Снижение магнитных потерь силового трансформатора с концентрическими обмотками под нагрузкой

В любом случае, подобная методика может быть эффективно реализована с помощью использования несложных программных средств, например стандартного приложения Microsoft Office - Excel, с возможностью привлечения непрерывной обратной связи с наблюдаемым процессом.

В конечном итоге, командиром подразделения анализируются полученные результаты, и принимается решение о необходимом количестве прицепов для решения поставленной задачи.

Предлагаемая методика позволяет существенно увеличить эффективность применения автомобильных подразделений и снизить материальные затраты благодаря учёту в расчётах всего множества факторов влияющих на планирование и эксплуатацию транспортных средств.

Список литературы:

1. ПромСнабКомплект. Оборудование. Материалы. Инструменты. Каталог. -СПб.: «Типография

«Правда 1906»», 2012. - 289 с.

2. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров).

Определения, теоремы, формулы. 6-е изд. - СПб.: Издательство «Лань», 2003. - 832 с.

3. Венецкий И. Г., Венецкая В. И. Основные математико-статистические понятия и формулы в

экономическом анализе. - М.: Статистика, 1979. - 448 с.

4. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. - М.: Наука, 1969. - 576 с.

Отходы и их переработка. Вторичное сырье. Ресурсосбережение Waste & recycling. Secondary raw materials. Resource conservation

УДК 355.7:621.314.222

Гуков Д.В., Загуляев С.Д.

Gukov D. V., Zagulyaev S.D.

Снижение магнитных потерь силового трансформатора с концентрическими обмотками

под нагрузкой

Reduction of magnetic losses of a power transformer with concentric windings under load

Аннотация: Уменьшение потерь в силовых трансформаторах, широко применяющихся в системах военного назначения, снижает финансовые затраты на их эксплуатацию. Проведено исследование влияния взаимного расположения концентрических обмоток на магнитные потери. В качестве первичной использовалась сначала ближняя к магнитопроводу обмотка, а затем дальняя. Трансформатор нагружался активным и индуктивным током. Измерение намагничивающего тока под нагрузкой производилось запатентованным способом с применением специально откалиброванных шунтов. Выявлено, что первичную обмотку трансформатора с концентрическими обмотками предпочтительно располагать дальше от магнитопровода. Это позволит при работе под нагрузкой снизить намагничивающий ток, снизить потери в стали без снижения уровня боевой готовности систем военного назначения.

Abstract: Reduction of losses in power transformers, widely used in military systems, reduces the costs of their operation. The influence of a relative concentric core, was used, then the secondary. The transformer was loaded with active and inductive current. The measurement of the magnetizing current under load was

carried out by a patented method with the use of specially calibrated shunts. It was found that the primary winding of a transformer with concentric windings is preferably located further away from the magnetic core. This will allow to reduce the magnetizing current when working under load, to reduce copper losses without reducing the combat readiness of military systems.

Ключевые слова: трансформатор; концентрическое расположение обмоток, намагничивающий ток, системы военного назначения, потери в стали.

Keywords: transformer, concentric location of windings, magnetizing current, military systems, losses in steel.

Силовые трансформаторы широко используются в системах жизнеобеспечения объектов и комплексов военной инфраструктуры. Однако конструктивные решения современных трансформаторов не позволяют эффективно решать вопросы повышения их коэффициента полезного действия (КПД), улучшать их технико-экономические показатели (ТЭП). Поэтому, как нам представляется, задача разработки новых технических решений ресурсосберегающих трансформаторов представляется актуальной, прежде всего с точки зрения экономии ресурсов на поддержание боеготовности военных объектов.

В силовых трансформаторах обмотки чаще располагают концентрически. Такое расположение обмоток определяет малое рассеяние магнитного потока. Поля рассеяния замыкаются не только по воздуху, а прежде всего по магнитопроводу. В результате, поля рассеяния имеют разные пути и различные значения. Различия в расположении обмоток (ближе к магнитопроводу или дальше) определяют различия в индуктивностях потоков рассеяния. Известно, что для обмоток, расположенных концентрически, индуктивность рассеяния больше у обмотки, расположенной ближе к магнитопроводу [ 1].

Однако вопросы, связанные с полями рассеяния магнитного потока отдельных обмоток, изучены недостаточно (обычно этим пренебрегают). Исследования [2, 3], показали, что учёт рассеяния магнитного потока позволяет под нагрузкой снизить сечение магнитопровода сварочного трансформатора или выполнить магнитопровод с переменным сечением. Это приводит к существенной экономии материалов и энергии.

Значит, исследование особенностей полей рассеяния самой большой категории трансформаторов, применяемых на объектах Министерства Обороны РФ, рекомендации по расположению обмоток могут принести значительный экономический эффект без снижения уровня боевой готовности за счёт уменьшения намагничивающего тока, потерь в стали. Поэтому, цель исследования - выявить зависимость расположения концентрических обмоток силового трансформатора на его характеристики.

Исследовался универсальный однофазный трансформатор ОСМ 1,0 кВт, с двумя концентрическими обмотками: ближняя к магнитопроводу с номинальным напряжением 220В и дальняя от магнитопровода с номинальным напряжением 230В.

Трансформатор, благодаря броневой конструкции магнитопровода, отличается малым рассеянием магнитного потока. Это подтверждается опытом короткого замыкания (напряжение короткого замыкания составило 1,77%).

Рис. 1. Схема исследования

Для измерения намагничивающего тока под нагрузкой была применена схема, изображенная на рис. 1 [4]. В первичной и вторичной обмотке установлены шунты Ш1 и Ш2. Соотношение между номинальными токами шунтов выбрано равным коэффициенту трансформации трансформатора. Клеммы шунтов Ш1 и Ш2 соединены таким образом, чтобы падение напряжения от тока г'20) на шунте Ш2 вычиталось из падения напряжения на шунте Ш1 от тока г1(). Осциллограф в такой схеме

покажет ток I ) . Реальная осциллограмма приведена на рис. 2.

Рис. 2. Реальные осциллограммы намагничивающего тока при сильном насыщении

магнитопровода

В ходе исследования трансформатор в режиме холостого хода подавали напряжение несколько больше номинального, магнитопровод насыщался и намагничивающий ток имел явные признаки нелинейности (так легче контролировать максимальное значение намагничивающего тока). Поддерживая питающее напряжение постоянным, трансформатор нагружали до нагрузки, близкой к номинальной. Амплитудное значение намагничивающего тока и другие данные измерений фиксировали.

В дальнейшем первичную и вторичную обмотки меняли местами, исследование повторяли. Начальное значение питающего напряжения на холостом ходу подбиралось так, чтобы амплитудное значение намагничивающего тока было точно таким же, как в предыдущем опыте.

43

Аналогично выполнялись опыты и для индуктивной нагрузки. Данные опытов приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Активная нагрузка

Первичная обмотка - БЛИЖНЯЯ к магнитопроводу Первичная обмотка -ДАЛЬНЯЯ от магнитопровода

Опыты 1 2 3 4 1 2 3 4

иь В 260 260 260 260 260 260 260 260

I!, А 1,4 3 4 5 1,1 3 4 5

Щ В 264 264 262 262 250 246 246 246

12, А 0,6 2,4 3,4 4,45 0,25 2,75 3,85 4,9

1намаг, дел 1,3 1,4 1,4 1,5 1,3 1,3 1,3 1,3

1намаг, А 1,56 1,68 1,68 1,80 1,56 1,56 1,56 1,56

Вывод 1намаг. растёт 1намаг. постоянен

Таблица 2

Индуктивная нагрузка

Первичная обмотка - БЛИЖНЯЯ к Первичная обмотка -

магнитопроводу ДАЛЬНЯЯ от магнитопровода

Опыты 1 2 3 4 1 2 3 4

иь В 252 252 252 252 260 260 260 260

11, А 1 3 4 5 1 3 4 5

и2, В 256 256 256 256 246 250 250 250

12, А 0 2,25 3,4 4,35 0 2,5 3,6 4,7

1намаг, дел 1,3 0,9 0,8 0,7 1,3 0,8 0,7 0,6

1намаг, А 1,41 0,98 0,87 0,76 1,41 0,87 0,76 0,65

Вывод 1намаг. снижается 1намаг. снижается

Для удобства процессы в трансформаторе будем анализировать с применением Т-образной схемы замещения (рис. 3).

Рис. 3. Упрощённая Т - образная схема замещения трансформатора

Ток нагрузки, протекающий по индуктивности рассеяния первичной обмотки Lol, вызывает падение напряжения, и к намагничивающей ветви Ьц будет приложено меньшее напряжение, что определит снижение намагничивающего тока. Эффект будет тем сильнее, чем режим работы ближе к режиму короткого замыкания. Причём фаза тока нагрузки так же может иметь значение. Индуктивный ток нагрузки совпадает по фазе с намагничивающим током и может его «заменить» (обеспечить ЭДС индукции первичной обмотки, уравновешивающую питающее напряжение) и снизить.

С другой стороны, ток нагрузки будет создавать потоки рассеяния первичной обмотки, которые будут замыкаться частично по железу, в области размещения первичной обмотки, частично по воздуху. При этом магнитопровод будет дополнительно нагружен, что приведёт к росту намагничивающего тока.

По результатам опытов наблюдаются различные тенденции изменения намагничивающего тока в зависимости от расположения первичной обмотки и характера нагрузки. Различия связаны, в том числе, с использованием анизотропной холоднокатаной электротехнической стали при изготовлении магнитопровода трансформатора. Данный вид стали является текстурированным и обладает высокими электротехническими свойствами в одном направлении. По другим направлениям магнитная проницаемость резко снижается и достигает минимальных значений при пути магнитного потока в направлении, перпендикулярном направлению прокатки.

- направление прокатки электротехнической стали

- направление потока рассеяния в различных точках

Рис. 4. Направления магнитного потока рассеяния в различных точках поля

Так как часть магнитного потока рассеяния обмотки проходит по магнитопроводу не в направлении прокатки (рис. 4), то магнитная проницаемость в этих местах снижена.

Внутренняя обмотка трансформатора обладает большей индуктивностью рассеяния, чем наружная [3]. Значит, магнитный поток рассеяния внутренней обмотки в большей степени замыкается по сердечнику трансформатора, чем по воздуху, встречает большее магнитное сопротивление, что влияет на увеличение тока намагничивания.

Кроме того, характер тока нагрузки играет большую роль. Намагничивающий ток является индуктивным и при активной нагрузке, в случае, когда внутренняя обмотка - первичная, возрастает под действием указанных факторов. А в случае наружной первичной обмотки, тенденция на увеличение намагничивающего тока снижается, его значение не меняется при изменении активной нагрузки.

При индуктивной нагрузке, ток нагрузки совпадает по фазе с намагничивающим и, тем самым, его «подменяет», а, значит, намагничивающий ток уменьшается. Эффект увеличения тока намагничивания из-за анизотропии электротехнической стали полностью подавляется индуктивным током нагрузки.

В ходе опытов не удалось выявить различия в потерях трансформатора при подключении к источнику обмотки ближней к магнитопроводу и дальней. Потери в трансформаторе невелики и, возможно, не хватило точности измерения. Форма намагничивающего тока при индуктивной и активной нагрузках различна.

Определение необходимого расположения обмоток с помощью опытного исследования далеко не всегда представляется возможным. Решение данной проблемы - в математическом моделировании.

Создание математической модели предлагается следующим способом. Определим схемы замещения. В расчёте важны индуктивности рассеяния обмоток, изменяющиеся с течением времени в широких пределах, поэтому электрическую схему трансформатора в данном случае представим в виде индуктивно связанных цепей (рис. 5).

Рис. 5. Электрическая схема с учетом индуктивностей рассеяния Lol и Lo2 - индуктивности рассеяния по воздуху (не насыщаются). Для учета перераспределения магнитного поля в магнитопроводе от намагничивающего тока примем Т-образную схему замещения магнитной цепи (рис. 6), где: Fl, Б2 - МДС обмоток; Ф1, Ф2 - потоки через первичную и вторичную обмотки; Ro - линейное воздушное сопротивление магнитному потоку в воздухе; Rц1, Rц2 - магнитные сопротивления участков магнитопровода в области размещения первичной и вторичной обмоток.

Рис. 6. Схема замещения магнитной цепи, На электрической схеме (рис. 5) в I и II контурах зададимся направлениями обхода токов, ЭДС и напряжений, по второму закону Кирхгофа составим уравнения:

Щт Бт а=жтБ

ав

Ж

+ь

Ж

<1

Л Ж

+т

14

ав,

2

2 2 ж

+ и 1 + Ь 0 2 2 а <2 ж

По схеме замещения магнитной цепи (рис. 6) составим третье уравнение для III направления обхода и систему уравнений для контуров I и II (Н0 и В0 - коэффициенты аппроксимации основной кривой намагничивания):

В В?

I Н^к—1 + ^Н^к—2 = ж, I

10 в 2 0 В В0 В0

11

^2

™2г2

Ф Я Ф Я ; 1 ц1 о о

= Ф Я _+Ф Я 2 ц2 о о

Продифференцировав уравнение (3) и уравнение, получаемое после решения системы уравнений (4), а так же с учетом уравнений (1) и (2), будем иметь систему из четырех исходных уравнений. Эти уравнения были решены с помощью программных средств ПЭВМ, опыты физического эксперимента были промоделированы. Сходимость результатов корректная. Наибольшее отклонение не превышало 9%. Были промоделированы различные конструкции трансформаторов, с различным расположением обмоток.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Индуктивность рассеяния одной из обмоток может в несколько раз превышать индуктивность рассеяния другой обмотки, приведённой к одному числу витков.

2. В трансформаторах с концентрическими обмотками и магнитопроводом с высокой анизотропией, используемых на объектах военного назначения, первичную обмотку целесообразно располагать дальше от магнитопровода. Это снизит намагничивающий ток и потери в стали без снижения уровня боевой готовности.

:

Список литературы:

1. Марквардт Е. Г. О рассеянии обмоток трансформатора // Электричество.-1937. № 11.-с.60-63.

2. Гуков Д. В., Перцев А. В. Сварочный трансформатор с уменьшенным сечением магнитопровода // Электротехника. - 1996. - № 6. - С. 22-25.

3. Патент РФ № 2121416 МКИ В 23 К 9/10, ГО1 F 21/00 Гуков Д. В., Еруманс А. А. Устройство для сварки // Бюл. № 31 от 10.11.98.

4. Патент РФ №2328749 МПК G01R 19/00 Гуков Д. В., Гуков А. Д. и др. Способ измерения намагничивающего тока трансформатора, работающего под нагрузкой // Бюл. №19 от 10.07.2008.