Введение к работе
Актуальность работы. В народном хозяйстве страны широкое применение находят разнообразные трансформаторы малой мощности (ТММ). На их производство расходуется большое количество активных материалов. Ограниченные природные запасы таких материалов и их большая стоимость ставят задачу по снижению расхода этих материалов.
Одним из распространенных способов снижения массы и габаритов ТММ является повышение их рабочей частоты. Другим направлением решения задачи является совершенствование старых и разработка новых, более точных методик проектирования ТММ с применением различных методов оптимизации. При повышенных частотах и оптимизации ре-лающую роль в проектировании ТММ начинают .играть ме плектромагнит-ные, а тепловые процессы.
В последние годы вопросам тепловых расчетов ТММ и повышению их точности уделяется все большее внимание. Объясняется это возрастанием требованием к массо-габаритным показателям изделий, в которых используется ТММ. Существующие на сегодня методики тепловых расчетов ТММ при варьировании в широком диапазоне геометрических размеров магнитопровода и частоты питающего напряжения допускают погрешность в пределах 10-15 %. Ее компенсация в методиках происходит за счет снижения использования активных материалов, что становится все менее оправданным. Поэтому, несмотря на определенные достижения в этой области исследования, задача теплового расчета ТММ до сих пор является актуальной, а развитие вычислительной техники ставит эту задачу на качественно новый уровень. Решить такую задачу можно только при всестороннем изучении тепловых полей ТММ.
Диссертационная работа является неотъемлемой частью научно-технических работ, связанных с автоматизацией расчетного проектирования трансформаторо-реакторного оборудования для агрегатов бесперебойного питания (АБП). 'выпускаемых АО "Инвертор" г. Оренбурга и проводимых в рамках заключавшихся хозяйственных договоров между АО "Инвертор" и Оренбургским государственным университетом. В настоящее время на кафедре электромеханики и теоретической электротехники университета продолжается разработка данного направления научных работ под руководством доцента кафедры, к.т.н.
A. M. Кутарева.
Целью работы является разработка математических моделей и алгоритмов теплового расчета при автоматизированном проектировании ТММ, работающего на промышленной и повышенной частоте питающего напряжения, а также-разработка соответствующего программного обеспечения, входящего в подсистему автоматизированного проектирования трансформаторов. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе определены и решены следующие задачи:
разработать математическую модель трехмерного стационарного поля температуры ТММ и на ее основе реализовать алгоритм и программу численного расчета поля;
провести тепловые испытания трансформаторов различных геометрий магнитопровода и мощностей для различных частот питающего напряжения с целью определения превышения температуры отдельных частей ТММ;'
провести анализ расчетного и экспериментального исследования теплового режима исследуемых ТММ;
оценить принятые допущения на основе анализа картины теплового поля;
разработать "экспресс"-модель по расчету теплового режима ТММ на основе анализа результатов эксперимента и численного расчета поля.
Методы исследования. Исследования теплового поля выполнялись на ЭВМ типа IBM численным методом на основе алгоритма, разработанного на базе метода конечных разностей. Аналитический метод решения двухмерных тепловых полей использован при определении тепловых сопротивлений стержня и ярма магнитопровода ТММ. Экспериментальные исследования проведены на реальных объектах. При разработке программного обеспечения по тепловому расчету ТММ использована его аналитическая модель в виде тепловой схемы замещения.
Научная новизна заключается в следующем:
впервые разработана математическая модель по расчету трехмерного стационарного поля температуры ТММ методом конечных-разностей;
впервые разработан алгоритм расчета поля температуры, позволяющий определять температурное поле во всем объеме ТММ;
разработанное программное обеспечение по расчету поля температуры используется как инструментарий в различных исследованиях
теплового режима ТММ. выполняет его поверочные тепловые расчеты, а также проводит эксперименты по проверке иных методик теплового расчета;
на основе экспериментального и расчетного исследований тепловых режимов ТММ предложены тепловые схемы замещения трансформаторов, работающих на промышленной и повышенной частоте питающего напряжения;
на основе решения двухмерного поля температуры стержня и ярма магнитопровода предложены аналитические выражения для их тепловых сопротивлений, учитывающих направления передачи тепловых потоков "вдоль" и "поперек" шихтовки.
Практическая ценность и значение работы.
-
Разработанную математическую модель трехмерного стационарного поля температуры рекомендуется "применять на заключительном этапе проектирования ТІШ при его поверочном расчете с целью уточнения перегрева отдельных частей трансформатора.
-
Программное обеспечение по расчету поля температуры рекомендуется использовать в качестве инструментария для определения места максимальной температуры ТММ и распределения температур внутри его объема, что в дальнейшем может быть учтено при его изготовлении, а также для проверки некоторых методик теплового расчета и дальнейшего изучения характера тепловых процессов трансформаторов.
-
Точность разработанной модели по расчету поля температуры ТММ и ее адекватность реальным тепловым процессам позволяет отказаться от изготовления опытных образцов трансформаторов, предназначенных для теплового эксперимента.
-
Разработанная универсальная "экспресс-модель для теплового расчета ТММ позволяет более точно рассчитывать температуру наиболее нагретых частей трансформатора при его проектном и оптимизационном расчете, что приводит к повышению удельной мощности проектируемого трансформатора, снижению массо-габаритных показателей и, в целом, повышает качество проектирования.
Реализация результатов работы. Разработанное программное обеспечение по автоматизированному тепловому расчету поля температуры в виде самостоятельного программного модуля используется при поверочных тепловых расчетах ТММ на заключительных стадиях его проектирования и при проверке некоторых методик его теплового рас-
чета.
"Экспресс"-модель для теплового расчета ТММ и соответствующее программное обеспечение, внедренное в состав расчетной подсистемы автоматизированного проектирования ТММ. позволяет проводить оптимизационные проектные расчеты трансформаторов. Комплекс программ- по автоматизации расчетного проектирования ТММ внедрен в АО "Инвертор" г. Оренбурга и успешно эксплуатируется в отделе транзисторных АБП.
Апробация работы. Диссертационная работа в полном объеме рассматривалась на кафедре электромеханики Московского энергетического института (технического университета), на кафедрах "Безопасность жизнедеятельности" и "Электромеханика" Ивановского государственного энергетического университета и ла кафедре электромеханики л теоретической электротехники Оренбургского государственного университета. Результаты исследований некоторых вопросов, рассматриваемых в диссертационной работе, докладывались на XIV научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития Уральского региона" (г. Оренбург, 1992 г.), на XV научно-технической конференции (г. Оренбург. 1993 г.), на XVI научно-технической конференции (г. Оренбург, 1994 г.) и на научно-технической конференции "Современные технологии в электромеханике, электроприводе и электроснабжении Оренбургского региона" (г. Оренбург, 1996 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано Є печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 108 наименований, приложения и содержит 148 страниц машинописного текста, 29 рисунков и 15 таблиц.
Похожие диссертации на Разработка математических моделей и алгоритмов тепловых расчетов при автоматизированном проектировании трансформаторов малой мощности
