Исследование и проектирование трансформаторов малой мощности повышенной частоты оптимальных по массе

Вид материала

Исследование

Содержание Кутарев Александр Михайлович Костырев Михаил Леонидович ОАО «Завод «Инвертор» Общая характеристика работы Содержание работы Основные результаты диссертационной работы Основные результаты диссертационной работы Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Личный вклад автора.

Подобный материал:

• Радикальное энергетическое совершенствование трансформаторов и электрических машин, 469.12kb.
• Анкета технологического обследования (аудита) предприятия по выпускаемым продуктам, 108.58kb.
• Геополітика І геостратегія, 249.86kb.
• Исследование механизма выхода из строя внутренней изоляции трансформаторов тока с «газовой, 286.41kb.
• Дата Разраб, 84.96kb.
• Инструкция устанавливает требования к материалам, применяемым при ремонте и требования, 1453.08kb.
• Адаптивное управление гидроагрегатами гэс с поворотно-лопастными турбинами, 336.57kb.
• Курсовой проект расчет и проектирование трансформаторов, 37.81kb.
• План: Трансформатор: создание и принцип действия. Области применения трансформаторов., 113.28kb.
• 4. Атомная энергетика, 5.38kb.

На правах рукописи


ПАТЛАХОВ Владимир Евгеньевич


ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ТРАНСФОРМАТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ ОПТИМАЛЬНЫХ ПО МАССЕ


Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Самара – 2006


Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» на кафедре «Электромеханика».

Научный руководитель	- кандидат технических наук, доцент Кутарев Александр Михайлович Оренбургский государственный университет, г. Оренбург
Официальные оппоненты	- доктор технических наук, профессор Костырев Михаил Леонидович Самарский государственный технический университет, г. Самара - кандидат технических наук, доцент Редекоп Андрей Петрович ОАО «Инженерный центр», г. Оренбург
Ведущая организация	- ОАО «Завод «Инвертор», г. Оренбург

Защита состоится « 15 » ноября 2006 г. в 10 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, Главный корпус, ауд. 200.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.


Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04, тел.: (846) 242-38-91, факс: (846) 278-44-00, e-mail: aees@samgtu.ru.


Автореферат разослан « 14 » октября 2006 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.04

кандидат технических наук, доцент Е.А. Кротков


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы определяется все возрастающими требованиями к массогабаритным показателям изделий, в состав которых входят трансформаторы малой мощности (ТММ). При оптимизационном расчете актуальны вопросы повышения точности методов тепловых и электромагнитных расчетов ТММ. Существующие в настоящее время методики дают погрешность в пределах 10-15%. С развитием вычислительной техники задача совершенствования старых и разработки новых точных методик тепловых расчетов ставится на качественно новый уровень.

Данная диссертационная работа является неотъемлемой частью научно-технических разработок, связанных с автоматизацией расчетного проектирования трансформаторно-реакторного оборудования для различных изделий и устройств. В настоящее время на кафедре «Электромеханика» Оренбургского государственного университета продолжается разработка данного направления научных работ под руководством доцента кафедры, к.т.н. Кутарева А.М.


Целью работы является улучшение технических показателей трансформаторов малой мощности промышленной и повышенной частоты путём разработки уточненных методик и алгоритмов с применением оптимизационных процедур, создания и внедрения программного обеспечения их автоматизированного проектирования.

Для достижения цели в диссертационной работе сформулированы, поставлены и решены следующие задачи:

1. выбор и обоснование объектов исследования, критериев, ограничений и допущений;
   
2. выбор математического аппарата исследования поля температур трансформаторов малой мощности;
   
3. выбор существующих и разработка новых методик расчетов коэффициентов теплоотдачи (КТО) с поверхностей охлаждения. Исследование влияния геометрии трансформаторов и других факторов на КТО и поле температур;
   
4. на основе разработанных уточненных методик создание алгоритмов и программ:
   
   1. уточнённого расчета поля температур с целью его анализа для вновь проектируемых и заданных трансформаторов промышленной и повышенной частоты на стандартных и нестандартных магнитопроводах;
      
   2. автоматизированного проектирования оптимальных трансформаторов повышенной частоты;
      
5. теоретические и экспериментальные исследования спроектированных трансформаторов;
   
6. анализ результатов расчетов и экспериментов с целью проверки и корректировки методик, алгоритмов и программ и проверки основных теоретических выводов и положений.
   

Методика исследований. Теоретические исследования трансформаторов малой мощности и их трехмерного теплового поля выполнялись с использованием широко апробированных на практике математических методов. Расчеты поля температуры выполнялись на ЭВМ типа IBM численным методом на основе алгоритма, разработанного на базе метода конечных разностей. Теоретические результаты подтверждены экспериментальными исследованиями опытных образцов трансформаторов, в том числе измерениями температур обмоток с помощью тепловизионной техники и косвенными совместными измерениями сопротивлений обмоток. Исследование и проектирование трансформаторов малой мощности повышенной частоты оптимальных по массе проведено с использованием методов поисковой оптимизации (метод Бокса).


Научная новизна заключается в следующем:

• разработаны математическая модель и алгоритм расчета трехмерного поля температур на ¼ всего объема трансформатора, учитывающие локальные изменения значений коэффициентов теплоотдачи, а также различные условия охлаждения с верхних и нижних горизонтальных поверхностей. Создано программное обеспечение;
  
• разработан подход определения локальных значений коэффициентов теплоотдачи с вертикальных поверхностей охлаждения с учетом зависимости от температуры в узле сетки и координаты по высоте. Предложены рекомендации по выбору базисных размеров поверхностей при определении КТО применительно к трансформаторам малой мощности;
  
• получены с помощью тепловизионной техники уточненные экспериментальные поля температур на поверхностях ТММ, необходимые для оценки точности математической модели расчета поля температур численным методом;
  
• показано, что при автоматизированном проектировании можно использовать в расчетах средние значения температур с корректировкой коэффициентов теплоотдачи по размерам поверхностей и по их средним температурам;
  
• разработана методика и создано программное обеспечение расчета ТММ для повышенных рабочих частот питающего напряжения с использованием методов поисковой оптимизации. Задача решена с корректировкой средних значений коэффициентов теплоотдачи по температуре и размерам поверхностей охлаждения.
  

Практическая ценность:

• разработана уточненная математическая модель трехмерного поля температур, которая может быть применена при проектировании и научных исследованиях ТММ для расчета его поля температуры на промышленной и повышенной частотах питающего напряжения с целью повышения надежности и наиболее полного использования активных материалов трансформатора.
  

• на основе разработанной математической модели создано программ­ное обеспечение, позволяющее рассчитать на ЭВМ трехмерное поле температуры ТММ;
  
• даны рекомендации по выбору базисных размеров при определении коэффициентов теплоотдачи с поверхностей охлаждения ТММ;
  
• с помощью математической модели оптимальных по массе ТММ и созданного на её основе программного обеспечения возможно производить расчеты оптимальных по массе трансформаторов малой мощности;
  
• меньшая высота оптимальных по массе трансформаторов обеспечивает лучшее конструктивное сочетание с современной аппаратурой;
  
• созданное программное обеспечение может использоваться как инструментарий в различных исследованиях теплового режима ТММ;
  
• созданное программное обеспечение может использоваться как инструментарий для разработки новых рядов сердечников трансформаторов на повышенные частоты.
  

Реализация результатов работы подтверждена 8 актами внедрения.

Математическая модель ТММ и созданное программное обеспечение используются при автоматизированном проектировании ТММ в ОАО «Завод «Инвертор» и ООО НПП «Анод».

Созданное программное обеспечение используется в исследовательском процессе и дипломном проектировании на специальности «Электромеханика» в Оренбургском государственном университете.


Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы в полном объеме докладывались на научных семинарах кафедры «Электромеханика» Оренбургского государственного университета. Результаты исследова­ний ключевых вопросов докладывались на научно-технической конференции (Оренбург 1996г.), региональных научно-практических конференциях (Оренбург, 1999г.), региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Оренбуржья (Оренбург 2000г.), всероссийской научно-практической конференции (Оренбург, 2000г.), международной научно-практической конференции (Оренбург, 2001г.). Основные разделы диссертационной работы были представлены на конкурсе «Лучший молодой инженер Оренбуржья» (Оренбург, 2005г.) и конкурсе «Молодые ученые Поволжья до 30 лет» (Самара, 2005г.). По оценке жюри Патлахову В.Е. присвоено звание лауреата областного конкурса «Лучший молодой инженер Оренбуржья», выдано свидетельство «Профессиональный инженер Оренбуржья», присвоено звание лауреата конкурса Поволжского отделения Российской инженерной академии по итогам 2004 года в номинации «Молодые ученые Поволжья до 30 лет». Раздел диссертационной работы по тепловым полям был представлен в с. Дивноморское Краснодарского края на всероссийской конференции и Конкурсе молодых специалистов организаций научно-промышленного комплекса ОАО РАО «ЕЭС России». По итогам Конкурса Патлахов В.Е. награжден грамотой с присуждением 3-го места. Выдан Диплом за активное участие в работе конференции. На VI Московском международном салоне инноваций и инвестиций представлена разработка «Оптимальное проектирование трансформаторов малой мощности», где была удостоена Диплома от Министра образования и науки РФ. Раздел диссертационной работы по оптимальному проектированию ТММ был представлен в г. Москва на всероссийской конференции по итогам Конкурса молодежных разработок «ТЭК-2005» среди предприятий и организаций топливно-энергетического комплекса. По итогам Конкурса Патлахов В.Е. награжден Благодарностью Министерства промышленности и энергетики РФ. Выдан Диплом победителя Конкурса.


Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 статей и тезисов докладов.


Основные положения, представляемые к защите:

• предложенные математическая модель и алгоритм расчета трехмерного поля температур на ¼ всего объема трансформатора, учитывающие локальные изменения значений коэффициентов теплоотдачи, а также различные условия охлаждения с верхних и нижних горизонтальных поверхностей более адекватно отражают реальные тепловые процессы в трансформаторах;
  
• разработанный подход определения локальных значений коэффициентов теплоотдачи с вертикальных поверхностей охлаждения с учетом зависимости от температуры в узле сетки и координаты по высоте позволяет снизить погрешность тепловых расчетов до 5%;
  
• предложенные рекомендации по выбору базисных размеров поверхностей при определении КТО применительно к трансформаторам малой мощности позволяют повысить точность расчетов;
  
• в инженерных расчетах поля температур можно пользоваться средними значениями коэффициентов теплоотдачи. В поверочном расчете рекомендуется производить численным методом расчет с локальными значениями коэффициентов теплоотдачи;
  
• на повышенных частотах изменение геометрических размеров трансформаторов от стандартных позволяет уменьшить их массу на 15 - 20%.
  

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 116 наименований и 3-х приложений. Основная часть содержит 143 листа машинописного текста, 54 рисунка на 29 листах, 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, цель работы, научная но­визна и практическая ценность решаемых задач, приведена краткая аннотация работы.


Первая глава диссертации посвящена анализу состояния вопросов, связанных с расчетами полей температуры. Проведен обзор существующих методов расчета температурных и электромагнитных полей ТММ. Рассмотрены материалы, применяемые при производстве ТММ и их свойства. Обоснован выбор численного метода расчета поля температур. Произведен обзор подходов и методов оптимального проектирования трансформаторов. Выбран метод условной оптимизации.


Вторая глава диссертации посвящена разработке математической модели и алгоритма численного расчета поля температуры трансформаторов малой мощности, где выбраны и обоснованы допущения, показан расчет поля температуры во внутренних узлах сетки и на поверхностях охлаждения ТММ. Рассмотрены вопросы определения коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи, а также способов ускорения сходимости итерационного процесса.

Выбор математической модели по численному расчету трехмерного поля температуры основывался на стремлении проанализировать тепловые процессы, происходящие внутри ТММ, с целью их более полного учета в тепловых расчетах при автоматизированном проек­тировании и, в конечном итоге, для повышения точности расчета перегревов отдельных частей ТММ.

Для разработки математической модели поля температур в ка­честве объекта исследования выбран однофазный ТММ броневой конс­трукции с ленточным магнитопроводом. Трансформатор представляет собой сложное объемное тело, нагретые части которого участвуют в создании общего теплового поля. Учесть все особенности передачи тепла в таком теле при разработ­ке тепловой модели достаточно сложно. Поэтому, с целью упрощения ал­горитма расчета поля и сокращения затрат машинного времени были приняты следующие допущения:

1. считаем условия охлаждения ТММ относительно плоскостей Y=0 и Z=0 симметричными (рисунок 1);
   
2. пренебрегаем взаимным теплообменом между ярмами магни­топровода и поверхностями каркаса и обмотки;
   
3. не учитываем теплоотдачу с поверхностей каркаса, обмотки и ярм магнитопровода, обращенных в воздушный промежуток между ними;
   
4. исключаем из системы охлаждения ТММ крепежные и другие детали конструкции;
   
5. тепло в промежутке между каркасом и стержнем магнитоп­ровода передается теплопроводностью;
   
6. реальная структура обмоток ТММ заменяется анизотропной структурой с эквивалентными значениями теплопроводности по трем характерным направлениям;
   
7. потери мощности в обмотке и магнитопроводе считаем из­вестными и равномерно распределенными по соответствующим объ­емам;
   
8. принимаем КТП материалов неизменными;
   
9. каркасная обмотка ТММ расположена симметрично по отно­шению к стержню и по высоте окна трансформатора.
   

Принятые допущения позволяют рассматривать поле температу­ры симметричным относительно ортогональных поверхностей Y=0, Z=0 (рисунок 1). В этом случае область расчета поля температуры может быть ограничена объемом магнитопровода и катушки, полученным сечением ТММ плоскостями Y=0 и Z=0. Алгоритм расчета поля температур представлен на рисунке 2.

П
олученная расчетная область трудно поддается описанию в единой системе координат. Вся область расчета поля температуры ТММ разбита на две области – магнитопровод и катушку, которые можно рассматри­вать и описывать отдельно. Прямоугольные участки магнитопровода и катушки описываются в декартовой системе координат, а угловые - в цилиндрической системе коорди­нат. На расчетную область наносится сетка. Каждый узел сетки соот­ветствует адресу трехмерного информационного массива. Линии сетки выходят за поверхности магнитопровода и катушки. Выбор размеров ячеек сетки производился таким образом, что после деформации прямоугольной призмы, описывающей катушку ТММ, линии сетки в каркасе переходят в линии сетки обмотки, а в области зазора меж­ду магнитопроводом и катушкой происходит совмещение узлов двух сеток. Это позволяет учитывать в расчетах теплообмен между маг­нитопроводом и катушкой.

При выборе количества линий сетки исходили из требуемой точности расчетов и допустимой памяти ЭВМ, отводимой под массивы информации. Размеры ячеек сетки подбирались опытным путем, усло­вием для которого служила сходимость итерационного процесса.

В ходе расчётов поля температуры с помощью тепловых схем замещения, как правило, используют средние значения коэффициентов теплоотдачи. Методика определения средних значений КТО хорошо отработана.

В расчётах трёхмерного поля температуры ТММ численными методами есть возможность не только учитывать в процессе расчёта влияние изменения температуры охлаждаемых поверхностей на КТО, но и изменение его по высоте вертикальных охлаждаемых поверхностей. В то же время методика определения локальных значений КТО при естественной конвекции отсутствует. Отсутствуют и рекомендации к выбору базисных размеров охлаждаемых поверхностей для нагретых тел сложной конфигурации, к которым относится ТММ.

Для определения локального значения КТО использован следующий подход. КТО определяется как сумма лучевой и конвективной составляющей. Лучевая составляющая определяется по известной методике. Конвективная составляющая КТО определяется следующим образом:

, (1)

где коэффициент, зависящий от температуры поверхностного слоя;

- температура поверхности, принятая за базисную;

- расстояние от нижней кромки поверхности до рассматриваемой точки.

Локальное значение конвективной составляющей определяется как среднее значение в пределах ячейки сетки по формуле:

. (2)

Результирующий КТО определяется как сумма лучевой и локальной конвективной составляющих. При изменении температуры на поверхности охлаждения КТО пересчитывается:

. (3)

Для горизонтально ориентированных поверхностей, обращенных нагретой стороной вверх, условия отдачи тепла улучшаются на 30% (в соответствии с рекомендациями Дульнева Г.Н. и Семяшкина Э.М.); для поверхности, обращенной вниз – ухудшаются на такую же величину.

За базовые размеры вертикальных поверхностей охлаждения ТММ принимаются значения их высоты. Для каркаса и примыкающему к нему ярму, учитывая, что обе поверхности выделяют тепло и взаимно ухудшают теплоотдачу, базисный размер принимается, равным сумме радиального размера каркаса и высоты горизонтального ярма магнитопровода. КТО с верхней и нижней горизонтальных поверхностей магнитопровода, учитывая совокупность поверхностей и взаимное влияние их нагрева друг на друга, рассчитывается при базисном размере, равном сумме ширины окна, высоты ярма и половины ширины ленты магнитопровода.


Третья глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям тепловых режимов трансформаторов малой мощности, расчету на ЭВМ поля температуры численным методом, анализу полученных результатов.

В качестве экспериментальных образцов изготовлены трансформаторы типа ШЛ25х40 для работы на частоте питающего напряжения 50 Гц.

Программой испытаний предусматривалось проведение опы­та холостого хода, режима нагрузки, измерение сопротивлений об­моток постоянному току и измерение нагрева отдельных частей трансформатора. Испытание на нагрев трансформатора проводилось методом непосредственной нагрузки. Температура обмоток непосредственно не измерялась, а определялась косвенным методом по изменению сопротивлений обмоток, измеренных перед включением трансформатора под нагрузку , и после отключения его от источника тока . Сопротивления обмоток определялись на ЭВМ графической экстраполяцией с помощью встроенных функций Microsoft Excel. Средняя температура обмотки при установившейся температуре в момент, предшествующий отключению трансформатора, вычислялась по форм
уле:

(4)

Полученные из эксперимента потери являются исходными данными для выполнения расчета поля температуры.

П
роизведены измерения зна­чений абсолютных температур поверхности магнитопровода и катушки ТММ, а также определены распределения температуры по поверхности с использованием тепловизионных двухспектральных измерительных систем TRI-9400S и ThermaCAM TM PM 695 (рисунок 3).

С помощью созданного программного обеспечения выполнены расчеты температурных полей опытных образцов ТММ при КТО=const и с расчетом локальных значений коэффициентов теплоотдачи. Изменения температур по высоте открытой поверхности катушки ТММ показаны на рисунке 4а. Расчёт производился с локальными и постоянными значениями КТО (рисунок 4б).

На термограммах показаны линии, по которым с помощью программного обеспечения построены кривые изменения температуры. Построенные кривые температур совмещены с рассчитанными численным методом на ЭВМ (рисунок 5).

Результаты расчета поля температуры на ЭВМ численным методом для ТММ сопоставлены с полученными экспериментальными данными (рисунок 6). Отклонение средних температур обмоток (по расчету численным методом) от температур, рассчитанных из эксперимента по изменению сопротивлений из горячего в холодное состояния, не превысило 1%. Расчеты, в которых использовались локальные значения КТО для вертикальных поверхностей с корректировкой по температурам в узлах сетки и с учетом эффективности отдачи тепла с горизонтальных поверхностей, хорошо совпадают с результатами экспериментальных исследований температуры на поверхностях трансформаторов, полученными с помощью тепловизионной аппаратуры. Исходя из полученных результатов, рекомендуется при автоматизированном проектировании ТММ в расчетах поля температуры задаваться постоянным значением КТО, корректируя его в ходе расчета лишь по температуре в узлах сетки, что связано с экономией машинного времени. При проектировании оптимальных по массе активных материалов трансформаторов, работающих на повышенных частотах питающего напряжения, по окончании процедуры оптимизационного расчета за ней следует процедура поверочного расчета, по завершении которой рекомендуется выполнить численным методом проверку теплового поля спроектированного трансформатора при локальных КТО с корректировкой по температуре узла сетки.


Четвертая глава посвящена направлению решения задачи снижения массы и габаритов ТММ при проектировании их для работы на повышенных частотах питающего напряжения с применением методов оптимизации.

Математическая модель трансформатора позволяет использовать для ее исследования и поиска наилучшего решения математический аппарат методов вычисления экстремумов функций и с минимальными за­тратами времени найти оптимальное решение.

На кафедре «Электромеханика» Оренбургского государственного университета создано программное обеспечение для проектирования оптимальных по массе трансформаторов малой мощности. Основой послужила математическая модель, где массы активных материалов трансформатора сводятся к минимально возможным значениям при условии, что перегрев стали и обмоток не превышает допустимых значений, которые определяются классом нагревостойкости материала. Магнитная индукция и плотность тока определяются из уравнений 7 и 8 при условии, что перегрев стали и обмоток не должен превышать допустимых значений.

Расчет ведется для заданной мощности трансформатора с соответствующими коэффициентами по формуле 5.

. (5)

Целевой функцией является масса активных материалов трансформатора в зависимости от объема магнитопровода и катушки , плотности и , а также коэффициентов заполнения и :

. (6)

Допустимое превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды:

. (7)

Допустимый перегрев магнитопровода:

. (8)

Значение ширины ленты А и относительных размеров магнитопровода x, y, z найдены из решения целевой функции методом поисковой оптимизации которая дополняется процедурой поверочного расчета, в ходе которого уточняются используемые коэффициенты. Алгоритм проектирования оптимальных по массе трансформаторов представлен на рисунке 7.

Произведены расчеты по программе, основанной на методе Бокса (метод условной оптимизации), оптимальных по массе трансформаторов полной потребляемой мощностью от 50 до 500 ВА для частот до 5 кГц при заданной ширине ленты от 16 до 64 мм (коэффициенты теплоотдачи в ходе расчета корректируются при изменении размеров поверхностей охлаждения и средних температур поверхностей). Изменение массы активных материалов и магнитной индукции в магнитопроводе для трансформатора, мощностью 50 ВА, представлены на рисунке 8. Из рисунка видно, что с увеличением частоты питающего напряжения значение целевой функции, т.е. масса трансформатора, значительно снижается. Снижение массы оптимальных трансформаторов по отношению к массе трансформаторов, выполненных на стандартном магнитопроводе, достигает 15-20 % на повышенных частотах.

При повышенных частотах индукция имеет низкое значение. Поэтому для увеличения мощности при данных размерах магнитопровода можно повышать индукцию. Но при этом появляется опасность перегрева частей трансформатора выше допустимого предела. Чтобы избежать этого необходимо предусмотреть ряд мер, например, увеличить площадь охлаждения трансформатора, соотношение плотностей тока первичной и вторичной обмоток должно соответствовать оптимальному значению и др. Для промышленных частот (в некоторых случаях до 1 кГц) расчет трансформатора с оптимальными размерами производится при индукции ограниченной насыщением магнитопровода (1,6 Тл); при более высоких частотах плотность тока и магнитная индукция ограничены допустимым перегревом, причем взаимный теплообмен «магнитопровод-обмотки» – отсутствует. Расчеты на повышенных частотах показывают, что ТММ, выполненные на стандартном магнитопроводе имеют расчетную индукцию ниже, чем у оптимальных трансформаторов.

Установлено, что масса активных материалов трансформатора зависит от выбранной ширины ленты. Определено, что оптимальная ширина ленты магнитопровода не зависит от частоты питающего напряжения для исследованного диапазона мощности. Результаты расчетов показали – с ростом мощности «оптимальных» трансформаторов увеличивается ширина ленты магнитопровода. При проектировании трансформаторов минимальной массы автором рекомендовано рассчитывать ширину ленты А в зависимости от требуемой расчетной мощности S_р (в Вт) по выведенному уравнению, мм:

. (9)

На повышенных частотах питающего напряжения при оптимальной геометрии трансформаторов, как видно из рисунка 9, наблюдается увеличение ширины окна магнитопровода и уменьшение его высоты по сравнению с размерами окна стандартного магнитопровода. Этот эффект можно отнести к положительному результату, так как в настоящее время все чаще находит применение низкопрофильная аппаратура.

Установлено, что частота питающего напряжения для диапазона от 800 до 5000 Гц незначительно влияет на изменение относительных размеров окна магнитопровода трансформатора. Изменяется в большей степени относительная толщина навивки магнитопровода. При проектировании трансформатора оптимального по массе или построении новых рядов сердечников представляется возможным задаваться шириной ленты магнитопровода по формуле 9; размеры окна магнитопровода и предварительную толщину навивки – определять по графикам рисунка 12, исходя из найденной ширины ленты и заданной мощности трансформатора.

Исследовано влияние изменения относительных размеров магнитопровода трансформатора на его массу. Наибольший градиент массы соответствует изменению относительной толщины навивки магнитопровода при фиксированных остальных размерах, наименьший - относительной высоты окна.

И
сследовано влияние изменения относительных значений размеров магнитопровода на его магнитную индукцию и плотность тока в обмотках. Изменение относительной ширины окна магнитопровода оказывает незначительное влияние на магнитную индукцию и плотность тока в обмотках. Наибольший градиент исследуемых величин соответствует изменению относительной толщины навивки магнитопровода.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Таким образом, в результате проделанной работы разработан подход уточненного определения коэффициентов теплоотдачи с вертикальных поверхностей охлаждения ТММ; разработана математическая модель и алгоритм расчета поля температур с учетом локальных значений коэффициентов теплоотдачи, созданы программы; разработана методика и создано программное обеспечение для оптимизационного расчета ТММ на промышленные и повышенные частоты питающего напряжения. Это повышает качество и сокращает сроки разработки новых изделий и систем, дает возможность расширить номенклатуру их выпуска, уменьшает стоимость и массу, увеличивает надежность и ресурс изделий.


Основные результаты диссертационной работы

• Разработан подход уточненного определения коэффициентов теплоотдачи с вертикальных поверхностей охлаждения с учетом зависимости от температуры и координаты по высоте.
  
• Предложены рекомендации по выбору базисных размеров поверхностей при определении КТО применительно к трансформаторам малой мощности.
  
• Разработана уточненная математическая модель по расчету трехмерного стационарного поля температуры трансформаторов малой мощности. Разра­ботанная модель поля температуры может быть использована при исследовании тепловых режимов ТММ других типов и конструкции.
  
• Разработан алгоритм уточненного расчета трехмерного поля температур ТММ. Решена задача теплообмена в зазоре между катуш­кой и стержнем ТММ, которая реализована для обеих областей путем взаимного использования результатов расчета температур на по­верхностях, участвующих в теплообмене. Теплоотдача с открытых поверхностей магнитопровода, каркаса и катушки учтена КТО, зависящим от изменения их среднеповерхностной температуры, базисного размера поверхности и для вертикальных поверхностей – от координаты высоты рассматриваемого узла.
  
• На основе разработанной математической модели и алго­ритма создано программное обеспечение для расчета температурного поля методом конечных разностей. Проведенные эксперименты, в результате которых определены температуры на поверхностях охлаждения ТММ с помощью тепловизионной аппаратуры и средние температуры обмоток с помощью графической экстраполяции по изменению их сопротивлений в холодном и горячем состояниях, позволили оценить точность математической модели.
  
• С помощью созданного программного обеспечения выполнены расчеты на ЭВМ методом конечных разностей температурных полей опытных образцов ТММ, что позволило дать рекомендации: при автоматизированном проектировании ТММ в расчетах поля температуры достаточно задаваться постоянным значением КТО, корректируя его в ходе расчета лишь по температуре в узлах сетки, что связано с экономией машинного времени. При проектировании оптимальных по массе активных материалов трансформаторов, работающих на повышенных частотах питающего напряжения, по окончании процедуры оптимизационного расчета за ней следует процедура поверочного расчета, по завершении которой имеет смысл выполнить проверку теплового поля спроектированного трансформатора при локальных КТО с корректировкой по температуре узла сетки.
  
• Создано программное обеспечение для расчета оптимальных размеров трансформаторов малой мощности на основе математической модели, где массы активных материалов трансформатора сводятся к минимально возможным значениям при условии, что перегрев стали и обмоток не превышает допустимых значений, которые определяются классом нагревостойкости материала (т.е. плотность тока и магнитная индукция ограничены допустимым перегревом).
  
• По расчетам оптимальных по массе трансформаторов определено, что с увеличением частоты питающего напряжения значение целевой функции, т.е. масса трансформатора, снижается на 15-20 % по отношению к массе трансформаторов, выполненных на стандартном магнитопроводе. На повышенных частотах питающего напряжения при оптимальной геометрии трансформаторов ширина окна магнитопровода имеет значение, превышающее его высоту. Размеры магнитопроводов оптимальных по массе трансформаторов отличаются от размеров магнитопроводов стандартного ряда.
  
• Созданное программное обеспечение используется в исследовательском процессе и дипломном проектировании для студентов по специальности «Электромеханика» в Оренбургском государственном университете как инструментарий в различных исследованиях теплового режима ТММ, выполняет его поверочные расчеты (получено 2 акта внедрения). Используется при автоматизированном проектировании ТММ в ОАО «Инвертор» и ООО НПП «Анод» (получено 6 актов внедрения в производство).
  

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Щукин А.В., Патлахов В.Е., Лукашенко С.В., Мячин Д.В. Источник переменного напряжения повышенной частоты для питания активно-индуктивной нагрузки // Тезисы докладов научно-технической конференции «Современные технологии в электромеханике, электроприводе и электроснабжении Оренбургского региона».- Оренбург, ОГУ, 1996. - С. 6-7;
   
2. Кутарев А.М., Патлахов В.Е. Определение магнитных характеристик магнитопроводов трансформаторов малой мощности для рабочих частот до 5 кГц. // Материалы региональной научно-практической конференции «Современные технологии в энергетике, электронике и информатике». - Выпуск 1. - Оренбург: Оренбургский государственный университет, 1999.- С. 69-72;
   
3. Кутарев А.М., Патлахов В.Е. К определению проводимостей рассеяния обмоток трансформатора // Материалы региональной научно-практической конференции «Современные технологии в энергетике, электронике и информатике». - Выпуск 2. - Оренбург: Оренбургский государственный университет, 1999.- С. 31-34;
   
4. Кутарев А.М., Патлахов В.Е. К определению коэффициентов теплоотдачи с поверхностей охлаждения трансформаторов малой мощности // Региональная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов Оренбуржья. – Оренбург: Оренбургский государственный университет, 2000. – С.68-69;
   
5. Кутарев А.М., Патлахов В.Е. Математическая модель и алгоритм расчета трехмерного стационарного поля температур трансформатора малой мощности методом конечных разностей // Всероссийская научно-практическая конференция «Социокультурная динамика региона. Наука. Культура. Образование. - Часть II. – Оренбург: Оренбургский государственный университет, 2000. – С.-89-95;
   
6. Кутарев А.М., Патлахов В.Е. Проектирование трансформаторов малой мощности с применением методов поисковой оптимизации // Материалы международной научно-практической конференции «Учебная, научно-производственная и инновационная деятельность высшей школы в современных условиях». - Направление 2 – Научно-производственная и инновационная деятельность высшей школы в современных условиях. – Оренбург: Оренбургский государственный университет, 2001. – С. 219-220;
   
7. Патлахов В.Е. Тепловые поля и оптимальное проектирование трансформаторов малой мощности для устройств радиоэлектронной аппаратуры // Сборник докладов всероссийской конференции по итогам конкурса молодых специалистов организаций НПК ОАО РАО «ЕЭС России». - Секция II – Электротехническая. – М.: ОАО «ВТИ», 2005. – С. 147-162;
   
8. Кутарев А.М., Патлахов В.Е. Оптимальное проектирование трансформаторов малой мощности // Каталог разработок научных организаций, ВУЗов, малых инновационных предприятий — участников VI Московского международного салона инноваций и инвестиций (электронное издание). – М.: ФГУ НИИ РИНКЦЭ, 2006;
   
9. Кутарев А.М., Патлахов В.Е. Программное обеспечение по автоматизации расчетного проектирования трансформаторов малой мощности (ТММ) с применением оптимизационной процедуры // Инновации. Оренбургская область. - Выпуск II. – Оренбург: ФГУ «Оренбургский ЦНТИ», 2006. – С. 10-11;
   
10. Кутарев А.М., Патлахов В.Е. Оптимальное проектирование трансформаторов малой мощности // Сборник работ победителей XIV конкурса молодежных разработок среди предприятий и организаций топливно-энергетического комплекса. – Министерство промышленности и энергетики РФ, Федеральное агенство по энергетике, НС «Интеграция». – М.: Издательство ЦНИИТЭнефтехим Н.Ф. Бочкарёвой, 2006;
    
11. Кутарев А.М., Патлахов В.Е. К вопросу проектирования трансформаторов малой мощности повышенной частоты оптимальных по массе // Вестник Оренбургского государственного университета. - Том 2. Экономические, естественные, технические науки. – Оренбург: Оренбургский государственный университет, 2006, № 9, сентябрь, С. 108-112.
    

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит разработка математических моделей [4, 5, 6, 8, 9, 10, 11], расчетная часть [1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11], обработка результатов исследований [1, 2, 3, 6, 11].





Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04.

Протокол № 17 от 20 сентября 2006 года.

Формат 60х84 1/16. Бумага типографская №1.

Уч.-изд. лист 1.0. Тираж 100 экземпляров. Заказ № 235

Полиграфический отдел ФГУ «Оренбургский ЦНТИ»

460044, г. Оренбург, ул. Берёзки, 20




Порядок листов для односторонней печати (число страниц на листе 2):

20,1,18,3,16,5,14,7,12,9,10,11,8,13,6,15,4,17,2,19