Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.314.6

Экспериментальное исследование гибридного магнитопровода трансформатора

Гусаков Д.В.

Уфимский государственный авиационный технический университет E-mail: gusakov.den@mail.ru

Статья посвящена экспериментальному исследованию гибридного магнитопровода, состоящего из аморфного магнитного материала и прецизионной магнитно-мягкой стали для трансформатора. В качестве объекта исследования, рассмотрено трансформаторновыпрямительное устройство с гибридным магнитопроводом, применяемое на борту летательного аппарата. Рассмотрены способы получения постоянного тока на борту летательного аппарата и обосновано применение трансформаторно-выпрямительного устройства. Экспериментальные исследования проводились при холостом ходу и под нагрузкой, определены формы и амплитуды выходных сигналов, а также контролировалась температура трансформаторно-выпрямительного устройства с гибридным магнитопроводом.

Ключевые слова: гибридный магнитопровод, трансформаторно-выпрямительное устройство, аморфный магнитный материал, прецизионная магнитно-мягкая сталь, потери холостого хода

EXPERIMENTAL STUDY OF THE HYBRID MAGNETIC CORE OF A TRANSFORMER

Gusakov D.V.

The paper is devoted to the experimental study of a hybrid magnetic core consisting of an amorphous magnetic material and precision magnetic-soft steel for a transformer. As an object of investigation, a transformer-rectifier unit with a hybrid magnetic core used on board an aircraft is considered. The methods for obtaining a direct current on board an aircraft are considered and the use of a transformer-rectifier unit is justified. Experimental studies were carried out at idle and under load, the shape and amplitude of the output signals were determined and the temperature of the transformerrectifier unit with the hybrid magnetic core was monitored.

Keywords: hybrid magnetic core, transformer-rectifier unit, amorphous magnetic material, precision magnetic-soft steel, idling losses

Постоянный ток на борту летательного аппарата может быть получен традиционно от генератора постоянного тока. Однако пространство вокруг основного двигателя самолета крайне ограничено установкой других генераторов переменного или постоянного тока. Кроме того, для подключения генератора с шиной постоянного тока также требуется кабель постоянного тока, который является чрезвычайно тяжелым и длинным. По этим причинам вводится трансформаторно-выпрямительное устройство (ТВУ) для преобразования напряжения переменного тока в постоянный, поскольку он может быть установлен близко к шине постоянного тока, поэтому вес и объем системы электроснабжения могут быть уменьшены до относительно более низкого уровня [1]. Помимо этого, ТВУ может также уменьшить гармонические токи и снизить THD. Топология исследуемого 12-импульсного ТВУ показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Топология 12-импульсного ТВУ

магнитопровод трансформатор аморфный

Все выпускаемые в настоящее время ТВУ выполнены с магнитопроводом из электротехнической стали, обладающей достаточно высокой индукцией насыщения (до 1.8 Тл), но значительными потерями холостого хода (до 100 Вт/кг). Потери холостого хода играют большую роль в ТВУ летательного аппарата, так как особенностью их работы является то, что большую часть времени (70 % времени их использования) они работают без нагрузки. В связи с этим, возникает проблема снижения эффективности и повышенного температурного режима использования ТВУ традиционного исполнения из-за высоких потерь холостого хода [2-4].

Авторами предлагается использование гибридного магнитопровода для ТВУ, состоящего из аморфного магнитного материала (АММ) и прецизионной магнитно-мягкой стали. В результате совмещения их положительных свойств (низкое значение холостого хода аморфной стали и высокое значение магнитной индукции насыщения прецизионной магнитно-мягкой стали), можно добиться значительного снижения потерь холостого хода, при повышенном значении магнитной индукции насыщения. Увеличенное значение магнитной индукции насыщения позволит снизить массу ТВУ, что является существенным фактором для летательного аппарата.

В данной работе исследуется 12- импульсный ТВУ с гибридным магнитопроводом. Новизной исследования является применение гибридной магнитной системы ТВУ со специфическими свойствами сниженных потерь холостого хода и повышенного значения магнитной индукции насыщения. Основной целью данной работы является экспериментальная верификация предлагаемого решения.

Для экспериментальной верификации был изготовлен экспериментальный образец, показанной на рисунке 2. В качестве обмоток был использован термостойкий провод марки ПНЭТ-имид с температурным индексом 220 ^оС [5]. Для охлаждения использовался короб охлаждения с вентилятором.

а б

Рисунок 2 - Экспериментальный образец ТВУ с гибридным магнитопроводом: а - трансформатор; б - выпрямительный мост

Экспериментальные исследования трансформатора выполнялись поэтапно. На первом этапе экспериментальных исследований было измерены потери холостого хода трансформатора, на втором этапе экспериментальных исследований были замерены напряжение на выходе с выпрямителя под нагрузкой и температура обмоток трансформатора. Оба этапа экспериментальных исследований выполнялись при двух режимах работы:

- питаемое напряжение U_1н=115 В +10 %, частота 400 Гц.

- питаемое напряжение U_1н=108 В +10 %, частота 800 Гц.

1. Экспериментальное исследование трансформатора на холостом ходе. Питание подавалось на 3 фазы обмотки высокого напряжения с шагом 5 В ± 10 % и временным интервалом между шагами 60 сек + 10 сек, вентиляционное охлаждение не использовалось.

Результаты измерений приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты экспериментального исследования ТВУ на холостом ходе

2. Экспериментальное исследование трансформатора под нагрузкой

Трансформатор устанавливался в короб охлаждения с вентилятором. Питание подавалось на 3 фазы обмотки высокого напряжения. К выводам блока выпрямителей была подключена нагрузка, при этом ток на выводах выпрямителя должен был соответствовать Таблице 2. К трансформатору были подключены амперметр и вольтметр для измерения тока и напряжения. Температура обмоток измерялась с помощью пирометра. Результаты измерений приведены в Таблице 2.

Таблица 2. Результаты экспериментального исследования ТВУ под нагрузкой

На рисунке 3 показаны осциллограммы выходного тока и выходного напряжения трансформатора при различных токах нагрузки.

а б

Рисунок 3 - Осциллограммы выходного тока (сверху) и выходного напряжения (снизу) трансформатора при питаемом напряжении 115 В и частоте 400 Гц и при токах нагрузки 150 А (а) и 330 А (б)

В процессе экспериментальных исследований контролировалась температура обмоток трансформатора. Максимальная температура обмоток исследуемого ТВУ с гибридным магнитопроводом не превышает 100 ⁰С при всех возможных видах нагрузки (аварийных режимах работы). Температурный запас обмоток составляет +120 ⁰С. Благодаря высокой индукции насыщения гибридного магнитопровода, появилась возможность добиться снижения плотности тока в обмотках и, как следствие, ТВУ с гибридным магнитопроводом обеспечивает гораздо лучшее охлаждение трансформатора по сравнению, например, с ТВУ с магнитопроводом из АММ. При тех же условиях работы обмотки ТВУ с магнитопроводом из АММ той же топологии нагревались до 190 ⁰С [6]. В последующих работах, для оптимизации массогабаритных показателей, возможно применение ТВУ с гибридным магнитопроводом без специальных устройств охлаждения. Другим вариантом развития может быть снижение массогабаритных показателей ТВУ с гибридным магнитопроводом, но увеличение плотности тока в обмотках и использование специальной системы охлаждения.

Также по результатам экспериментальных исследований был определен КПД трансформатора при различных режимах работы (Таблица 3).

Таблица 3. Результаты выходной мощности и КПД трансформатора

Как видно из таблицы 3, эффективность разработанного 12- импульсного ТВУ с гибридным магнитопроводом достаточно высока и достигает 0.94. КПД ТВУ увеличивается при работе с повышенной частотой до 800 Гц, так как потери в АММ при этом снижаются.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 17-79-10021.

Список литературы

1. Xin Zhao, Josep M. Guerrero, Xiaohua Wu, “Review of aircraft electric power systems and architectures,” Proceedings of 2014 IEEE International Energy Conference (ENERGYCON), 13-16 May 2014, Cavtat, Croatia, DOI: 10.1109/ENERGYCON.2014.6850540.

2. Гусаков Д.В. Трансформаторно-выпрямительное устройство с гибридным магнитопроводом // Молодежный научный вестник. 2018. № 2 (27). С. 124-127.

3. Гусаков Д.В. Использование аморфной стали для магнитопровода выпрямительного трансформатора // Молодежный научный вестник. 2017. № 5 (17). С. 83-88.

4. Гусаков Д.В., Ямалов И.И., Каримов Р.Д. Трансформаторно-выпрямительные установки с магнитопроводом из аморфной стали // В сборнике: Современное научное знание: теория, методология, практика. Сборник научных трудов по материалам Международной научнопрактической конференции. 2017. С. 168-169.

5. АО «Псковский кабельный завод» [Электронный ресурс] // Провода обмоточные. - URL: http://pskovkabel.ru/. (дата обращения 2 апреля 2018 г.).

6. Ф.Р. Исмагилов, В.Е. Вавилов, А.А. меднов, Д.В. Гусаков. The Impact of Amorphous Steel on the Increase of a Transformer Rectifier Unit Efficiency of an Aircraft // XI Международная IEEE научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин». - Омск, 2017.

Размещено на Allbest.ru