Оценка электрических потерь в электромагните бетатрона типа ПМБ-6 с импульсным питанием током повышенной частоты

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ИМ. С. М. КИРОВА

Том 279 1974

ОЦЕНКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ЭЛЕКТРОМАГНИТЕ БЕТАТРОНА ТИПА ПМБ-6 С ИМПУЛЬСНЫМ ПИТДНИЕМ ТОКОМ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ

В. С. ЛОГИНОВ, А. А. ГЕЙЗЕР, В. Л. ЧАХЛОВ

В [1] показана возможность эффективного использования импульсного режима питания малогабаритных бетатронов. Переход от возбуждения электромагнита переменным током частотой 50 гц к питанию однополярными импульсами тока позволяет довести частоту следования импульсов тока до 200 гц в сек, а следовательно, и увеличить мощность дозы тормозного излучения, генерируемого бетатроном в 4 раза.

При применении импульсного питания бетатронов важной задачей является решение вопроса о распределении электрических потерь в активных частях электромагнита. Наличие добавочных потерь, которые обусловлены значительными магнитными потоками рассеяния, приводит к нагреву активных частей и конструктивных деталей электромагнита. Теоретическое рассмотрение этого вопроса связано с определенными трудностями, так как учет всех факторов ведет к усложнению расчетных формул, затрудняющих общий анализ.

Целью настоящей работы является экспериментальная оценка электрических потерь в электромагните бетатрона на основе тепловых измерений.

Экспериментальная бетатронная установка изготовлена на базе бетатрона типа ПМБ-6, работающего в непрерывном режиме от сети в 50 гц [2]. Параметры импульсов возбуждения следующие: длительность импульсов тока 2500 мксек, скважность следования равна 2, амплитуда тока /т —376 а. Обмсггка выполнена из прямоугольной шинки 2 X3 05Х Ю

--- сечением 60 мм2 с количеством витков, равным 36. Мэт;

2X3,8X10,75

нитопровод набран из пластин электротехнической стали ЭЗЗО толщиной 0,35 мм. Измерение темпер'атур было проведено по методу встраиваемых температурных индикаторов. В' качестве датчиков температур служили медь-констайтановые термопары 0 0,2 мм и предварительно проградуированные от 0° до 150° С (рис. 1). Величина термоэдс измерялась потенциометром постоянного тока типа ПП в пределах от 0 до 5 мв. Погрешность измерений не превышала ±0,1 мв при температуре окружающего воздуха 20±2° С и относительной влажности от 30 до 80%. Относительная ошибка измерения медь-константановой термопары вследствие тепловой инерционности равна [3]

здесь Т0 тс

. 17У0 1 + ^0 '

постоянная нагрева бетатрона, -постоянная нагрева термопары.

а/7

При импульсном возбуждении электромагнита бетатрона и отсутствии его охлаждения оценка теплообразования в единице объема проведена по следующей зависимости:

Ум

Г г

И I ^ м

[(Ум-Уи)Л 4- Уи 1 ~~~ ох

где

к — коэффициент заполнения меди (стали), Тм,Уи—удельный вес меди и изоляции, СМ)СН—удельная теплоемкость меди и изоляции, ди

—--скорость изменения температуры во времени.

¿50

Рис. 1. Расположение термопар в электромагните бетатрона

Зная тепловыделение и объем тела, можно найти потери в нем

Р=д,-У.

С другой стороны, подсчет основных потерь в обмотке при возбуждении электромагнита синусоидальным током производится по формуле

Р м^эфф'^о»

здесь

о 1

5

р — удельное сопротивление материала проводника обмотки; / — длина проводника, м; 5 — поперечное сечение проводника, мм.

Изменение температуры проводника связано с изменением электропроводности, поэтому сопротивление обмотки, выполненной из меди, находится по соотношению:

г = г0

где а'— температурный коэффициент сопротивления.

Эффективное значение тока находится по известной зависимости

'эфф-V /о2 + /1а+/а3+--'+/я2 ,

где

/0 — постоянная составляющая тока;

/ь /2/¿>—действующие значения тока отдельных гармоник, или по соотношению [4]

/эфф=ЙЬ'

где

5 — скважность импульсного процесса.

Величина дополнительных потерь в обмотке может быть оценена по простой формуле

В табл. 1 приведены значения потерь в обмотке бетатрона, найденные из тепловых измерений.

Таблица 1

Обмотка электромагнита бетатрона ПМБ-6, выполненная из прямоугольной шинки

Ряды* ^ ю1, вт}мл по

1 1,210 45,32 54.84 38,99

2 1,395 43,74 61,02 42,75

3 2,122 51,29 108,84 81,05

4 2,375 34,17 81,15 50,04

5 2,625 34,72 91,14 56,75

6 1,210 45,58 55,15 39,30

7 1,395 43,86 61,18 42,91

8 2,122 51,80 109,92 82,13

9 2,375 33,82 80,56 49,45

10 2,625 34,78 91,30 56,91

Итого... * Н | 19,454 умерация рядов пока зана на рис. 1. 795,10 540,28

Величина потерь в обмотке, рассчитанная по '(3), составила Рм =

— 254,82, а в действительности 795,10 вт. В этом случае добавочные потери равны 540,28 вт. Таким образом, в обмотке из прямоугольной шинки при импульсном питании током повышенной частоты (/=

— 200 гц) потери, найденные по соотношению (3), в 3,12 раза меньше, чем наблюдается в действительности.

Для снижения дополнительных потерь в обмотке прямоугольная шинка была заменена многожильным кабелем, который состоял из 90 параллельных проводников сечением 0,442 мм2. Число витков в катуш-

ке было 36. В табл. 2 приводятся данные электрических потерь в обмотке из многожильного кабеля.

Потери, рассчитанное по соотношению (3), равны 613,8 вт, а из теплового опыта — 907,2 вт. При этом добавочные потери составляют 293,4 вт:

Таблица 2

Обмотка бетатрона ПМБ-6, изготовленная из многожильного кабеля

Ряды <7^ ,10\ вт!мл Р, вт по

1 3,47 23,40 81,1 16,6

2 13,05 28,60 372,5 130,1

3 3,47 23,40 81,1 16,6

4 13,05 28.60 37,5 130,1

Итого.

33,04

907,2

293,4

* Расчеты для рядов шинок № 3, 4 проведены при допущении одинакового распределения температур в нижней (ряды Ке 1, 2) и верхней части электромагнита. Такое допущение справедливо для м и о гостоеч н ы х Сет ат п оно :>.

Как видно из табл. 2, величина коэффициента дополнительных потерь рЫТ | в обмотке, выполненной из многожильного кабеля

(7(^ = 1,48), в 2,1 раза меньше, чем в обмотке, изготовленной из прямоугольного провода (7(д.„ = 3,12) (табл. 1). Кроме того, из этих таблиц видно, что потери распределены неравномерно. Сравнение потерь при импульсном питании (табл. 1, 2) с потерями при непрерывном питании электромагнита током частотой 50 гц (табл. 3) показывает, что

Таблица 3

Обмотка промышленного бетатрона ПМБ-6, выполненная из прямоугольной шинки '

Ряды Коб, 10-', Л* Чvll, 10', вт/м" опыт Р, вт по (2а) Рдп по (7).

1 3,29 30,06 98,89 25,79

2 3,55 33,97 120,59 41,69

3 3,52 29,95 105,42 27,22

4* 1,66 20,50 34,03 8,83

5 3,29 29,97 98,60 25,50

6 3,55 33,90 120,35 41,45

7 3,52 29,88 105,53 27,33

8* 1,66 20,30 33,69 8,49

Итого

24,04

717,10

206,63

* Ряды относятся к первичной (возбуждающей) обмотке. Для этих рядов коэффициент заполнения медью к м =0,804, а в остальных рядах — к —0,751.

в первом случае добавочные потери имеют более решающее значение, чем во втором случае. Это позволяет заключить, что наибольшие потоки рассеяния сосредоточены у полюсов и на обмотку из прямоугольной шинки они оказывают большее влияние, нежели при питании частотой 1=50 гц. Такой подход к оценке теплообразования в тепловыделяющих-ся элементах бетатронов позволяет при известных геометрических размерах оценить величину потоков рассеяния.

Электрические потери в стали при синусоидальном изменении индукции могут быть вычислены по формуле Штейнмеца:

Р^\Кх1Впт+К,Г2В2т}09

где первое слагаемое в скобках представляет собой удельные потери на гистерезис, а второе — потери от вихревых токов. Показатель степени п для электротехнических сталей лежит в пределах 2—2,5. Известно, что полные потери в стали, определяемые опытным путем, больше потерь на гистерезис и вихревые токи. Тогда суммарные потери определяем по формуле

Рст—Рг-\-Рв-\-Рдоп. .

В табл. 4 приведены значения потерь в магнитопроводе, полученные из тепловых испытаний и рассчитанные по (8)1

Таблица 4

Магнитопровод промышленного бетатрона ПМБ-6 50 гц)

Наименование Коэф. заполнения сталыо Яст Объем ста- ЛИ Кст 10—м3 Вес стали Сст *г <4- 104' вт\мг по

Центральные

вкладыши 0,87 0,616 0,48 1,60 0,864 0,985

Стойки* 0,90 19,30 24,70 1,66 34,750 41,00

Ярма 0,90 11,00 14,10 1,69 19,92 23,80

Сердечник 0,85 19,55 24,89 1,63 36,20 40,56

Итого . . . — 50,23 64,30 — 91,63 106,34

* Магнитный поток направлен под углом 90° к направлению проката.

Для импульсного питания потери в магнитопроводе определяем по соотношению

М№+К2В2т/] ^ О-

£

В табл. 5 приведены значения потерь в магнитопроводе, найденные опытным путем и подсчитанные по (9) при /=200 гц и N=200 импульсов в секунду.

Анализ полученных результатов (табл. 5) показывает, что при импульсном питании наблюдается увеличение дополнительных потерь в полюсном сердечнике и полюсном наконечнике вследствие перетекания потока поперек пластин. Увеличение дополнительных потерь, обусловленных этим явлением, в бетатроне с непрерывным питанием (табл. 4) наблюдается в ярмах магнитопровода, однако это увеличение значительно меньше.

Таблица 5

Наименование Коэф. заполнения сталью /Л ст Объем стали V ст Ю-4, м3 Вес стали °сг кг 104 вт!мя опыт Р, вт опыт Р, вт по

Центральные

вкладыши 0,87 0,616 0,48 10,78 6,64 5,9

Стойки 0,90 24,70 19,30 10,92 271 238

Ярма* 0,90 14,10 11,00 16,51 232,5 202

Полюсный сер-

дечник 0,85 18,80 14,70 15,76 298,0 181,0

Полюсный нако-

нечник 0,85 6,09 4,75 13,09 79,6 58,5

Итого . . . — 64,31 50,23 — 887,74 685

* Магнитный поток направлен под углом 90° к направлению проката.

Суммарные потери в электромагните бетатрона определяются па формуле

РЭЦ = РМ + Рс,..

Результаты расчетов сведены в табл. 6.

Таблица б Суммарные потери в электромагнитах бетатронов

Наименование Частота тока /, гц Ток / а\ /?эч вт 0ПЬ1Т опыт Рэм вт по

Промышленный бетатрон ПМБ-6 Бетатрон ПМБ-6И а) обмотка из шинки б) обмотка из кабеля 50 200 200 25 376 376 823,44 1682,84 1794,94 702,43 939,82 1298,80 221,01 642,62 295,74

Выводы

1. На основе тепловых измерений проведена оценка электрических потерь в отдельных тепловыделяющих элементах электромагнитов бетатрона.

2. При частоте питаемого тока /—50 гц добавочные потери невелики. Это позволяет проводить расчеты электрических потерь по обычной методике, принятой в трансформаторостроении.

3. При импульсном питании бетатронов током частотой/^=200 гц и со скважностью импульсов, равной двум, величина действительных потерь в обмотке, выполненной из медного проводника прямоугольного сечения, в 2—3 раза выше потерь, рассчитанных по соотношению (3).

4. Замена медной шинки на равноценное сечение многожильного кабеля приводит к уменьшению добавочных потерь, а следовательно, к снижению максимального температурного перепада в обмотке при одинаковых условий их охлаждения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Л. М. Ананьев, Ю. А. Отрубянников, Некоторые вопросы импульсного' питания электромагнитов индукционных ускорителей. «Приборы и техника эксперимента», 1967, № 3.

2. Л. М. А н а н ь е в и др. Малогабаритные бетатроны и их применение в дефектоскопии. «Дефектоскопия», 1968, № 5.

3. Я-В. И. К о с т ы р к о, Учет основных погрешностей медно-константановых микротермопар при исследовании нагрева электрических машин. Изв. вузов, сер. электромеханика, 1971, № 6.

4. Ю. А. Отрубянников. Кандидатская диссертация, Томск, 1967,