Трифазні трансформатори з ефективним використанням конструктивного об’єму

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНІЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ТРИФАЗНІ ТРАНСФОРМАТОРИ З ЕФЕКТИВНИМ ВИКОРИСТАННЯМ КОНСТРУКТИВНОГО ОБ'ЄМУ

Ставинський Ростислав Андрійович

Одеса - 2003

Анотаціїї

Ставинський Р.А. Трифазні трансформатори з ефективним використанням конструктивного об'єму. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - “Електричні машини і апарати”. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2003.

Показана можливість підвищення компактності та зниження матеріалоємності трифазних трансформаторів (ТТ) малої і середньої потужності на основі симетричної просторової електромагнітної системи (ЕМС) при використанні принципу паралельності стінок обмоткових вікон. Виконано порівняльний аналіз вказаної ЕМС з планарною системою за принципом електромагнітної еквівалентності. Отримана математична модель (ММ), яка дозволяє визначити головні розміри та геометричні співвідношення ЕМС ТТ з варіантами запропонованих витих просторових магнітопроводів (ВПМ) с шестигранним и тригранним внутрішніми контурами ярма. Розроблено спрощена ММ якісного аналізу особливостей розподілу магнітного поля в елементах ВПМ та розроблена методика розрахунку магнітного кола, яка враховує вказані особливості. Також розглянуто особливості розподілу теплового поля обмоток просторової ЕМС з ВПМ та запропоновано технічні рішення інтенсифікації тепловідводу.

Ключеві слова: трифазний трансформатор, просторова електромагнітна система, витий магнітопровід, математична модель, магнітне поле, магнітне коло, температура обмотки.

Ставинский Р.А. Трехфазные трансформаторы с эффективным использованием конструктивного объема. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - “Электрические машины и аппараты”. Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2003.

В диссертационной работе рассмотрены вопросы повышения компактности и снижения материалоемкости трехфазных трансформаторов (ТТ) малой и средней мощности без ухудшения их энергетических характеристик на основе использования электромагнитной системы (ЭМС) с витым пространственным магнитопроводом (ВПМ).

Выполнен анализ особенностей и показаны преимущества применения указанной системы в комплектных электромеханических устройствах блочного исполнения, а также анализ конструкций и технологий производства магнитопроводов. Основным недостатком существующих технических решений пространственных ЭМС с прямоугольной и круглой формой сечения стержней является невысокий коэффициент заполнения объема ограниченного габаритными размерами активной части. Усовершенствование статических электромагнитных устройств с пространственной ЭМС возможно способом уменьшения межосевого расстояния геометрических центров сечений стержней на основе параллельности стенок обмоточных окон при использовании конфигураций ярма с шести или трехгранным внутренним контуром, а также стержней и катушек обмоток секторной формы.

Разработаны варианты математической модели (ММ) функциональной связи исходных данных, электромагнитных нагрузок и геометрических соотношений нескольких конструкторско-технологических решений ЭМС с ВПМ. В качестве управляемых переменных ММ предложены геометрические координаты отношения а диаметров контурных окружностей магнитопровода, отношение _O высоты и ширины обмоточного окна, а также центральный угол _с внутреннего контура стержня.

Выполнен сравнительный анализ материалоемкости пространственной и планарной ЭМС ТТ с параллельными стенками обмоточных окон. Сравнение электромагнитно эквивалентных вариантов показало, что объем стали и меди ТТ с пространственной ЭМС меньше соответственно на 25...40% и 3...6% в реальных диапазонах изменений _O =0,5...5 и _C(_CC) = 1...2, где _C(_CC) - отношение длины и ширины (средней ширины) стержня соответственно прямоугольного и секторного сечения.

На основе метода удельной проводимости зазора и уравнения Лапласа для скалярного магнитного потенциала разработана упрощенная ММ качественного анализа магнитного поля в элементах ВПМ. Получены формулы магнитных напряжений участков магнитной цепи, поправочного коэффициента магнитного напряжения ярма, а также геометрических висот ярма.

Разработана методика расчета распределения индукции магнитного поля в стыковом зазоре, стержнях и ярме с учетом, на основе метода последовательных приближений, насыщения ферромагнитных элементов магнитной цепи. Усовершенствована методика расчета суммарной МДС фазы, тока холостого хода и потерь в стали.

Выполнен анализ особенностей распределения теплового поля обмоток ТТ с параллельными стенками обмоточных окон ВПМ и предложены технические решения улучшения теплового состояния.

Разработан, изготовлен и поставлен в опытно-промышленную эксплуатацию ТТ с ВПМ мощностью 6.3 кВА. Испытания и экспериментальные исследования указанного образца подтвердили адекватность разработанных ММ и соответствие теоретических и практических выводов полученным опытным результатам.

Ключевые слова: трехфазный трансформатор, пространственная электромагнитная система, витой магнитопровод, математическая модель, магнитное поле, магнитная цепь, температура обмотки.

Stavinskii R.A. Three-phase transformers with an effective utilization of constructive volume. - Manuscript.

The thesis on competition of candidate engineering science scientific degree in speciality 05.09.01 - “Electrical machines and apparatus”. The Odessa national polytechnic university, Odessa, 2003.

The improvement of low-power and average-power three-phase transformers with spatial magnetic system is reached by the offered way of reduction of interaxial distance of the geometrical centres of sections of cores. The specified way is realized in the developed technical decisions spatial cores with parallel walls of winding windows. The comparative analysis is executed and the advantages of the specified technical decisions of spatial magnetic system of rather flat analogue are shown. The mathematical model of functional connection of the main sizes and geometrical ratio of variants cores and windings of the offered designs is developed. Mathematical model of the qualitative analysis of features of distribution of a magnetic field in core also is developed. The results of the decision of a field task are used for improvement of a technique of account of a magnetic circuit. The technique is advanced on the basis of the account of non-uniformity of distribution of a magnetic field in elements spatial core. The analysis of features of distribution of temperature of windings is executed. The technical decisions of improvement of a thermal condition of the transformer are offered.

Key words: the three-phase transformer, spatial electromagnetic system, twisted core, mathematical model, magnetic field, magnetic circuit, temperature of winding.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Головним напрямом розвитку пристроїв електромеханіки і систем електрообладнання стає комплексне ресурсозбереження. Важливими складовими елементами електротехнічних систем і комплексів промислового та спеціального призначення є трифазні трансформатори (ТТ) малої і середньої потужності, які використовуються в різноманітних виробах електротехнічної, радіоелектронної, суднобудівної та інших галузей промисловості. Розвиток наземного та водного транспорту, авіації і космонавтики вимагає використання спеціальних ТТ підвищеної компактності. Активна частина (АЧ) сучасних ТТ малої потужності і початкових габаритів середньої потужності складається з концентричних або дискових обмоток та планарного магнітопровода. Конструктивна схема і геометричні співвідношення елементів магнітопровода визначають не тільки витрати на матеріали, але і вагу, габаритні розміри та експлуатаційні показники. Одним із засобів зниження матеріалоємності ТТ є застосування просторової електромагнітної системи (ЕМС). Однак конструкції і технології виготовлення просторових магнітопроводів, що використовуються в ТТ і реакторах середньої та підвищеної потужності, технологічно нераціональні для виробництва статичних індукційних пристроїв (СІП) малої потужності, а також менших габаритів середньої потужності. Тому магнітопроводи вказаних пристроїв виконуються з Ш-подібних пластин, які виготовляються способом штамповки з відходами електротехнічної сталі, або з прямокутних пластин. Використання для ТТ планарних стрічкових магнітопроводів по типу однофазних обумовлює збільшення маси і витрат сталі. В обох варіантах ТТ підвищені витрати обмоткової міді внаслідок необхідності скруглення обмоткових котушок в кутових зонах прямокутного перерізу стержнів. У цілому на виробництво ТТ малої та середньої потужності щорічно витрачається тисячі тон дорогих електротехнічної сталі і обмоткової міді. Важливим показником технічного рівня сучасних ТТ згаданої потужності є компактність, конструктивна відповідність блокам електрообладнання та придатність до вбудовування. Тому задача розробки і виробництва компактних ТТ зі зниженою матеріалоємністю є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Дисертаційна робота входить до комплексу науково-дослідницьких робіт в області енергоресурсозбереження, які виконуються відповідно до закону України “Про енергозбереження”. Результати виконаних досліджень складали основу держбюджетної теми №21/1269 “Дослідження особливостей трифазних трансформаторів малої потужності з магнітопроводами просторової структури”.

Мета і задачі досліджень. Робота спрямована на розв'язання задачі розробки технічних рішень та методики розрахунку ТТ з варіантами просторової ЕМС нетрадиційної конструкції. Її основною метою є забезпечення можливості поліпшення масогабаритних показників вказаних ТТ без погіршення їх енергетичних характеристик.

Для досягнення вказаної мети були поставлені такі задачі:

- розробка та порівняльний аналіз конструкторсько-технологічних рішень, які забезпечують зниження масогабаритних показників ТТ на основі витих просторових магнітопроводів (ВПМ) нетрадиційної геометрії;

- розробка математичної моделі (ММ), що забезпечує можливість визначення головних розмірів АЧ і геометричних співвідношень варіантів ВПМ та котушок обмотки при паралельності стінок обмоткових вікон;

- аналіз особливостей робочого процесу, зокрема дослідження специфіки розподілу магнітного поля в елементах магнітопровода;

- розробка методики розрахунку магнітного кола з врахуванням особливостей розподілу магнітного поля;

- розробка і виготовлення експериментального зразку ТТ і проведення експериментальних досліджень впливу просторової схеми ЕМС і ВПМ на розподіл магнітного та теплового полів в елементах АЧ.

Об'єкт дослідження - ТТ підвищеної компактності та зниженої матеріалоємності на основі симетричних ВПМ.

Предмет досліджень - конструкторсько-технологічні рішення ЕМС і особливості робочого процесу, а також математичне моделювання ТТ з нетрадиційними ВПМ.

Методи дослідження. При розв'язуванні поставлених в дисертаційної роботі задач використовувалася теорія електромагнітних перетворювачів, електричних і магнітних кіл, методи гармонічного аналізу і розв'язок рівняння Лапласа для скалярного магнітного потенціалу, а також методи порівняльного аналізу і послідовних наближень. Достовірність отриманих теоретичних результатів підтверджена результатами випробувань і експериментальних досліджень дослідного зразка.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше визначено способи зниження матеріалоємності і забезпечення компактності ТТ з просторовою ЕМС на основі аналізу конструкцій і технологій виготовлення магнітопроводів і застосування нетрадиційних конфігурацій елементів симетричних ВПМ і котушок обмоток.

2. Вперше запропоновано конструкції і маловідхідні способи виготовлення нетрадиційних ВПМ на основі відомих технологій намотки і розрізання, а також штамповки заготовок зі стрічки електротехнічної сталі.

3. Вперше розроблена ММ, яка дозволяє визначати головні та допоміжні розміри елементів АЧ ТТ з врахуванням особливостей конфігурацій і варіантів технології запропонованих конструкцій ВПМ.

4. Отримані рівняння, що визначають залежності показників матеріалоємності та залежності площин периферійних поверхонь охолодження обмоток від геометричних співвідношень планарної і просторової систем АЧ з паралельними стінками обмоткових вікон, а також виконано порівняльний аналіз вказаних систем.

5. Вперше розроблена спрощена ММ якісного аналізу особливостей та встановлена суттєва нерівномірність розподілу магнітного поля у елементах магнітного кола просторової ЕМС зі стиковим ВПМ.

6. Отримала подальший розвиток методика розрахунку магнітного кола і струму неробочого ходу ТТ з ВПМ на основі врахування нерівномірності розподілу магнітного поля в елементах магнітного кола.

7. Вперше встановлена радіальна нерівномірність розподілу теплового поля обмотки просторової ЕМС, а також виконано аналіз і визначені способи врахування особливостей теплових процесів при проектуванні ТТ з ВПМ.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені конструкторсько-технологічні рішення дозволяють знизити матеріалоємність просторової ЕМС, а також забезпечити компактність ТТ. Дослідження розподілу магнітного поля у ВПМ дозволяє уточнити розрахунок магнітного кола і характеристик, що забезпечує можливість підвищення якості проектування трансформаторів малої та середньої потужності з ВПМ, зокрема більш точного розрахунку струму неробочого ходу і зниження втрат у сталі. Врахування особливостей розподілу теплового поля обмотки створює можливість забезпечення надійності ТТ на стадії проектування. Результати досліджень впроваджено в центрі підводної техніки УДМТУ при розробці ТТ системи електрообладнання підводного апарату, а також при розробці та виготовленні спеціального суднового електрообладнання.

Особистий внесок здобувача. Всі результати та висновки, що складають основну частину дисертації, належать дисертанту. Роботи [1, 2, 3, 8, 9] опубліковані здобувачем особисто. У друкованих працях, що опубліковані у співавторстві, дисертанту належать: [4, 11] - методика порівняльного аналізу просторового і планарного трансформаторів; [5] - методика розрахунку головних розмірів і геометричних співвідношень магнітопровода і обмоток; [6] - методика розрахунку головних розмірів; [7, 12] - виконання і аналіз результатів експериментальних досліджень; [10] - методика розрахунку магнітного кола і струму неробочого ходу.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати роботи доповідалися і обговорювалися: на наукових конференціях міжнародних шкіл з моделювання AMSE - UAPL, Алушта, 2000 та Львів, 2001; ІІІ міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми енергозбереження та екології в суднобудуванні”, Миколаїв, 2002; міжнародної науково-технічної конференції “Кораблебудування: освіта, наука, виробництво”, Миколаїв, 2002; міжнародному симпозіумі “Проблемы совершенствования электрических машин и аппаратов. Теория и практика. (SIEMA` 2002)”, Харків, 2002; ІІ міжнародної науково-технічної конференції “Інформаційна техніка і електромеханіка (ІТЕМ - 2003)”, Луганськ, 2003.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 12 друкованих робіт: 8 статей у наукових журналах, з яких 7 є фаховими виданнями, 4 - матеріали науково-технічних конференцій. Також отримано 3 патенти України на винаходи.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних літературних джерел зі 100 найменувань, додатку. Загальний обсяг роботи 157 сторінок. Вона містить 132 сторінки основного тексту, 54 рисунки, 14 таблиць.

2. Структура і зміст дисертації

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі досліджень, наведені основні положення, що визначають наукове та практичне значення отриманих результатів досліджень.

У першому розділі розглядається сучасний стан питань дослідження. Здійснено аналіз робіт по використанню та дослідженню, а також з питань зниження матеріалоємності і поліпшення конструкції ТТ. Проведено огляд існуючих конструктивних схем АЧ та технічних рішень планарних і просторових магнітопроводів.

ТТ малої і середньої потужності широко використовуються як силові та вимірювальні елементи в системах електрообладнання і пристроях перетворювання та регулювання параметрів електричної енергії різноманітного призначення. Наведено приклади та показані переваги використання ТТ з просторовою ЕМС у системах електрообладнання блочного виконання, що містять обертові електромеханічні перетворювачі.

Практикою трансформаторобудування визначені дві основні конструктивні схеми магнітопровода: планарна та просторова.

Основними недоліками АЧ існуючих СІП невеликої потужності є невідповідність кутових скруглень обмоткових котушок прямокутному перерізу стрижнів. ТТ планарної системи відрізняються асиметрією струмів неробочого ходу по фазах. До недоліків існуючих ТТ з просторовою ЕМС можна віднести невеликий коефіцієнт заповнення геометричного об'єму елементами АЧ. Аналіз показує, що найбільш прогресивними з точки зору технології і трудоємності виробництва є магнітопроводи, що виконуються способом намотки стрічки електротехнічної сталі (ЕТС). Також виконано аналіз можливості удосконалення СІП при використанні симетричних просторових магнітопроводів (СПМ). Показано, що удосконалення СІП, що містять СПМ, можливо способом зменшення міжосьової відстані геометричних центрів перерізів стрижнів. Зроблені висновки про можливості і доцільність удосконалення вказаним способом ТТ малої і середньої потужності.

Розробка аналітичних залежностей, що складають ММ варіантів просторових ЕМС, ускладнена більшою (відносно планарних магнітопроводів) кількістю елементів геометрії стрижня і можливістю забезпечення розрахункової площини перерізу стрижня при різних геометричних співвідношеннях вказаних елементів. Згадане ускладнення можна подолати при використанні певних керованих координат. Як незалежні керовані координати визначені відношення “а” зовнішнього Д₃ та внутрішнього Д_В діаметрів контурних кіл магнітопровода, відношення _O висоти h_o і ширини b_o обмоткового вікна, а також центральний кут _с внутрішнього контура стрижня. На основі вказаних координат отримано вирази, що надають можливість визначення геометричних співвідношень елементів варіантів двох конфігурацій магнітопроводів і середньої довжини витків шести варіантів котушок обмоток, які відрізняються конструкцією та перетином (радіусом закруглення) витків.

Виконано порівняльний аналіз еквівалентних ТТ просторової і планарної магнітних систем. Згідно до принципу електромагнітної еквівалентності можуть бути порівняні трансформатори з однаковими площинами П_С стрижнів, однаковими обмотковими даними, а також однаковими площинами П_О обмоткових вікон і радіусами скруглення внутрішніх витків котушок.

Об'єм магнітопровода V_пр і середня довжина витка l_W котушки дискової обмотки просторової ЕМС (рис. 1, а і в) визначаються виразами:

; (1)

, (2)

де _CC - відношення довжини середнього шару ЕТС стрижня до довжини l_Я ярма ВПМ.

Об'єм шихтованого магнітопровода V_пр і середня довжина витка l_WK котушки дискової обмотки планарного стрижневого трансформатора визначаються виразами:

; (3)

, (4)

де _C - відношення сторін прямокутного перерізу стрижня.

Графічна інтерпретація результатів порівняння об'ємів магнітопроводів при зміні _O і варіації коефіцієнтів _CC, _CC подана на рис. 2 та відповідає ТТ потужністю 1 кВ·А. Згідно виразам (1) - (4) об'єм ВПМ на 25...40 % менший у діапазоні зміни _O = 0,5…5, _CC = _C = 1…2, а l_W просторової ЕМС на 3...6 % менше відносно l_WK еквівалентного планарного ТТ.

У другому розділі також розглянуті особливості технології виробництва витих СПМ. Запропоновано способи виготовлення ВПМ, що ґрунтуються на технологіях штамповки виїмок при намотці заготівок (відходи електротехнічної сталі 25...35%) та розрізання заготівок після їх намотки (відходи 3...5%). Також запропоновано маловідхідні способи виготовлення ВПМ з використанням технологій розрізання та опресовки коаксіальних кільцевих стрічкових заготівок.

Результати аналізу та розрахунки, що виконані з використанням отриманих залежностей, свідчать про можливість і доцільність удосконалення ЕМС та ТТ на основі ВПМ з паралельними стінками обмоткових вікон.

Третій розділ присвячений розгляду теоретичних питань та способів врахування особливостей робочого процесу ТТ з ВПМ.

З метою дослідження електромагнітних особливостей на основі понять і методів обертової результуючої магніторушійної сили (МРС) F(, t), питомої провідності зазору () і скалярного магнітного потенціалу (де і t - координати простору і часу), розроблена спрощена ММ якісного аналізу магнітного поля в елементах варіантів симетричного ВПМ. Згідно вказаної моделі результуюча МРС створює поле з розподілом індукції

= . (5)

Розглядається задача магнітостатики з використанням лінійної розгортки магнітного кола у декартових координатах. Відповідно уявляється, що по контурах магнітного кола замикається обертове магнітне поле взаємоіндукції компактних обмоток, створене МРС F(х), амплітуда якої періодично змінюється від до . МРС (х) приблизно визначається сумою (х) двох гармонік (х) і (х) порядку = 1 та = 2 (рис. 3, г). Згідно до виконаного аналізу, розподіл магнітного поля ВПМ ускладнюється парними і непарними гармоніками МРС (порядковий номер 3c, де c = 1, 2, 3,...?) та гармоніками провідності кратними трьом (рис. 3, д), а також визначається періодичними функціями, що дає можливість використання рівняння Лапласа для скалярного магнітного потенціалу, наприклад у декартових координатах.

, (6)

де і BI - амплітуди -ї гармоніки МРС і -ї гармоніки індукції у стиковому зазорі на радіусі Ri;