ са !(itn), длительности франта ((ф) и iqpepa tc) импульса,

мы, вводятся условные уровни отсчета длительностей. Под активной * длительностью импульса (/и) понимают интервал времени, измеренный на'уровне, соответствующем половине амплитуды импульса напряжения (0,5- U2 ). Величину tn характеризует длительность рабочего импульса ** Под ак­ тивной длительностью фронта (/ф) понимают вр^мя нарас­ тания импульса напряжения от.0,1-С/г' до 0,9-U2 \ под ак­ тивной «длительностью среза — время уменьшения импульса напряжения от 0,9-U2 ДО" 0,1 'U2

На рис. 1-2 показаны также выбросы импульса напря­ жения. U2ф — выброс на вершине импульса (максимальное значение высокочастотных паразитных колебаний). U2o' — обратный выброс (отрицательный выброс при срезе импуль­ са). U2c — среднее значение обратного выброса. U2n' — по­ ложительный выброс после среза импульса.

В зависимости от области применения импульсные транс­ форматоры рассчитываются на различные длительности рабочих импульсов (/„). Так в автоматике длительность

( 10-9 сек).

Характерной особенностью многих импульсных процессов является высокая скважность (Q), достигающая десятков,

Скважностью называется отношение периода повторения импульсов к длительности рабочего импульса:

Частота повторения импульсов в различных установках может достигать порядка мегагерц.

В настоящее время широко применяются импульсные трансформаторы, рассчитанные на различную импульсную

*

мощность (Рп)' от нескольких ватт до нескольких мегаватт. Средняя мощность за импульс определяется по формуле

Рабочие напряжения современных импульсных транс­ форматоров лежат примерно в диапазоне от нескольких вольт до 100 киловольт.

1-2. Форма трансформируемых импульсов

Форма импульсов, подаваемых на первичную обмотку импульсного трансформатора может быть различной: пря­

более трудно передаваемых без искажения. При этом пред­ полагается, что длительность паузы больше длительности переходных процессов в цепи, поэтому анализируется воз­ действие одиночного импульса.

В процессе трансформации форма импульса искажается (рис. 1-2). Крутизна фронта и среза понижается, а на вер­ шине импульса (и после среза) могут возникнуть высоко­ частотные паразитные колебания. Вершина импульса выход­ ного напряжения понижается. В некоторых случаях колеба­ тельный процесс может отсутствовать, но тогда крутизна фронта импульса снижается значительно сильнее (рис. 1-2,6).

Искажение формы импульса зависит от параметров схе­ мы и от параметров самого импульсного трансформатора.

Искажение формы импульса является крайне нежела­ тельным. Оно приводит к неправильной работе аппаратуры и может вызвать различного рода ложные сигналы. Напри­ мер, длительность фронта и среза импульса определяют момент срабатывания электронного прибора (отпирания и запирания лампы). Вершина соответствует рабочей части импульса (определяет длительность отпертого состояния лампы). Обратный выброс и колебания после среза импуль­ са характеризуют длительность стадии восстановления импульсного устройства (возвращения к начальным усло­ виям).

Основное требование, предъявляемое к импульсным трансформаторам, заключается в передаче неискаженной

$

формы трансформируемых импульсов напряжения. Полного отсутствия искажения практически добиться невозможно. Поэтому проектирование импульсного трансформатора под­ чинено требованию передачи импульса с минимальным иска­ жением его формы.

Понижение выходного напряжения трансформатора за импульс характеризуется отношением

Величина относительного снижения вершины импульса напряжения задается техническими условиями и обычно ограничивается значениями

А <0,05-1-0,1.

Времена длительностей фронта (/ф) и среза (£с), харак­ теризующие крутизну нарастания и спадания импульса, за­ даются техническими условиями. Выбросы импульса припроектировании трансформатора также ограничиваются.

Понижение крутизны фронта (и среза) и возникновение колебаний на вершине (и после среза) импульса обуслов­ ливаются влиянием «паразитных» параметров трансформа­ торной цепи (влиянием паразитных емкостей и индуктивно­ стей рассеяния обмоток трансформатора, а также источника питания и нагрузки).

Для уменьшения колебаний и обеспечения., заданных длительностейфронта (и среза) необходимо уменьшать «пардзитные» параметры. Уменьшение паразитных емкостей и индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора дости­ гается в основном выбором конструкции и числа витков обмоток 0\ выбором изоляционных расстояний между обмот­ ками'

Искажение^ (снижение) вершины импульса выходного напряжения (А,) определяется величиной намагничивающего тока трансформатора (1-24). Поэтому намагничивающий ток стремятся ^уменьшить путем правильного выбора мате­ риала, конструкции и размеров сердечника и толщины его листов.

Из всего сказанного ясно, что конструкция и размеры импульсного трансформатора определяются колебательными процессами в его обмотках и электромагнитными процесса­ ми в сердечнике. Эти процессы очень сложны, что и вызы­

вает большие затруднения при проектировании импульсных трансформаторов.

К этому следует еще добавить нестабильность характе­ ристик магнитных материалов, зависимость их свойств в

и т. д. Поэтому импульсные трансформаторы малой мощ­ ности до соответствия требованиям схемы часто доводят опытным путем.

1-3. Электромагнитные процессы в сердечнике импульсного трансформатора

Процессы в сердечнике импульсного трансформатора значительно сложнее, чем в силовых трансформаторах. Эти процессы определяются законом электромагнитной индук­ ции, законом полного тока, гистерезисом, возникновением мощных, вихревых токов, явлениями последействия и насы­

Сложность электромагнитных процессов в импульсных трансформаторах затрудняет их теоретические исследова­ ния. При анализе вводится ряд допущений, упрощающих работу как самого трансформатора, так и работу схемы, в которой он используется.

На процессы в сердечнике параметры обмоток (активное сопротивление, индуктивность рассеяния и емкость) влияют мало.и при анализе явлений намагничивания сердечника ими пренебрегают.

а) Закон электромагнитной индукции

При воздействии на обмотку трансформатора прямо­