Подсистема САПР распределительных трансформаторов для расчета нагрузочных потерь в фольговых обмотках с учетом вытеснения тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Подсистема САПР распределительных трансформаторов для расчета нагрузочных потерь в фольговых обмотках с учетом вытеснения тока

А.В. Стулов, А.И. Тихонов, И.А. Корнев ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Аннотация

Состояние вопроса: Современные условия производства трансформаторов требуют от инженеров-проектировщиков минимальных затрат времени на проектирование при сохранении высокой точности расчетов. Эти требования возможно удовлетворить за счет использования подсистем САПР распределительных трансформаторов, основанных на уточненных математических моделях. В связи с этим становится актуальной задача разработки и апробации подсистемы САПР распределительных трансформаторов для расчета нагрузочных потерь в фольговых обмотках с учетом вытеснения тока.

Материалы и методы: Использованы системы программирования Visual Basic for Excel, MATLAB, библиотека моделирования магнитного поля EMLib, библиотека моделирования электрических схем замещения ECLib, а также результаты испытаний физических образцов в испытательной лаборатории ЗАО «Трансформер» (г. Подольск, Московская область).

Результаты: Разработана и апробирована подсистема САПР распределительных трансформаторов для расчета нагрузочных потерь в фольговых обмотках НН трансформатора с учетом вытеснения тока. Получены эпюры распределения плотности тока по высоте фольговой обмотки НН. Полученные численные результаты с достаточной степенью точности подтверждаются результатами приемосдаточных испытаний.

Выводы: Разработанная подсистема может быть интегрирована в САПР и использоваться при проектировании оптимальных моделей распределительных трансформаторов, а также при разработке серий трансформаторов.

Ключевые слова: комбинированные модели, индуктивность, нагрузочные потери, вытеснение тока, электрические схемы замещения.

Abstract

Background: Modern conditions of transformer production should be designed in the minimum time and provide a high accuracy of the calculations. These requirements can be satisfied by the use of CAD subsystems of distribution transformers based on refined mathematical models. Therefore, an urgent task is to develop and test a CAD subsystem of distribution transformers for the calculation of load losses in foil windings with the displacement current taken into account.

Materials and methods: Programming systems Visual Basic for Excel, MATLAB, magnetic field modeling library EMLib, electrical circuits modeling library ECLib, as well as results of physical tests of samples in the testing laboratory of CJSC «Transformer» (Podolsk, Moscow region)

Results: A CAD subsystem of distribution transformers for the calculation of load losses in foil windings of LV transformers has been developed and tested with the displacement current taken into account. Plots of the current density distribution along the height of the foil winding LV have been obtained. The obtained numerical results are confirmed by the results of the acceptance test with a sufficient degree of accuracy.

Conclusions: The developed subsystem can be integrated into CAD and used in the design of optimal models of distribution transformers, as well as in the development of series transformers.

Key words: combined models, inductance, load losses, displacement current, electric circuits.

фольговый обмотка трансформатор ток

Стремление производителей трансформаторного оборудования к снижению затрат на проектирование и производство продукции приводит к необходимости создания высокоэффективных программных средств, обладающих высоким быстродействием и высокой точностью расчетов. Такие программные средства должны строиться на точных математических моделях, которые учитывают все эффекты и процессы, происходящие в распределительном трансформаторе, в частности эффект вытеснения тока нагрузки в фольговых обмотках. Традиционные методики расчета, основанные на работах [1-7], не позволяют учесть данные эффекты с достаточной для современных расчетов точностью. Разработанные в [8, 9] уточненные математические модели фольговых обмоток позволяют учесть упомянутый эффект, так как реализованы с использованием расчетов магнитного поля.

На основе уточненных моделей разработана подсистема для расчета нагрузочных потерь в фольговых обмотках распределительных трансформаторов с учетом вытеснения тока, состоящая из следующих блоков:

- параметрический генератор, предназначенный для автоматического формирования расчетной модели;

- процессор, основанный на использовании библиотеки ECLib [10] и предназначенный для расчета модели;

- постпроцессор, предназначенный для вывода и обработки результатов расчета.

Принцип работы параметрического генератора аналогичен описанному в [9]. Алгоритм расчета заключается в следующем:

1. С помощью библиотеки моделирования магнитного поля EMLib происходит построение конечно-элементной модели распределительного трансформатора в опыте короткого замыкания (рис. 1). Для учета эффекта вытеснения тока фольговая обмотка низшего напряжения представлена множеством расчетных секций аналогично [1]. Слоевая обмотка высшего напряжения представлена единым массивом с равномерной плотностью тока. В отличие от [1], в модели присутствует сердечник.

Рис. 1. Конечно-элементная модель трансформатора в опыте короткого замыкания

2. В результате серии расчетов на модели строится матрица собственных и взаимных индуктивностей обмотки [L]. Картина поля представлена на рис. 2.

Рис. 2. Картина магнитного поля в конечно-элементной модели трансформатора

3. Осуществляется параметрическая генерация электрической схемы замещения обмотки трансформатора, а также расчет матрицы омических сопротивлений секций [R]. Схема замещения обмотки (рис. 3.) состоит из омических сопротивлений секций, собственных и взаимных индуктивностей секций, а также из ветви обмотки высшего напряжения, состоящей из сопротивления, индуктивности и источника ЭДС.

Рис. 3. Электрическая схема замещения трансформатора в опыте короткого замыкания

4. С помощью разработанной авторами библиотеки моделирования электрических цепей ECLib рассчитывается матрица токов [I], протекающих в ветвях схемы замещения. Результат расчета токов в ходе переходного процесса показан на рис. 4. Распределение токов по секциям по высоте фольговой обмотки показано на рис. 5.

5. Матрица потерь [P], выделяющихся в секциях обмотки определяется как

(1)

В дальнейшем рассчитанные потери являются основой для теплового расчета фольговых обмоток [2, 3].

Рис. 4. Переходный процесс изменения тока в первой секции исследуемой обмотки

Рис. 5. Распределение токов в секциях фольговой обмотки по высоте в трех концентрах

Применение комбинированных моделей (полевых в комбинации с цепными) впервые было использовано в расчете потерь в токоограничивающем реакторе сухого типа РТСТ [1]. Блок-схема подсистемы приведена на рис. 6.

Рис. 6. Блок-схема подсистемы для расчета потерь

Особенности рассматриваемой подсистемы заключаются в следующем:

1. Модель учитывает наличие сердечника из электротехнической стали.

2. При расчете использовались формализованные методы, лежащие в основе библиотеки моделирования электрических цепей ECLib, позволяющей автоматизировать процесс формирования системы дифференциальных уравнений, описывающих электрическую цепь [4].

3. Рассматриваемая подсистема включает в себя параметрический генератор электрической схемы замещения, позволяющий создавать серии типовых цепных моделей.

Апробация системы производилась в рамках ЗАО «Трансформер». Результаты расчета и приемосдаточных испытаний приведены в таблице.

Основные потери в фольговой обмотке определяются как

(2)

где I_изм - ток в обмотке низшего напряжения, измеренный в опыте короткого замыкания; R_изм - сопротивление обмотки постоянному току, измеренное в опыте короткого замыкания; P_доб - добавочные потери в обмотке, определяемые как

(3)

где P_w - показания ваттметра в опыте короткого замыкания.

Таблица 1 Результаты расчета и приемосдаточных испытаний трансформатора

Примечание: P_кзнн - основные потери в фольговой обмотке.

Следует отметить, что расчетное значение нагрузочных потерь P_расч в фольговой обмотке НН включает в себя как основные потери в обмотке, так и добавочные. Рассмотренная подсистема использует уточненные быстродействующие комбинированные модели фольговых обмоток, основанные на использовании полевых и цепных моделей.

Данная подсистема может быть успешно интегрирована в подсистемы оптимального проектирования САПР распределительных трансформаторов.

Предложенная подсистема расчета нагрузочных потерь в фольговых обмотках может быть эффективно использована в многоуровневой подсистеме тепловых расчетов распределительных трансформаторов [3] для уточненного теплового расчета активной части трансформатора.

Список литературы

1. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. - М.: Энергия, 1981. - 392 с.

2. Andrew P.H. Design of copper sheet and foil wound transformers // ERA distribution conference. - Edinburgh, 1967. - 39. - P. 2.

3. Beaumont R. Losses in transformers and reactors // CIGRE. - 1988. - № 12-10.

4. Dowell P. Effects of eddy currents in transformer windings // Proceedings of the IEE. - 1966 Aug. - Vol. 113, N 8. - Р. 1387-1394.

5. El-Missiry M.M. Foil windings in reactors and transformers // Ph.D. Thesis, University of Manchester, 1976.

6. Gersem H.D., Hameyer K. A finite element model for folio winding simulation // IEEE Transactiona on Magnetics. - 2001. - Vol. 37-5. - Р. 3427-3432.

7. Walker N.J. Studies of foil wound components // A Doctoral Thesis, Loughborough University of Technology, 1979.

8. Иванов А.В. Разработка моделей и методики проектирования токоограничивающих реакторов из ленты: дис. … канд. техн. наук: 05.13.12, 05.13.18: защищ. 31.05.2011. - Иваново, 2011. - 123 с.

9. Разработка уточненных математических моделей для создания подсистем САПР распределительных трансформаторов с обмотками из ленты / А.В. Стулов, А.С. Зайцев, И.А. Трофимович, В.И. Печенкин // Вестник ИГЭУ. - 2014. - Вып. 5. - С. 37-41.

10. Тихонов А.И., Корнев И.А. Библиотека для формирования и исследования моделей электрических цепей в динамических режимах / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. - М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. № 2013610691. Заявка № 2012660143, приоритет от 22.11.2012, Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 9.01.2013.

Размещено на Allbest.ru