Введение к работе
Актуальность темы. Объектом настоящего исследования является сухое трансформаторное оборудование для источников вторичного электропитания (ИВЭ), в частности, трансформаторы сетевой частоты мощностью 0,5 - 60 кВА, а также монолитные узли, трансформаторы и дроссели мощностью 0,1 - 1,0 кВА для источников электропитания с высокочастотным (до десятков килогерц) преобразованием энергии. Рассматриваемым устройствам присущи следующие особенности, которые обуславливают повышенные требования к качеству электромагнитных и тепловых расчетов:
широкий диапазон температуры окружающей среды (как правило, от -60 С до +60 С) и рабочей температуры элементов;
для высокочастотных магнитных материалов характерна более выраженная зависимость магнитных свойств от температуры, низкая температура Кюри (для некоторых марок ферритов 70-100С), невысокая теплопроводность;
низкая теплопроводность радиочастотных проводов, анизотропия теплопроводности обмотки при использовании фольги;
массогабаритные показатели электромагнитных элементов критичны не столько с точки зрения их стоимости, сколько вследствие противоречия с массогабаритными показателями функциональной аппаратуры.
Проблема снижения массогабаритных показателей трансформаторного оборудования решается несколькими способами: поиском новых конструкций, использованием материалов с улучшенными свойствами, повышением электромагнитных нагрузок с применением мер по интенсификации теплообмена устройства с окружающей средой, повышением рабочей частоты электромагнитных элементов. При практической реализации каждого из них актуальна задача детального исследования физических явлений на основе численного моделирования магнитного, теплового и электрического полей, что обусловлено характерным для полевых моделей свойством универсальности, инвариантности к объекту исследования.
Существующие методики для определения электромагнитных и тепловых режимов обычно ориентированы на узкий класс близких в конструктивном отношении объектов. Известные математические модели и программные средства для исследования физических полей не учитывают их взаимное влияние.
Целью работы является разработка математических моделей и алгоритмов для анализа взаимосвязи физических явлений в электромагнитных элементах и узлах ИВЭ на основе расчета магнитных, тепловых и электрических полей, а также разработка соответствующих программных средств.
С их использованием должны быть решены конкретные технические задачи:
исследование теплового режима высоковольтного блока рентгеновского спектрометра,
расчетное и экспериментальное исследование характеристик нелинейных дросселей,
расчетное и экспериментальное исследование способов повышения теплоотдачи и радиальной теплопроводности сухого трансформаторного оборудования.
Методы исследований.
В работе использован метод конечных разностей (МКР). При его реализации алгоритм формирования конечноразностнои модели опирается на метод баланса, а для решения системы линейных уравнений использован метод Гаусса.
При решении тех же задач применяется метод конечных элементов (МКЗ). Решение системы нелинейных уравнений полевой задачи достигается использованием итерационного метода Ньютона- Рафсона с применением метода Холецкого для решения системы линеаризованных уравнений в пределах итерации. Для кривых намагничивания использована онлайновая аппроксимация, а для прочих нелинейных зависимостей - кусочо-линейная. В составе сервисного обеспечения МКЭ использован фронтальный алгоритм генерации конечноэлементной сетки и фронтальный алгоритм перенумерации узлов.
При разработке алгоритма решения сопряженной задачи моделирования совокупности физических полей решение системы нелинейных уравнений находится методом Ньютона.
При разработке пакета программ для проектирования многообмоточных трансформаторов использованы аналитические модели, инвариантные к числу обмоток и конструктивному строению трансформатора, в том числе метод средних геометрических расстояний.
Экспериментальные исследования проведены на физических моделях.
Научная новизна заключается в следующем:
разработан алгоритм решения сопряженных магнитных, тепловых и электрических нелинейных полевых задач на основе МКЭ;
разработан алгоритм формирования конечноразностной модели, позволяющий формализовать обработку внутренних, граничных и угловых узлов сетки;
экспериментально и расчетным путем исследована эффективность приема повышения теплоотдачи поверхности нанесением сферических углублений применительно к поверхности диэлектрика, как материала, обладающего низкой теплопроводностью;
на основе комплексного исследования электрического и теплового поля предложены и исследованы варианты конструкции сухого трансформатора с секционированными обмотками.
Практическая ценность работы.
-
Математические модели и программные средства для моделирования физических полей на их основе позволяют выполнить комплексное исследование электромагнитных элементов ИВЭ, что повышает качество проектных расчетов.
-
Отработаны методы исследования характеристик нелинейных дросселей. Использование нелинейных дросселей позволяет в ряде случаев снизить массу и габариты фильтра ИВЭ.
-
Предложенные варианты конструктивного повышения радиальной теплопроводности сухого трансформатора позволяют повысить удельную мощность устройства, т.е. снизить'расход активных материалов.
А. Пакет программ для проектирования многообмоточных трансформаторов позволяет снизить трудоемкость и повысить качество проектирования.
Внедрение результатов работы.
Пакет программ для проектирования многообмоточных трансформаторов внедрен в НПО им. Коминтерна, г. С.-Петербург. Результаты проектирования и расчетов теплового режима сухого вы-соковольтного трансформатора использованы при разработке блока питания телевизионного передатчика дециметрового диапазона в той же организации (ныне Российский институт мощного радиостроения). Программные средства для численного моделирования полей и результаты расчета теплового поля высоковольтного блока рентгеновского спектрометра СПЕКТРОСКЛН используются в НПО "СПЕКТРОН". г. Санкт-Петербург.
Программный комплекс для конечноэлементного моделирования физических полей используется в учебном процессе ИГЭУ.
Апробация работы. Диссертационная работа в полном объеме рассматривалась на кафедре электромеханики Московского энергетического института и на кафедре электромеханики Ивановского государственного энергетического университета. Результаты исследования некоторых вопросов, включенные в данную работу, докладывались на научно-техническом семинаре НИС-2042 НПО им.Коминтерна, г. С.-Петербург, 19.12.1990г., Всесоюеной научно-технической конференции "Бенардосовские чтения" г. Иваново, 7-9 июня 1983г., III Всесоюзной конференции "Автоматизация поискового конструирования и подготовка инженерных кадров" АПК-83 г. Иваново, 27-30 сентября 1983г, III Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники" г.Киев, октябрь 1983г., Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (II Бенардосовские чтения) г.Иваново, 5-7 июня 1985г., Всесоюзной научно-технической конференции " Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении" (IV Бенардосовские чтения) г.Иваново, 31 мая - 2 июня 1989г, Мевдународной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (VII Бенардосовские чтения) г. Иваново, 25-27 мая 1994г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем - 189 страниц, включая 36 страниц иллюстраций и 37 страниц приложений, библиография 149 наименований.
Похожие диссертации на Разработка моделей и алгоритмов для проектирования и исследования трансформаторного оборудования источников электропитания
