Проектирование силовых высокочастотных трансформаторов

 
Ю. А. Кирюхин, В. С. Степанов, С. А. Аршинов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
СИЛОВЫХ  
ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ  
ТРАНСФОРМАТОРОВ 
 
 
 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2019

УДК 621.314.029.5 
ББК 31.26:65.30 
 
К43 
 
Рекомендована к изданию  
 
редакционно-издательским советом 
 
ИрНИТУ 
 
 
 
Рецензенты: 
А. М. Худоногов, д. т. н., проф. кафедры 
электроподвижного состава ИрГУПС; 
В. Г. Хапусов, д. т. н., 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. 
 
УДК 621.314.029.5 
ББК 31.26:65.30 
 
 
 
 
 
 
 
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 
 
 


ОГ
ЛАВЛЕНИЕ 
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. Показатели теплового режима 
................................................................. 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  
и КПД СВЧТ .............................................................................................. 81 
3.9. Показатели СВЧТ в сравнительной оценке ........................................... 82 
3.10.
Параметрическая емкость и индуктивность рассеяния ........................ 85 
ϯ



ГЛАВА 4. СВЧТ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК 
.................... 88 
4.1. Типовые случаи применения СВЧТ в преобразовательных  
установках 
.................................................................................................. 88 
4.2. Высоковольтные СВЧТ ............................................................................ 90 
4.3. Низковольтные СВЧТ 
............................................................................... 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 кГц для 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 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ϰ



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, 
ϱ




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, 
преобразовате- 
лей 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 ² 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 киловольтампер при частотах 2·100 кГц [7] . Требуются СВЧ ФМУ и более высокого частотного диапазона при мощностях в десятки киловатт. 
ϲ




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 ² 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 1·1 000 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]. 
ϳ




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 ² 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. Х. 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], Х. 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: 
ϴ




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] ² 
Р. Х. 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). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ϵ



Г
ЛАВА 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 1·1 000 кВА, по частоте 1·100 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 радиопередающих устройствах [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 1 кГц. 
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. 
ϭϬ