Оптимизация силового трансформатора с целью увеличения энергоэффективности

Потери в единице объема, Вт/м3:
; (2.108)
где а, – размеры провода без изоляции и с изоляцией, которые ориентированы в направлении движения тепла, м;
b, – то же в направлении, перпендикулярном движению тепла, м;
– толщина изоляции провода, м.

Средняя теплопроводность обмотки НН, Вт/(м·0С):
; (2.110)

где теплопроводность определяется по формуле:
, (2.111)
– теплопроводность материала изоляции витков, которая определяется по табл. 6.1.[5], = 0.25 Вт/(м·0С).
Вт/(м·0С).
Полный внутренний перепад температуры в обмотке ВН, 0С:

, (2.112)
0С.
Перепад температуры на поверхности обмотки ВН, 0С:
, (2.113)
где k = 0,285;
q – плотность теплового потока на поверхности обмотки
0С
Потери в трансформаторе связаны с его мощностью, при выборе конструкции защитного кожуха необходимо ориентироваться на мощность трансформатора [5, табл. 6.4].
Согласно рекомендаций раздела 4 (табл. 4.11 и 4.12 [5]), необходимо выполнить расчет изоляционных расстояний от отводов к обмотке ВН и к стенке кожуха защиты.











Рисунок 2.11– Определение основных размеров кожуха защиты

Минимальная ширина защитного кожуха:
S1 = 22 мм – изоляционное расстояние от отвода обмотки ВН к собственной обмотке (по табл. 4.11, [5]);
S2 = 22 мм – изоляционное расстояние до защитного кожуха (по табл. 4.11, [5]);
d1 = 20 мм – диаметр изолированного отвода обмотки ВН;
S3 = 25 мм – расстояние от отвода обмотки НН к обмотке ВН по табл. 4.12, [5];
S4 = 25 мм – расстояние от отвода обмотки НН до стенки защитного кожуха (по табл. 4.11, [2]);
d2 = 10 мм – диаметр изолированного отвода от обмотки НН.
(2.114)
м.
Принимаем В= 0.500 м.
Минимальная длина защитного кожуха, м:
(2.115)
S5- расстояние от внешней поверхности ОВН к стенке защитного кожуха, мм:

м
Принимаем А= 1.300 м.
Высота активной части трансформатора, м:
n = 50 мм – толщина прокладки под нижнее ярмо;
hЯ = 0.195 м – толщина ярма.
, (2.116)
м.
Общая глубина защитного кожуха, м:
. (2.117)
где НЯ,К – расстояние от верхнего ярма до защитного кожуха при горизонтальном размещении над ярмом переключателя отводов обмотки ВН, находим по таблице 6.5[1]: НЯ..К=300·10-3м.
м.
Верхняя конвекция стенки защитного кожуха, м2:
(2.118)
м2
Ориентировочная поверхность излучения защитного кожуха, м2:
, (2.119)
где К = 1.5 – коэффициент, учитывающий форму защитного кожуха.
м2.
Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для заданного значения , м2:
. (2.120)
м2.
Поверхность защитного кожуха, м2:
. (2.121)
м2
Проводится расчет превышения температуры обмоток трансформатора.
Среднее превышение температуры стенки защитного кожуха по сравнению с температурой окружающего воздуха, оС:
, (2.122)
где k = 1,05 – 1,10, принимаем k = 1,05
оС.
Превышение средней температуры обмоток по сравнению с температурой воздуха, оС:
Обмотка НН:
оС <60 оС.
Обмотка ВН:
оС <60 оС.









2.7 Результаты расчётов основных параметров трансформатора

Результаты расчётов основных параметров трансформатора сведены в табл. 2.3 – 2.7.
Таблица 2.3 – Основные параметры трансформатора
SН, кВА U1Н, кВ U2Н, кВ Схема и группа соединения
обмоток: Р0,
Вт Рк,
Вт I0,
% Uк,
% 400 10 0,4 Y/Y0 – 0 1157 5548 1.794 4.5
Таблица 2.4 – Основные геометрические данные и габаритные размеры
dН, м L, м βН, м С, м d12, м а1, м а2, м а12, м L, м В, м Нб, м 0,20 0,57 1,58 0,398 0,287 0,025 0,031 0,03 0,57 0,512 1,335
Таблица 2.5 –Данные обмоток
ВН ВН UВ, В П`1,м2 П`2,м2 W1, вит W2, вит цилиндрическая
многослойная обмотка с
прямоугольного провода 9,63 284.4 x 10-6 11.1 x
10-6 24 602
Таблица 2.6 – Электромагнитные нагрузки
ВС, Тл ВЯ, Тл ∆1, А/м2 ∆2, А/м2 1.54 1.503 2.029 · 106 2.026 · 106
Таблица 2.7 – Данные теплового расчета
q1, Вт/м2 q2, Вт/м2 ϴОВ1,0С ϴОВ2, 0С 799 776 53,33 53,254


3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА В ПРОГРАММЕ ELCUT 6.3

3.1 Краткое описание программы

ELCUT – это программа, предназначенная для проведения инженерного анализа и двумерного моделирования методом конечных элементов [18,19]. 
Программа ELCUT разрабатывается российской компанией ООО «Тор». Модули ELCUT позволяют проводить анализ физических полей и получать решение связанных многодисциплинарных задач в следующих видах анализа:
- магнитное поле переменных токов;
- магнитное поле постоянных токов и постоянных магнитов;
- нестационарное магнитное поле;
- электростатическое поле;
- электрическое поле постоянных токов;
- электрическое поле переменных токов;
- нестационарное электрическое поле;
- стационарное и нестационарное температурные поля;
- механические напряжения и упругие деформации.
Имеется также бесплатная версия данной программы, предназначенная для студенческого и демонстрационного применения (ELCUT Студенческий).
Программа ELCUT хорошо сопрягается с известными CAD-системами через импорт и экспорт файлов в формате .dxf.
Также программа ELCUT может быть встроена в другую программу либо связана с внешней программой.
Взаимодействие между ядром ELCUT и другими программами может быть реализовано двумя способами: на низком уровне через объектную модель ELCUT (ActiveField) и на высоком уровне через параметрический интерфейс (LabelMover).
Основные возможности программы приведены ниже.
1. Модуль «Магнитное поле переменных токов» предназначен для расчёта магнитного поля, которое возбуждается синусоидальным током заданной частоты с учётом вихревых токов. Для данного модуля обеспечено совместное решение полевой задачи с присоединённой электрической цепью. Модуль используется для расчётов трансформаторов, реакторов, установок индукционного нагрева, всех типов электрических машин, а также исполнительных механизмов и электромагнитной экологии.
2. Модуль «Магнитостатика» предназначен для расчёта магнитного поля постоянных токов и постоянных магнитов с учётом насыщения ферромагнитных материалов. Используется для расчётов исполнительных механизмов, разных типов электрических машин, приборов с постоянными магнитами и т.д.
3. Модуль «Нестационарное магнитное поле» предназначен для расчёта переходных процессов в электромагнитных устройствах. Данный вид анализа включает учёт совместного действия, например, переменных нагрузок и постоянных магнитов, а также совместное решение полевой задачи с присоединенной электрической цепью. Модуль непосредственно используется для расчёта работы двигателей от разных преобразователей, а также анализа влияния импульсных нагрузок и перенапряжений, систем с подмагничиванием и т. п.
4. Модуль «Электростатика» предназначен для непосредственного расчёта электростатического поля, которое вызвано потенциалом, а также объёмными, точечными и поверхностными зарядами. Модуль используется для анализа электроизоляционных конструкций, электрической прочности изоляционных систем, ёмкости системы проводников, экранов, электромагнитной экологии.
5. Модуль «Электрическое поле постоянных токов» предназначен для расчета растекания постоянных токов в проводящих массивах. Модуль широко используется для расчёта заземлителей, токов утечки по изоляционным конструкциям, а также при расчёте печатных плат и массивных шин.
6. Модуль «Электрическое поле переменных токов» предназначен для расчёта электрических полей, которое вызвано переменными напряжениями, с учётом токов утечки. Модуль используется для расчёта изоляционных и кабельных конструкций, кабельной арматуры, а также конденсаторов и высоковольтной изоляции.
7. Модуль «Нестационарное электрическое поле» предназначен для расчёта электрических полей, которые вызваны импульсными напряжениями. При этом при расчётах в данном модуле учитываются нелинейные физические свойства диэлектриков. Модуль применяется при расчёте сложных систем изоляции, ограничителей перенапряжений, а также варисторов, нелинейных экранов и т.п.
8. Модуль «Теплопередача» предназначен для расчёта переходного и установившегося температурного поля с непосредственным учётом конвективного и радиационного теплообмена. Данный модуль используется для проектирования и анализа систем обогрева и охлаждения.
9. Модуль «Упругие деформации» используется для непосредственного расчёта механических напряжений в устройствах различного типа (строительные конструкции, техника высокого давления, а также отдельные узлы механических систем и т.п.).

















3.2 Реализация модели расчёта основных и дополнительных магнитных потерь в программе ELCUT 6.3

Поставленная задача сводится к определению и последующему сравнению магнитных и электрических удельных потерь в магнитопроводе силового трансформатора при применении разных типов магнитопроводов.
Расчёт магнитных и электрических удельных потерь в магнитопроводе силового трансформатора проводится по формуле Штейнмеца [20,21]:
pm = Cm · (f/50)α · (B/1.5)β · ρ [Вт/м3], (3.1)
где α = 1, β = 2;
B - средняя индукция по объему магнитопровода (амплитуда);
ρ - плотность стали сердечника (принимается ρ = 7650 кг/м3).
Исследуются следующие типы магнитопроводов силовых трансформаторов:
- Ш – образный;
- П – образный;
- броневой;
- тор.
При этом площадь данных магнитопроводов, число витков первичной и вторичной обмоток, и, следовательно, значение магнитной индукции в магнитопроводе принимается равными соответствующим значениям, которые установлены заводом – изготовителем на данный трансформатор (с Ш – образным магнитопроводом с круглым центральным стержнем). Данные параметры рассчитаны во 2-м разделе работы.
В таком случае создаются равные условия для сравнения данных типов магнитопроводов путём расчёта эффективной магнитной проницаемости магнитопроводов при равных значениях площади и количестве витков обмоток.
Расчёты эффективной магнитной проницаемости магнитопроводов проводятся в программе MUCalculator.
Результаты расчётов эффективной магнитной проницаемости указанных типов магнитопроводов при равных значениях площади и количестве витков обмоток приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Результаты расчётов эффективной магнитной проницаемости типов магнитопроводов
№ п/п Тип магнитопровода μэф 1 Ш – образный 2248,53 2 П – образный 2182,60 3 броневой 2120,82 4 тор 2088,34
Рассчитанные значения эффективной магнитной проницаемости типов магнитопроводов используются при моделировании соответствующих магнитопроводов в программе ELCUT 6.3.
Проводится моделирование на примере Ш – образного магнитопровода в программе ELCUT 6.3. При этом моделируется несимметричная активно – индуктивная нагрузка трансформатора, которая имеет место в практическом использовании трансформатора при питании, например, бытовых потребителей.
Электрическая схема замещения представлена на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 - Электрическая схема замещения

Геометрическая форма представления модели приведена на рис. 3.2.


Рисунок 3.2 – Геометрическая форма представления модели

Далее в левом окне выбирается кнопка «Физические свойства», в ней – кнопка «Метка блоков», в выпадающих окнах выставляются свойства параметров модели, из которых наибольший интерес для нашего случая представляет кнопка «сердечник», при нажатии на которую в выпадающем окне устанавливается рассчитанное значение эффективной магнитной проницаемости для данного типа магнитопровода из табл. 3.1. Картина магнитного поля представлена на рис.3.3.

Рисунок 3.3 – Картина магнитного поля

По плотности тока на картине магнитного поля (рис.3.3) можно сделать вывод о том, что в целом плотность тока в магнитопроводе не превышает допустимых значений и колеблется в пределах (1,130 – 2,382)(106 А/м2 , следовательно, значение температуры в магнитопроводе также будет находится в пределах нормы.
В данной картине поля выделяется контур, в котором непосредственно проводится расчёт (рис.3.4).

Рисунок 3.4 – Расчётный контур

Далее вызывается кнопка «Интегральный калькулятор», в котором производится расчёт:
мощности тепловыделения (рис. 3.5);

Рисунок 3.5 – Расчёт мощности тепловыделения магнитопровода

2) средней индукции по объёму (рис. 3.6).

Рисунок 3.6 – Расчёт средней индукции по объёму магнитопровода

Основные графические характеристики магнитопровода приведены на графическом листе №3.
Проводится расчёт по формуле (3.1) для данного типа магнитопровода
pm = 1,5 · (50/50)1 · ((0,000028+0,0024)/1,5)2 · 7650·103 = 3,0065 кВт/м3
Аналогично проведены расчёты для других типов магнитопроводов и результаты приведены в следующем разделе.











3.3 Результаты моделирования

В результате моделирования осуществлён расчёт магнитных и электрических удельных потерь в магнитопроводах следующих типов: Ш – образный; П – образный; броневой; тор.
Результаты расчётов приведены в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Результаты моделирования и расчётов магнитных и электрических удельных потерь в магнитопроводах
№ п/п Тип магнитопровода pm, кВт/м3 1 Ш – образный 3,0065 2 П – образный 3,8754 3 броневой 4,1507 4 тор 4,2701
На основании полученных данных, приведённых в табл. 3.2, делается вывод о том, что с точки зрения минимума потерь в силовом трансформаторе для заданного типа трансформатора ТСЗ-400/10/0,4 оптимальным является Ш – образный магнитопровод. На графическом листе №3 приведены результаты моделирования и основные характеристики Ш – образного магнитопровода.
Сравнительная характеристика параметров силового трансформатора до и после моделирования приведена в таблице 3.3.
Таблица 3.3 – Сравнительная характеристика параметров силового трансформатора до и после моделирования
Параметр ηmax при
β=0,5,
% pm, кВт/м3 Р0,
Вт Рк,
Вт I0,
% Uк,
% Исходный 94,78 4,1090 1250 5650 1.920 4.5 Полученный 97,52 3,0065 1157 5548 1.794 4.5


4. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

4.1 Выводы

В результате выполнения работы получены следующие результаты:
- проведено описание конструкции и основных параметров силового трансформатора ТСЗ-400/10/0,4, а также основных типов магнитопроводов, применяемых в силовых трансформаторах;
- произведён детальный расчёт силового трансформатора ТСЗ-400/10/0,4, с полной мощностью S=400 кВА, номинальным напряжением обмоток высшего и низшего напряжений U2=10 кВ и U1=0.4 кВ, с регулированием напряжения без возбуждения, схемой и группой соединения обмоток Y /Y – 0.
Определены основные размеры трансформатора с плоской магнитной системой стержневого типа (dн = 0.20 м), которая выполнена из холоднокатаной стали марки 3405. Произведен выбор и расчет обмоток высшего и низшего напряжения. Обмотка высшего напряжения - цилиндрическая многослойная обмотка из прямоугольного алюминиевого провода сечением Ппр=11.1мм2. Обмотка низшего напряжения - цилиндрическая многослойная обмотка из прямоугольного алюминиевого провода сечением Ппр=71.1мм2. Отклонения расчётных величин от исходных составили следующие значения: (Pк- 3.991%, (Uк- 4.44%, (Р0- 7.1%, (I0-14.6 %;
- на основании данных, полученных в результате моделирования магнитопроводов трансформатора в программе ELCUT 6.3, сделан вывод о том, что с точки зрения минимума потерь для заданного типа трансформатора ТСЗ-400/10/0,4 оптимальным является Ш – образный магнитопровод;
- в результате проведённых исследований установлено, что КПД рассмотренного силового трансформатора при применении оптимального Ш – образного магнитопровода увеличился на 2,74 %, а величина удельных потерь в магнитопроводе уменьшилась на 1,1025 кВт/м3.


ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРЫ


Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Трансформаторы. Машины постоянного тока. Учеб. для вузов. – СПб.: Питер, 2008.
Васютинский С.Б., Красильников А.Д. Расчет и проектирование трансформаторов. Расчет обмоток. Учеб. пособие – Л.: Изд. ЛПИ, 1976.
Васютинский С.Б., Красильников А.Д. Расчет магнитной системы трансформаторов: метод указания к выполнению курсового проекта. – Л.; Изд. ЛПИ, 1976.
Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 527с.
Вольдек А.И. Электрические машины. – Л.: Энергия, 1974. – 840с.
Сапожников А.В. Конструирование трансформаторов. – М.; Л.: Госенергоиздат, 1959. – 360с.
Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины. – М.: Высшая школа, 1987. – ч.1. - 319с.
Дымков А.М. Расчет и конструкция трансформаторов. – М.: Высшая школа, 1971. – 320с.
Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. – Л.: Энергия, 1972. – Ч.1. – 544с.
Трансформаторы силовые. Общие технические условия. ГОСТ 11677- 85.
Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. – Л.: Энергия, 1970.
Копылов И.П. Электрические машины: учебник для вузов/ И.П.Копылов. – 5-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2006.
Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов - М.: Энергия, 1982.
Важнов А.И. Электрические машины. Учеб. для вузов – Л. Энергия, 1968.
Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. – СПб.: Издательство ДЕАН, 2003. Введены в действие с 1 июля 2003 г.
Покровский С.В., Шорохов Б.П. Расчет трансформатора: учеб.-метод. пособие к поверочному расчету трансформатора. – Чебоксары: ЧГУ, 1972.
Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. ГОСТ 13109-97. Изд-во стандартов, 1998
ELCUT. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ELCUT
ELCUT. Режим доступа: http://elcut.ru/index.htm
Расчёт магнитной проницаемости магнитопроводов в программе MU Calculator. Режим доступа: http://radio-hobby. org/modules/news/article. Php ?storyid=1030&com_id=4650&com_rootid=4649&com_mode=thread&
Потери в трансформаторе. Режим доступа: http://elcut.ru/advanced/ transformer_losses_r.htm














66



Ярмо

Межфазовая
перегородка

Стержень

а1

а12

а2

а22

δ01

δ12

δ22

ВН 2

ВН 2

НН 1

δц1

l01

δц2

l02

δш

δш

ац12

а01

а

b/

b

hв1

а/

X1

X2

X3

X4

X5

а)

в)

б)

Fp

Fp

Fp

Fp

Fсж,р

Fсж,р

b

а



n=8

б)

а)



s2

Hяк

s1

d1

hя

D//2

H

D//2

s5

lc

Hа.ч

n

s3

s4

hя

d2

n