Функціональний взаємозв'язок масогабаритних й енергетичних параметрів трансформаторів

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Функціональний взаємозв`язок масогабаритних й енергетичних параметрів трансформаторів

Абдула Мохаммед Махмуд Аль-Зурейгат

Донецьк - 2010

Размещено на http://www.allbest.ru//

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Загірняк Михайло Васильович,

ректор, зав. каф. електричних машин та апаратів,

Кременчуцький державний політехнічний університет імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України, м. Кременчук

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор

Заблодcький Микола Миколайович, проректор з наукової роботи,

Донбаський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Алчевськ;

кандидат технічних наук, доцент

Галайко Лідія Петрівна, доцент кафедри електричних машин,

Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Захист дисертації відбудеться: « 17 » червня 2010 р. о 1315 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.02 у Державному вищому навчальному закладі «Донецький національний технічний університет» за адресою:

Україна, 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 8-й навчальний корпус, ауд. 8.514.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» за адресою: Україна, 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й навчальний корпус.

Автореферат розісланий «14 » травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.02,

к.т.н., доцентА.М. Ларін

ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом в світі підсилюються тенденції до глобалізації й відкритості економіки. Зокрема, в Україні - як під впливом сусідства з Росією, так й у зв`язку з розвитком співробітництва в області трансформаторобудування із країнами Євросоюзу, і в країнах Близького Сходу - через відсутність у них власної електромашинобудівної індустрії, можливості вибору трансформаторів значно розширилися, відповідно, з`явилась необхідність у розробці критеріїв їх оцінки.

Вибір трансформаторів повинен враховувати якість проектування серії, у рамках якої вони випускаються. Однак, дотепер не розроблений комплексний критерій раціонального вибору трансформаторів. Така оцінка повинна базуватися не тільки на основі порівняння енергетичних характеристик, за якими обирають необхідний трансформатор: потужності, напруги обмоток, втрат короткого замикання й холостого ходу, напруги короткого замикання й струму холостого ходу, але й ураховувати масогабаритні параметри трансформаторів.

Тому встановлення закономірностей, що зв`язують потужність і геометричні розміри трансформаторів дає можливість сформулювати критерії раціонального вибору як потужних трансформаторів для роботи в енергосистемах України й країн Близького Сходу, так і трансформаторів спеціального призначення.

Питанням встановлення зв`язку між габаритними, електромагнітними й енергетичними характеристиками електричних машин й, зокрема, трансформаторів, і їх раціонального вибору присвячені роботи видатних вчених: Бергера О.Я., Відмара М., Вольдека О.І., Доліво-Добровольського М.О., Копилова І.П., Тихомірова П.М., Шинкаренка В.Ф. та ін.

У той же час запропоновані лише часткові залежності енергетичних характеристик трансформаторів від їх розмірів і маси. Існуючі залежності, що зв`язують окремі параметри деяких типів трансформаторів, не мають узагальнюючого характеру і є емпіричними.

Тому актуальним завданням є встановлення зв`язку між енергетичними й масогабаритними параметрами трансформаторів для раціонального вибору й визначення напрямків і розвитку.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає тематиці наукових робіт кафедри електромеханіки Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля згідно держбюджетної НДР ДН_19_01 «Моделювання взаємозв`язків геометричних й енергетичних параметрів електромеханічних процесів, пристроїв і технологічних систем енергозберігаючого напрямку», номер державної реєстрації №0101U003277, у якій автор був молодшим науковим співробітником - сумісником.

Мета й задачі дослідження. Метою дослідження є встановлення функціонального взаємозв`язку енергетичних й електромагнітних параметрів трансформаторів з їх геометричними розмірами шляхом уточнення існуючих залежностей для розробки критерію раціонального вибору й визначення напрямків розвитку трансформаторобудування.

Відповідно меті дослідження в роботі поставлені такі основні задачі:

 одержати спосіб визначення узагальненого лінійного розміру;

 одержати аналітичні залежності електромагнітних (щільності струму в обмотках, індукції в сердечнику) і енергетичні (потужності, втрат, струму холостого ходу й ККД) параметрів трансформаторів від узагальненого лінійного розміру;

 визначити взаємозв`язки габаритних розмірів і маси з узагальненим лінійним розміром; трансформатор електромагнітний габаритний

 експериментально дослідити залежності енергетичних параметрів трансформаторів від узагальненого лінійного розміру;

 обрати критерій раціонального вибору окремих трансформаторів та їх серій;

 визначити перспективи трансформаторобудування.

Об`єкт дослідження: взаємозв'язок між головними параметрами трансформаторів.

Предмет дослідження: встановлення залежностей між масогабаритними, електромагнітними й енергетичними параметрами трансформаторів.

Методи дослідження базуються на теорії електричних машин, теорії ймовірностей і математичної статистики, теорії похибок, а також методах математичного моделювання.

Ідея роботи. Дослідження взаємозв`язку геометричних, електромагнітних й енергетичних параметрів трансформаторів у широких межах їх змін дає можливість уточнити реальний діапазон їх взаємозалежностей й одержати критерій вибору трансформатора.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Уточнено відомі аналітичні залежності електромагнітних (щільність струму в обмотках, індукція в сердечнику) та енергетичних (потужність, втрати) параметрів трансформатора від узагальненого лінійного розміру. Згідно з цими залежностями, енергетичні параметри змінюються пропорційно четвертому степеню, а електромагнітні - є незмінними або пропорційними від'ємним степеням, меншим одиниці. Теоретично встановлено, що магнітна індукція в магнітопроводі трансформатора залишається практично незмінною при збільшенні узагальненого лінійного розміру, а щільність струму в обмотках геометрично подібних трансформаторів пропорційна лінійному розміру в степені -(1/2). Залежність потужності та втрат від узагальненого лінійного розміру є степінною з показником степеня 3,5...4 в залежності від магнітних параметрів магнітопровідного матеріалу та МРС первинної обмотки.

2. Вперше одержані аналітичні залежності енергетичних показників трансформатора (струм холостого ходу й ККД) від узагальненого лінійного розміру, в яких відносне значення втрат та струму холостого ходу обернено пропорційні узагальненому лінійному розміру.

3. Уперше встановлені аналітичні вирази, що дозволяють визначити габарити активної частини трансформатора за відомими потужністю й розмірами бака трансформатора, а також отримані вирази для критерію раціонального вибору.

Обґрунтованість і вірогідність наукових висновків і рекомендацій підтверджується дослідженнями сучасних і знятих з виробництва конструкцій трансформаторів широкого діапазону потужностей і напруг різного призначення, аналізом електромагнітних, енергетичних і габаритних характеристик, який проведено математично коректними методами теорії ймовірностей, теорії похибок, теорії кіл і теплопередачі. Теорія ймовірностей, дисперсійний аналіз та теорія похибок були використані для підтвердження статистичної достовірності одержаних експериментальних результатів; теорія кіл, теплопередачі та теорія електромагнітного поля використовувались для одержання теоретичних значень показників степеня залежностей електромагнітних та енергетичних параметрів трансформатора від узагальненого лінійного розміру. Коректність припущень у математичних моделях підтверджена перевіркою теоретичних положень на експериментальному матеріалі.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Уперше запропонований критерій раціонального вибору для окремих моделей однакової потужності й серій трансформаторів, що дає можливість порівнювати трансформатори, у тому числі й з різною системою охолодження, лише за їх геометричними розмірами.

2. На основі аналізу одержаних аналітичних залежностей електромагнітних (щільності струму в обмотках, індукції в сердечнику) і енергетичних (втрат і струму холостого ходу) параметрів трансформаторів від узагальненого лінійного розміру одержали подальший розвиток шляхи поліпшення енергетичних і масогабаритних параметрів трансформаторів: удосконалення обмоток шляхом виготовлення їх з різних провідникових матеріалів і використання обмотувального провідника у формі стрічки, а також виконання магнітопроводу з еліптичних сердечників.

Одержані результати використані в проектних організаціях (УкрНДІВЕ м. Донецьк) і на підприємствах електромашинобудівної промисловості (ВАТ «Первомайський електромеханічний завод» м. Первомайськ), при оцінці рівня трансформаторів, що виготовляють, в навчальному процесі на кафедрі електромеханіки Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля при викладанні курсу “Електричні машини” та на кафедрі електричних машин і апаратів Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського при викладанні курсу «Автоматизоване проектування електричних машин і апаратів».

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював завдання дослідження, наукові положення й результати, виконав теоретичну частину роботи, брав безпосередню участь у проведенні експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації й окремих розділів доповідалися, обговорювалися й одержали схвалення фахівців на міжнародних конференціях в 2001_09 р.р.

 «Інформаційна техніка й електромеханіка на порозі ХХ_го століття» (ІТЕМ-2001), Луганськ, Україна;

«Проблеми сучасної електротехніки-2002», Київ, Україна;

 «Університет і регіон_2002», Луганськ, Україна;

 «Інформаційна техніка й електромеханіка» (ІТЕМ-2003), Луганськ, Україна;

 XXVI International Conference on Fundamentals of Electrotechnics and Circuit Theory - IC_SPETO'2003, Glivice-Niedzica, Poland;

 16th International Conference on Electrical Machines - ICEM 2004, Cracow, Poland;

«Електромеханічні системи, методи моделювання і оптимізації», 2009 р., Кременчук, Україна.

Публікації: За темою дисертації опубліковано 10 робіт, у тому числі 7 друкованих праць в фахових наукових виданнях, що входять до переліку ВАК України і 3 в матеріалах міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг роботи. Повний обсяг дисертації складає 139 сторінок друкованого тексту і містить вступ, чотири розділи, висновки по роботі, список використаних джерел, один додаток. Список використаних джерел складається з 43 найменувань і розміщений на п'ятьох сторінках, додаток розміщено на семи сторінках. Дисертація містить 50 рисунків й 28 таблиць, з них шість рисунків й одна таблиця розміщені на чотирьох повних сторінках. Основну частину викладено на 124 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи й відбитий її зв`язок з науковими програмами, сформульовані мета й основні наукові й практичні завдання дослідження, зазначені наукова новизна й практична цінність одержаних результатів, а також рівень апробації роботи, наведена кількість публікацій по темі й особистий внесок автора.

У першому розділі “Аналіз існуючих теоретичних та експериментальних залежностей між енергетичними, електромагнітними і масогабаритними параметрами трансформаторів” проаналізований існуючий стан теорії взаємозв`язку масогабаритних й енергетичних характеристик трансформаторів.

Відповідно до відомих прямих і непрямих співвідношень, електромагнітна потужність трансформатора пропорційна четвертому, а маса - третьому степеню лінійного розміру.

Однак, в існуючих серіях трансформаторів є відхилення від зазначених залежностей. Крім цього, немає загальноприйнятого способу визначення узагальненого лінійного розміру (УЛР), що характеризував би габарити трансформатора. Також, електромагнітні навантаження, що приймалися як незмінні, можуть залежати від УЛР.

В зв`язку із цим необхідно уточнити взаємозв`язок масогабаритних параметрів трансформаторів й їх лінійних розмірів. Для цього необхідно вирішити наступні завдання:

1) одержати спосіб визначення узагальненого лінійного розміру;

2) одержати аналітичні залежності електромагнітних (щільності струму в обмотках, індукції в сердечнику) і енергетичних (потужності, втрат, струму холостого ходу й ККД) параметрів трансформаторів від узагальненого лінійного розміру;

3) визначити взаємозв`язки габаритних розмірів і маси з узагальненим лінійним розміром;

4) експериментально дослідити залежності енергетичних параметрів трансформаторів від узагальненого лінійного розміру;

5) обрати критерій раціонального вибору окремих трансформаторів та їх серій;

6) визначити перспективи трансформаторобудування.

На підставі одержаних теоретичних положень для розглянутих видів трансформаторів виникає завдання визначення взаємозв`язку габаритних розмірів, маси й енергетичних параметрів з УЛР із врахуванням одержаних аналітичних залежностей маси, електромагнітних (щільність струму, індукції в сердечнику) і енергетичних (потужності, втрат) параметрів трансформаторів від УЛР. Експериментальне дослідження залежностей енергетичних параметрів трансформаторів від УЛР має показати адекватність висунутих теоретичних положень. Як результат проведеної роботи має бути одержаний критерій раціонального вибору трансформаторів та їх серій.

У другому розділі “Уточнення залежностей енергетичних і електромагнітних параметрів від лінійних розмірів” проводиться визначення УЛР і встановлення залежностей енергетичних характеристик трансформаторів від нього.

Виходимо з наступних передумов при виборі УЛР:

1) для зручності використання УЛР повинен мати розмірність довжини;

2) вихідними даними для одержання УЛР повинні бути лише доступні паспортні дані;

3) УЛР повинен розраховуватися по відносно простих формулах без додаткових коефіцієнтів, інакше його буде важко використати.

Тому пропонується в якості УЛР прийняти середнє геометричне трьох габаритних розмірів трансформатора: довжини L, ширини B і висоти Н, тобто

,(1)

,(2)

де  - відповідно, УЛР розрахункового трансформатора серії й трансформатора, прийнятого в серії за базовий; Lb, Bb, Hb - довжина, ширина й висота трансформатора, прийнятого в серії за базовий.

Як встановлено дослідженнями Арнольда й інших учених, в електричних машинах залежності енергетичних параметрів від масогабаритних мають степеневий вигляд. Тому відповідно до аналізу літературних джерел щодо взаємозв`язку енергетичних і масогабаритних параметрів електромеханічних перетворювачів енергії, припускаємо, що залежність електромагнітної потужності S, маси M і потужності втрат трансформатора P від УЛР має вигляд:

;(3)

;(4)

,(5)

де  - коефіцієнти пропорційності;  - показники степеня.

Розрахунок показників степеня в залежностях електромагнітної потужності, маси й потужності втрат від УЛР (3)-(5), проводимо за наступними формулами:

,(6)

,(7)

,(8)

де  - показники степеня у формулах (3), (4) і (5), відповідно;  - електромагнітна потужність, маса й потужність втрат розрахункового трансформатора;  - те ж для трансформатора, прийнятого в серії за базовий.

Відхилення в значеннях показника степеня залежності електромагнітної потужності від УЛР можуть бути пояснені визначенням УЛР по габаритах бака трансформатора, а не його активної частини. Крім цього, необхідно приймати до уваги зміни електромагнітних навантажень трансформатора із зростанням УЛР.

Розглянемо вплив наявності бака трансформатора на взаємозв`язок УЛР й енергетичних характеристик.

Очевидно, що УЛР в (3)-(5) являє собою розмір, що відноситься до активної частини трансформатора. З іншого боку, трансформатори потужністю в десятки кВА й більше виготовляються в захищеному виконанні (у тому числі й з маслонаповненим баком). Однак, в умовах реального вибору й експлуатації трансформатора, як правило, відомі тільки габаритні розміри бака й УЛР , одержаний по габаритних розмірах .

Відповідно до (4)

S ~ ,(9)

а для УЛР, одержаного по габаритних розмірах, припускаємо

S ~ .(10)

де t - різниця між УЛР, визначеним по габаритних розмірах бака трансформатора й УЛР, визначеним по розмірах активної частини трансформатора; n - показник степеня залежності УЛР, одержаного по габаритних розмірах, від потужності.

Таким чином, різниця між УЛР, визначеним по габаритних розмірах бака трансформатора й УЛР, визначеним по розмірах активної частини трансформатора:

(11)

і показник степеня залежності УЛР, одержаного по габаритних розмірах, від потужності:

.(12)

Для порівняння трансформаторів різних розмірів уводимо поняття відносного сумарного зазору між баком й активною частиною:

.(13)

Залежність потужності трансформатора від УЛР найбільш адекватна теоретичним припущенням при прийнятті в якості останнього УЛР, що визначається по активній частині трансформатора. На підставі експериментальних даних одержані вирази, що пов`язують УЛР із обрахованим по баку (корпусу) трансформатора УЛР .

Одним зі шляхів подолання труднощів в одержанні однозначного й більш ясного функціонального зв`язку між геометричним розміром і потужністю трансформатора може бути поділ розміру на дві або більше складові. Одна з них має бути безпосередньо пов`язана з електромагнітною потужністю, інші можуть відбивати інші параметри: клас напруги обмоток, систему охолодження і і.н. Кожна з таких складових УЛР трансформатора буде мати свою взаємозалежність із енергетичними параметрами, що дозволить зробити залежність між геометричними й енергетичними параметрами більш прогнозованою.

Врахування впливу частоти струму, індукції магнітного поля в осереді трансформатора й щільності струму в його обмотках дає можливість уточнити значення показника степеня в залежності електромагнітної потужності від УЛР.

Приймаємо, що магнітна індукція в магнітопроводі трансформатора залишається незмінною при збільшенні УЛР, а щільність струму в обмотках геометрично подібних трансформаторів обернено пропорційна кореню квадратному з лінійного розміру.

Одержано залежність струму холостого ходу від УЛР:

,(14)

тобто, відносне значення струму холостого ходу зворотно пропорційно УЛР.

Залежність ККД від УЛР виражається формулою

,(15)

де n - коефіцієнт, і, таким чином, у залежність ККД УЛР входить із показником степеня -1.

У третьому розділі “Експериментальне дослідження взаємозв'язків лінійних розмірів і енергетичних параметрів” експериментально підтверджені запропоновані теоретичні залежності.

Для перевірки й уточнення одержаних залежностей розглянута їх застосовність на експериментальному матеріалі.

Як експеримент у даній роботі розглядається одержання габаритних й енергетичних характеристик трансформаторів за паспортними даними, кресленнями, шляхом вимірів з інших джерел.

Експериментальним матеріалом охоплений максимально широкий діапазон потужностей трансформаторів: від 63 ВА до 20 МВА й видів трансформаторів, як низької так і високої напруги, одно- і трифазних. Розглядалися трансформатори живлення; трансформатори низької напруги серії ОСМ1; трансформатори силові загального призначення серій ТРДМ, ТС, ТСЗ, ТМ, TTG (фірми AEG), Resibloc (фірми ABB), ZST (Болгарія), GETI (фірми ABB), TOH (DOH) (фірми ABB); трансформатори напруги ЗНОЛТ; автотрансформатори WUSLEY серії TDGC й TSGC (Китай). Саме ці трансформатори найбільше широко використовуються в країнах Близького Сходу.

Побудова графічних залежностей виконувалося в електронних таблицях Microsoft Excel, обробка експериментальних даних - у пакеті Mathcad.

Були одержані експериментальні залежності від УЛР:

а) електромагнітної потужності;

б) маси;

в) потужності втрат.

З розгляду залежностей показників степеня n у вищезгаданих залежностях, зроблений висновок про те, що найбільш адекватною є їх апроксимація методом найменших квадратів формулою виду

,(16)

де nc - постійна складова; nv - коефіцієнт; p - показник степеня.

Перевірка адекватності (16) експериментальним даним задовольняє F-критерію Фішера.

У цілому, показники степеня залежностей енергетичних параметрів від УЛР, відрізняються від теоретичних значень. Однак, криві, що відбивають дані залежності, асимптотично наближаються до теоретичних значень.

Для трансформаторів низької напруги підтверджуються теоретичні припущення про переважний вплив потужності на УЛР.

Показник степеня залежності електромагнітної потужності трансформаторів низької напруги від УЛР наближається до чотирьох.

Показник степеня залежності маси трансформаторів низької напруги від УЛР наближається до трьох.

Показник степеня залежності потужності втрат трансформаторів низької напруги від УЛР наближається до трьох.

У трансформаторах високої напруги на УЛР, поряд з потужністю, впливає й напруга. Одержані при розрахунках показники степеня значно відрізняються від теоретичних. При цьому з ростом класу напруги ця відмінність зростає. У трансформаторах високої напруги габаритні розміри визначаються не тільки електромагнітними навантаженнями, але й вимогами до електробезпечності: нормуванням величин ізоляційних проміжків.

Тому, для трансформаторів високої напруги доцільно розділити УЛР на дві складові:  - залежну від потужності, і - залежну від напруги:

.(17)

При цьому пропонується залежність від S у вигляді

,(18)

де nSa - показник степеневої залежності S від без впливу напруги й інших параметрів.

Функція від U спочатку пропонується лінійної:

,(19)

де k - коефіцієнт пропорційності.

Представляє інтерес вивчення залежності потужності від УЛР у трансформаторах, що мають різний тип подоби. Вище була розглянута зміна параметрів для трансформаторів при відсутності подоби: всі три габаритних розміри змінюються непропорційно один одному. Трансформатори можуть мати різні типи подоби: об`ємна, при якій всі три розміри змінюються однаково, площинна - у цьому випадку два розміри змінюються однаково або незмінні, а один змінюється довільно, і лінійна подоба має місце у випадку одного незмінного розміру й двох - що змінюються довільно.

Результати розрахунків показників степеня залежностей електромагнітної потужності від УЛР для трансформаторів з лінійною подобою відповідають теоретичним припущенням: лінійно збільшується площа обмотувального вікна й лінійно збільшується площа перетину магнітопроводу, таким чином, залежність потужності від УЛР при площинній подобі повинна бути квадратичною. У результаті розрахунків одержане значення показника степеня nSc = 2,01.

Результати розрахунків показників степеня залежностей електромагнітної потужності від УЛР для трансформаторів з лінійною подобою свідчать про те, що при лінійній подобі показник степеня залежності електромагнітної потужності від УЛР змінюється в межах 3,0...4,0, що збігається з теоретичними припущеннями. А саме: квадратично збільшується площа обмотувального вікна й лінійно збільшується площа перетину магнітопроводу, таким чином, залежність потужності від УЛР при лінійній подобі повинна мати показник степеня 3,0 і більше.

У четвертому розділі “Оцінка відповідності нових теоретичних і експериментальних залежностей. Критерії раціонального вибору конструкцій трансформаторів” розглянута відповідність теоретичних й експериментальних залежностей і розроблений критерій раціонального вибору.

У широкому діапазоні потужностей: від долей кВА до десятків МВА, показник степеня електромагнітної потужності від УЛР близький до теоретичного значення й відрізняється від нього в середньому на 2 % (табл. 1).

Показник степеня залежності маси від УЛР для трансформаторів різних типів також близький до теоретичного значення, відрізняючись від нього менш чим на 1 % (табл. 2).

Показник степеня залежності потужності втрат від УЛР для трансформаторів різних типів також близький до теоретичного значення, відрізняючись від нього менш чим на 4 % (табл. 3).

Проведений аналіз експериментальних даних, дає можливість укласти, що відносне значення втрат і відносне значення струму холостого ходу обернено пропорційні УЛР (рис. 4-5).

Критерієм раціонального вибору трансформатора є мінімум капітальних й експлуатаційних витрат.

Таблиця 1

Показники степеня залежності потужності від габаритних характеристик

Серія трансформаторів	Клас напруги, кВ	Мінімальна потужність, кВА	Максимальна потужність, кВА	n
ОСМ1	<1,0	0,063	2,5	3,99
ZST	12	25	1600	4,05
GETI	12	100	3150	4,08
	36	100	12500	3,98
Resibloc	12	250	2500	4,12
	24	250	2500	3,92
TOH (DOH)	36	6300	20000	4,31
Середнє	4,08

Таблиця 2

Показники степеня залежності маси від габаритних характеристик

Серія трансформаторів	Клас напруги, кВ	Мінімальна потужність, кВА	Максимальна потужність, кВА	n
ОСМ1	<1,0	0,063	2,5	2,94
ZST	12	25	1600	2,76
GETI	12	100	3150	2,96
	36	100	12500	2,96
Resibloc	12	250	2500	2,88
	24	250	2500	3,15
TOH (DOH)	36	6300	20000	3,23
Середнє	2,98

Відомі методики розрахунку й порівняння техніко-економічної ефективності трансформаторів вимагають використання великої кількості параметрів: маси матеріалів, питомої їх вартості й ін. Звичайно ці параметри невідомі. Тому виникає необхідність у розробці критерію, що враховував би тільки геометричні параметри трансформаторів.

Таблиця 3

Показники степеня залежності потужності втрат від габаритних характеристик

Серія трансформаторів	Клас напруги, кВ	Мінімальна потужність,	Максимальна потужність, кВА	n
ОСМ1	<1,0	0,063	2,5	2,46
ZST	12	25	1600	2,96
GETI	12	100	3150	2,93
	36	100	12500	2,79
Resibloc	12	250	2500	3,37
	24	250	2500	2,85
Середнє	2,89

Відповідно до розрахунків, експлуатаційні витрати CE, які характеризує показник степеня nP, перевищують капітальні CC, що характеризуються показником степеня nM, в 8,8 рази, тому при зіставленні показників множимо їх на відносну вагу коефіцієнтів у повній вартості трансформатора.

При зведенні показників степеня в один, генеральний показник, нормуємо їх, розділивши на теоретичні значення. Теоретичним значенням nP, як й nM, є 3, тому, з врахуванням вищевикладеного, записуємо генеральний показник ng у вигляді

.(20)

Порівняємо трансформатори серій GETI, Resibloc - сухі й ZST - масляні (табл. 4).

Таблиця 4

Порівняння параметрів трансформаторів GETI, Resibloc й ZST,

клас напруги 12 кВ

Серія	, мм	, мм	nSmint	nSmin	M	nMmin	P, Вт	nPmin	ng	n
400 кВА
ZST	1087	852	5,07	4,19	1600	2,9	6880	3,7	1,21	6,79
Resibloc	1514	904	4,63	3,26	1690	2,2	6000	2,7	0,88	5,23
GETI	1187	881	5,81	4,66	1380	3,2	5070	2,9	0,98	7,19
630 кВА
ZST	1270	1017	4,59	3,85	2080	2,6	9745	3,4	1,11	6,24
Resibloc	1612	982	5,64	4,07	2280	2,7	8000	3,0	0,99	6,42
GETI	1242	931	6,47	5,21	1950	3,6	8400	3,9	1,29	8,24
1000 кВА
ZST	1439	1169	4,45	3,77	3000	2,7	13850	3,3	1,08	6,11
Resibloc	1730	1072	5,91	4,41	3060	2,9	10800	3,1	1,03	6,91
GETI	1454	1121	5,21	4,27	2950	3,2	11500	3,1	1,04	6,73
1600 кВА
ZST	1600	1314	4,45	3,80	4950	2,9	19800	3,3	1,09	6,15
Resibloc	1865	1206	5,99	4,29	4500	3,0	15500	3,1	1,03	6,75
GETI	1591	1245	5,21	4,31	4300	3,2	16300	3,1	1,04	6,78

Як видно з табл. 4, у діапазоні потужностей 400-1600 кВА з розглянутих серій найбільш раціональним вибором є серія GETI, що має найменшу масу й досить низькі втрати. Показник nSmin також у трьох із чотирьох випадків у серії GETI є найбільшим, що додатково підтверджує ефективність цієї серії.

Показник ng є абсолютним, а для порівняння трансформаторів необхідний відносний показник:

,(21)

де n1, n2 - показники степеня залежності потужності втрат від УЛР для перших і другого порівнюваного трансформаторів; n1, n2 - показники степеня маси від УЛР для перших і другого порівнюваного трансформаторів; ng1, ng2 - абсолютні генеральні показники для перших і другого порівнюваного трансформаторів.

Якщо одержане значення ngr позитивно, то кращі показники має перший трансформатор, якщо ж негативно - то другий трансформатор.

Розрахуємо відносний генеральний показник ngr, зрівнявши трансформатори серій Resibloc й GETI потужністю 630 кВА:

.

Отже, кращі показники має другий трансформатор, що підтверджується більше високою величиною nSmin: 5,21 в GETI проти 4,07 в Resibloc.

Запропонуємо узагальнений показник, що враховує й величину n:

.(22)

Коефіцієнт 4/3 є відношенням теоретичних показників степеня залежностей потужності й втрат від УЛР.

Як видно з табл. 4, характер зміни узагальненого показника відбиває раціональність вибору серій трансформаторів, у цілому збігаючись із характером зміни nSmin.

Для знаходження критерію раціонального вибору серій трансформаторів необхідно порівняти показники, розраховані для трансформаторів максимальної потужності в серії при базовому трансформаторі мінімальної потужності:

,(23)

де n1, n2 - показники степеня залежності потужності втрат від УЛР для першої й другої порівнюваної серії трансформаторів; n1, n2 - показники степеня залежності маси від УЛР для першої й другої порівнюваної серії трансформаторів; n1S, n2S - показники степеня залежності потужності від УЛР для першої й другої порівнюваної серії трансформаторів.

Якщо одержане значення nr позитивно, то кращі показники має перша з порівнюваних серія трансформаторів, якщо ж негативно - то друга серія трансформаторів.

Удосконалення обмоток шляхом виготовлення їх з різних провідникових матеріалів і використання провідника зі стрічки по висоті обмотки дозволить зменшити габарити й вартість, а також поліпшити розподіл напруги.

Виконання магнітопроводу з еліптичних сердечників і застосування просторової магнітної системи дозволить зменшити габарити трансформатора, а також поліпшити розподіл магнітних потоків.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішене важливе науково-технічне завдання - установлений взаємозв'язок узагальненого лінійного розміру, маси й енергетичних параметрів сучасних трансформаторів, що використовуються в Україні й на Близькому Сході. Відповідно до мети роботи встановлений функціональний взаємозв'язок енергетичних й електромагнітних параметрів трансформаторів з їх геометричними розмірами, що має узагальнююче в порівнянні з існуючими, значення й, що відрізняється від існуючих врахуванням впливу розмірів бака, напруги обмотки ВН, частоти струму, індукції магнітного поля в сердечнику трансформатора й щільності струму в його обмотках. Використання результатів роботи дає можливість ще на стадії проектування комплексно оцінити технічний рівень трансформатора, що розробляється в порівнянні з існуючими, а в умовах виробництва - зробити раціональний вибір як окремого трансформатора, так і серії трансформаторів. Використання одержаного критерію призведе до істотного зниження часу й вартості створення нових серій трансформаторів. Також запропонований критерій раціонального вибору, що дає можливість вибрати для застосування економічно найбільш вигідний тип трансформатора або серію із уже існуючих з врахуванням як витрат на купівлю трансформатора, так й експлуатаційних витрат.

Основні наукові висновки роботи полягають у наступному:

1. Установлено, що в існуючих серіях трансформаторів є відхилення від загальноприйнятих залежностей: потужність трансформатора не пропорційна 4_му степеню лінійного розміру, маса трансформатора не пропорційна 3-му степеню лінійного розміру, а величини, що приймалися в межах однієї серії трансформаторів як незмінні, зокрема, щільність струму й ін., міняються при зміні узагальненого лінійного розміру.

2. Установлено, що залежності потужності й маси трансформаторів від узагальненого лінійного розміру, розрахованого по розмірах бака трансформатора, не укладаються у відомі теоретичні рамки. Припущення про вплив розмірів бака й напруги обмотки ВН дозволяють пояснити такі відхилення.

3. Показано, що в якості узагальненого лінійного розміру доцільно прийняти середнє геометричне розмірів активної частини трансформатора. Запропоновано поділ узагальненого лінійного розміру для високовольтних трансформаторів на дві частини: залежну від потужності й залежну від напруги. Установлено, що складова узагальненого лінійного розміру, що залежить від напруги, збільшується прямо пропорційно напрузі обмотки ВН.

4. Підтверджено відоме положення про те, що магнітна індукція в магнітопроводі трансформатора залишається практично незмінною при збільшенні узагальненого лінійного розміру. Теоретично встановлено й експериментально підтверджено, що щільність струму в обмотках геометрично подібних трансформаторів пропорційна лінійному розміру в степені -1/2

5. Врахування впливу частоти струму, індукції магнітного поля в сердечнику трансформатора й щільності струму в його обмотках дає можливість уточнити значення показника степеня в залежності електромагнітної потужності від узагальненого лінійного розміру. Експериментально підтверджене теоретичне припущення про те, що відносне значення втрат, а також струму холостого ходу, пропорційно узагальненому лінійному розміру у степені -1.

6. Установлено, що розрахунок узагальненого лінійного розміру по активній частині трансформатора дає можливість одержати середні значення показників степеневих залежностей: потужності - 4,08; маси - 2,98; потужності втрат - 2,89; близькі до теоретичних значень.

7. Розроблено критерій раціонального вибору на основі порівняння показників степеня залежностей потужностей втрат і маси від узагальненого лінійного розміру для окремих моделей однакової потужності й серій трансформаторів, що дає можливість порівнювати трансформатори і їх серії лише по відомих геометричних розмірах.

8. Доведено, що вдосконалення обмоток шляхом виготовлення зовнішніх - з алюмінію, як більше дешевого в порівнянні з міддю матеріалу, а внутрішніх, в 1,3 рази більш компактних у порівнянні з алюмінієм - з міді, і використання провідників зі стрічки по висоті обмотки дозволить зменшити габарити й вартість трансформатора, а також поліпшити розподіл напруги, а виконання магнітопроводу з еліптичних сердечників і застосування просторової магнітної системи дозволить зменшити до 1,5 разів габарити трансформатора, а також поліпшити розподіл магнітних потоків.

ОСНОВНІ НАУКОВІ ПОЛОЖЕННЯ Й РЕЗУЛЬТАТИ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Невзлин Б.И. Экспериментальное исследование зависимости мощности и массы трансформаторов от их габаритов / Б.И. Невзлин, М.В. Загирняк, Аль-Зурейгат А.М., М.Н. Баранов // Вісник Східноукраїнського національного університету. - 2001. - № 3. - С. 56-59.

2. Невзлин Б.И. Об определении составляющих обобщенного линейного размера трансформатора / Б.И. Невзлин, М.В.Загирняк, Аль-Зурейгат А.М.// Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. - 2002. - Ч. 3. - С. 63-64.

3. Невзлин Б.И. Уточнение аналитических зависимостей мощности от геометрических размеров трансформаторов / Б.И. Невзлин, М.В. Загирняк, Ю.Ю. Дьяченко, Аль-Зурейгат А.М. // Збірник наукових праць Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - Луганськ, 2002. - Частина друга. - С. 108-109.

4. Невзлин Б.И. Анализ взаимосвязи энергетических параметров трансформаторов с обобщенным линейным размером / Б.И. Невзлин , М.В. Загирняк , Аль-Зурейгат А.М., Ю.Ю. Дьяченко // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія „Електротехніка і енергетика”. - 2003. - Вип. 67. - С. 182-184.

5. B.I. Nevzlin. Analysis of Dependences of Transformer Energy Parameters in Generalized Linear Dimension / B.I. Nevzlin, Y.Y. Dyachenko, A.M. Al-Zureigat, M.V. Zagirnyak, O. Benaissa // 16th International Conference on Electrical Machines - ICEM 2004, Cracow, Poland. - P. 895-896.

6. B.I. Nevzlin. Interdependences of Transformers Efficiency and Current on Generalized Linear Dimension / B.I. Nevzlin, M.V. Zagirnyak, Y.Y. Dyachenko, A.M. Al-Zureigat. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - 2005. - № 6. - С. 73-75.

7. B.I. Nevzlin. Investigation of Dependences of Transformer Efficiency and Current on Generalized Linear Dimension / B.I. Nevzlin, Y.Y. Dyachenko, A.M. Al-Zureigat, M.V. Zagirnyak, Omar Benaissa // XV Simpozjum PTZE. - Warszawa, Poland, 2005. - P. 129-131.

8. Загирняк М.В. Функциональная взаимосвязь массогабаритных и энергетических параметров тарнсформаторов. Часть 3. Оценка соответствия новых теоретических и экспериментальных зависимостей. Критерий рационального выбора трансформаторов / М.В. Загирняк, Б.И. Невзлин, Ю.Ю. Дьяченко, А.М.М. Аль-Зурейгат. // Известия вузов. Электромеханика. - 2007. - № 2. - С. 11-21.

9. Загирняк М.В. Критерий рационального выбора конструкций трансформаторов / М.В. Загирняк, Б.И. Невзлин, Ю.Ю. Дьяченко, А.М.М. Аль-Зурейгат. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - Кременчук: КДПУ імені Михайла Остроградського, 2009. - Вип 3/2009 (56), ч. 1. - С. 57-60.

10. M.V. Zagirnyak. Separating transformer generalized geometric size on components / M.V. Zagirnyak, B.I. Nevzlin, A.N. Demyanenko, A. Al-Zureigat // Proceedings of the 26-th International Conference on Fundamentals of Electrotechnics and Circuit Theory - IC-SPETO'2003. - Glivice- Niedzica, 2003, vol. 2. - P. 435-437.

Особистий внесок у роботах, опублікованих у співавторстві: [1] - запропонував формули для розрахунку показників степеня в залежності; [2] - одержав остаточні вираження й чисельні рішення для наведених значень; [3] - провів аналіз причин розходжень між теоретичними й експериментальними залежностями; [4] - провів експериментальне дослідження запропонованих залежностей; [5] - проаналізував експериментальні залежності; [6] - підготував і проаналізував експериментальні дані; [7] - виконав обробку експериментальних результатів; [8] - підготував і проаналізував теоретичні та експериментальні дані; [9] - запропонував критерій раціонального вибору трансформаторів; [10] - запропонував розділення ОЛР на компоненти.

АНОТАЦІЯ

Абдула Мохаммед Махмуд Аль-Зурейгат. Функціональний взаємозв'язок масогабаритних та енергетичних параметрів трансформаторів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - електричні машини та апарати.--ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», Донецьк, 2010.

Дисертація присвячена питанням уточнення відомих залежностей між масогабаритними та енергетичними параметрами трансформаторів для розробки критерію раціонального вибору і визначення напрямків розвитку. Сформульовано узагальнений лінійний розмір для трансформаторів. Визначено взаємозв'язок габаритних розмірів, маси й енергетичних показників з узагальненим лінійним розміром. Одержано аналітичні залежності маси, електромагнітних (індукції магнітного поля в сердечнику трансформатора й щільності струму в його обмотках) і енергетичних (потужності, втрат) параметрів трансформаторів від узагальненого лінійного розміру. Проведено експериментальне дослідження залежностей енергетичних параметрів трансформаторів від узагальненого лінійного розміру. Обрано критерій раціонального вибору окремих трансформаторів та їх серій. Спрогнозовано шляхи покращення енергетичних та масогабаритних параметрів трансформаторів. Проведені дослідження, які підтверджують одержані результати.

Ключові слова: трансформатор, масогабаритні параметри, енергетичні параметри, критерій раціонального вибору.

АННОТАЦИЯ

Абдула Мохаммед Махмуд Аль-Зурейгат. Функциональная взаимосвязь массогабаритных и энергетических параметров трансформаторов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - электрические машины и аппараты.- ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, 2010.

Диссертация посвящена установлению функциональной взаимосвязи энергетических и электромагнитных параметров трансформаторов с их геометрическими размерами путем уточнения существующих зависимостей с целью разработки критерия их рационального выбора и определения направлений развития трансформаторостроения.

В диссертации выбран обобщенный линейный размер трансформатора, определен теоретический характер зависимостей мощности и массы, электромагнитных параметров и энергетических параметров трансформатора от обобщенного линейного размера, которые подтверждены экспериментальными данными и предложен критерий рационального выбора отдельных моделей и серий трансформаторов.

Предлагается в качестве обобщенного линейного размера принять среднее геометрическое трех габаритных размеров трансформатора: длины, ширины и высоты.

Установлено, что в существующих сериях трансформаторов имеются отклонения от общепринятых зависимостей: мощность трансформатора не пропорциональна 4-й степени линейного размера, масса трансформатора не пропорциональна 3-й степени линейного размера, а величины, принимавшиеся в пределах одной серии трансформаторов как неизменные, в частности, плотность тока и др., меняются при изменении обобщенного линейного размера.

Установлено, что зависимости мощности и массы трансформаторов от обобщенного линейного размера, определенного по размерам бака трансформатора, не укладываются в известные теоретические рамки. Предположения о влиянии размеров бака и напряжения обмотки ВН позволяют объяснить такие отклонения.

Показано, что в качестве обобщенного линейного размера целесообразно принять среднее геометрическое размеров активной части трансформатора. Предложено разделение обобщенного линейного размера для высоковольтных трансформаторов на две части: зависящую от мощности и зависящую от напряжения. Установлено, что составляющая обобщенного линейного размера, зависящая от напряжения, увеличивается прямо пропорционально напряжению обмотки ВН.

Подтверждено известное положение о том, что магнитная индукция в магнитопроводе трансформатора остается практически неизменной при увеличении обобщенного линейного размера. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что плотность тока в обмотках геометрически подобных трансформаторов пропорциональна линейному размеру в степени -Ѕ.

Учет влияния частоты тока, индукции магнитного поля в сердечнике трансформатора и плотности тока в его обмотках позволяет уточнить значение показателя степени в зависимости электромагнитной мощности от обобщенного линейного размера. Экспериментально подтверждено теоретическое предположение о том, что относительное значение потерь, а также тока холостого хода, пропорционально обобщенному линейному размеру в степени -1

Установлено, что расчет обобщенного линейного размера по активной части трансформатора позволяет получить средние значения показателей степенных зависимостей: мощности - 4,08; массы - 2,98; мощности потерь - 2,89; близкие к теоретическим значениям.

Разработан критерий рационального выбора на основе сравнения показателей степени зависимостей мощностей потерь и мссы от обобщенного линейного размера для отдельных моделей одинаковой мощности и серий трансформаторов, позволяющий сравнивать трансформаторы и их серии лишь по известным их геометрическим размерам.

Доказано, что усовершенствование обмоток путем изготовления наружных - из алюминия, как более дешевого по сравнению с медью материала, а внутренних, в 1,3 раза более компактных по сравнению с алюминием - из меди, и использования проводников из ленты по высоте обмотки позволит уменьшить габариты и стоимость трансформатора, а также улучшить распределение напряжения, а выполнение магнитопровода из эллиптических сердечников и применение пространственной магнитной системы позволит уменьшить до 1,5 раз габариты трансформатора, а также улучшить распределение магнитных потоков.

Проведены экспериментальные исследования. Для экспериментального подтверждения теоретических положений были исследованы следующие трансформаторы в диапазоне мощностей от 0,063 до 20000 кВА низкого и высокого напряжения, а также трансформаторы специального назначения.

Таким образом, в результате проведенных исследований достигнута поставленная цель - разработан критерий рационального выбора отдельных моделей и серий трансформаторов.

Ключевые слова: трансформатор, массогабаритные параметры, энергетические параметры, критерий рационального выбора.

ABSTRACT

Abdulah Mohmmed Mahmoud Al-Zureigat Functional interrelation between mass-dimensions and energetic parameters of transformers. - Manuscript.

Thesis on competition of candidate of engineering science scientific degree on speciality 05.09.01 - electrical machines and apparatuses. - Donetsk National Technical University, Donetsk, 2010.

Thesis devoted to specification of known dependences between mass-dimensions and energetic parameters of transformers for elaboration of criterion of rational selection and determination of ways of development. Formulated is the generalized linear size for transformers. The interrelation of overall dimensions, weights and power parameters with the generalized linear size is determined. Analytical dependences of weight, electromagnetic (induction in transformer core and density of current in windings) and power (power, losses) parameters of transformers on the generalized linear size are received. Experimental dependences of power parameters of transformers on the generalized linear size are investigated. The criterion of an rational selection of transformers and its series is chosen. Proposed are new ways for improvement of energy and mass-dimension parameters of transformers. Investigations which confirmed of received results are conducted.

Keywords: transformer, mass-dimensions parameters, energetic parameters, criterion of rational choice.

Размещено на Allbest.ru

...