Исследование и проектирование трансформаторов малой мощности повышенной частоты оптимальных по массе

На фоне успехов миниатюризации цифровых и аналоговых устройств преобразования сигналов становится все более заметной недостаточная степень миниатюризации преобразователей электрической энергии и других силовых электронных устройств.

Жизнь уже доказала, что рассматривать источники вторичного электропитания (ИВЭП) как сочетание простейших элементов — трансформаторов, выпрямителей, сглаживающих фильтров и стабилизаторов непрерывного действиядальше нельзя, так как объем и масса ИВЭП становятся больше объема и массы питаемой ими микроэлектронной аппаратуры /94/.

Критериями миниатюризации преобразователей электрической энергии являются удельная мощность и относительный объем, т. е. отношение объема преобразователя к объему потребителя (нагрузки) или к суммарному объему системы. При этом геометрия любого электротехнического устройства определяется либо требуемой поверхностью теплоотвода, либо конструктивным объемом, необходимым для размещения деталей.

Требуемая поверхность теплоотвода при заданных выходной мощности и условиях теплоотвода полностью определяется коэффициентом полезного действия преобразователя, который зависит от рабочей частоты и электромагнитных нагрузок, т. е. от плотности тока, максимальной магнитной индукции. Таким образом, объем, необходимый для размещения деталей в ИВЭП, зависит от их удельных нагрузок и конструктивного исполнения.

Миниатюризация силовых устройств требует совместного решения, по крайней мере, пяти взаимосвязанных проблем: энергетических, структурных, конструкторско-технологических, системных, организационных /94/.

Трансформаторы малой мощности (ТММ), применяются в энергетических устройствах, на> т широкое использование в народном хозяйстве. Объем их выпуска достига ескольких десятков миллионов штук в год. С появлением новой разнообразной техники возрастает потребность в увеличении объема выпуска ТММ. На их производство в стране расходуется большое количество дорогоi ч стоящих активных материалов. Ограниченные запасы природных ресурсов и требования конкурентоспособности поставили перед специалистами задачу по снижению расхода этих материалов. Поэтому выдвигаются самые жесткие требования к их массе, габаритам и себестоимости в целом.

Сейчас трансформатор представляется достаточно простым и хорошо знакомым устройством. Спроектировать его, удовлетворив заданным электрическим параметрам, давно уже не представляет проблемы. Но спроектировать его удовлетворяющим всей, порой весьма сложной, совокупности требований и при этом спроектировать оптимальным, причем по заданному критерию оптимизации, — это уже проблема. Использование ЭВМ позволяет учесть ряд дополнительных факторов, которые ранее не учитывались.

Распространенным способом снижения массы и габаритов ТММ является повышение их рабочей частоты. При работе на частотах в десятки и сотни кГц в качестве магнитопроводов используются в основном сердечники из ферритов. Широкое применение находят ИВЭП, стабилизаторы и согласующие устройства с использованием трансформаторов на промышленной (50 Гц) и повышенной частоте (до единиц кГц) мощностью от долей Вт до сотен и более кВт. Ввиду использования промышленной и повышенной частоты (до единиц кГц) доля массы и объема таких трансформаторов составляет значительную часть от массы и объема всего изделия. При такой рабочей частоте целесообразно использовать в качестве магнитопровода сердечник из электротехнических сталей. Поэтому вопрос проектирования оптимального трансформаторно-реакторного оборудования на промышленных и повышенных частотах на электротехнических сталях до сих пор является актуальной задачей.

Другим направлением решения задачи снижения массы и габаритов ТММ является разработка новых, более точных методик проектирования ТММ с применением различных методов оптимизации /17/.

Вопросы оптимального проектирования целесообразно решать с помощью вычислительной (Щ^ики. На кафедре «Электромеханика» ГОУ «Оренбургский государственный университет» ведутся работы по автоматизации расчетного проектирования ТММ, являющихся частью преобразовательных установок агрегатов бесперебойного питания (АБП), выпускаемых ОАО «Завод «Инвертор» г. Оренбурга. Разработана подсистема автоматизированного проектирования ТММ, в которой применен подход к оптимальному проектированию на основе оптимизационной процедуры и поверочного расчета трансформатора. Синтез варианта трансформатора осуществляется из условия допустимого перегрева. Анализ проекта ТММ проводится при поверочном расчете. Одним из условий анализа является проверка на нагрев магнитопровода и обмоток ТММ, осуществляемая процедурой теплового расчета. Результаты расчетов ТММ показали, что размеры ТММ изменяются таким образом, что при сохранении допустимого перегрева электромагнитные нагрузки трансформатора повышаются при одновременном улучшении массо-габаритных показателей. Анализ работы примененных в подсистеме моделей теплового расчета позволил сделать вывод о необходимости дальнейшего повышения их точности.

Полученные в результате теплового расчета температуры магнитопровода и обмоток ТММ говорят в целом об его энергозагрузке и использовании. В зависимости от того, какая температура получена — ниже или выше допустимой, определяется степень использования стали магнитопровода или проводникового материала обмоток. Недооценка в любую сторону при расчете температур приводит или к перерасходу активных материалов, или снижает срок службы ТММ и его надежность.

Оптимальный вариант в расчете температур — максимальное приближение рассчитанной и реальной температур. Современные методики допускают «разброс» результатов расчета температур из-за различного рода погрешностей и допущений. Полученные результаты не могут быть обобщены и перенесены на другие типы ТММ, так как методики рассчитаны на ограниченный класс типоразмеров трансформаторов и их рабочей частоты. Большинство методик дают некоторый гарантированный запас по температуре — рассчитанная температура приближается к допустимой и, как правило, бывает ниже температуры, полученной в эксперименте над о^азцом ТММ. Поэтому в последнее время усилия разработчиков и проектировщиков ТММ направлены на поиски путей совершенствования методик и точности тепловых расчетов, призванных уменьшить этот запас по температуре и, в конечном итоге, привести к уменьшению массы проектируемого ТММ и экономии народных средств, идущих на его изготовление.

Лучшего использования активных материалов можно добиться при оптимальном проектировании ТММ на повышенные частоты, когда ТММ работает в «оптимальном» тепловом режиме, когда отсутствует взаимный теплообмен между стержнем магнитопровода и катушкой трансформатора при условии нагрева обеих частей до предельно допустимой температуры. Поэтому при повышенных частотах и оптимизации решающую роль в проектировании ТММ начинают играть не электромагнитные, а тепловые процессы.

Более полное представление о характере тепловых процессов, происходящих в ТММ, может быть получено с помощью математической модели теплового поля, основанной на точном решении дифференциальных уравнений в частных производных. Результаты расчетов поля температуры позволят определять максимальную температуру обмоток и магнитопровода, средние значения перегревов обмоток и исследовать влияние размерных соотношений и тепловых параметров на поле температур ТММ при промышленной и повышенной частоте питания.

Современные средства вычислительной техники позволяют максимально автоматизировать процесс теплового расчета. Однако точную методику теплового расчета ТММ, полученную на основе модели его теплового поля, нецелесообразно применять при оптимизационном проектировании трансформатора, так как она требует большого количества времени счета. С целью уменьшения затрат машинного времени при многократном обращении к процедуре теплового расчета во время оптимизации необходима «экспресс» — методика теплового расчета, позволяющая быстро и достаточно точно определять значения неизвестных температур ТММ. Такая модель может быть получена на основе анализа подробной модели поля ТММ и его экспериментального исследования.

В свете сказанного актуальна задача проведения обобщенного теоретического анализа и создания на его основе методов оптимального проектирования,.

I j обеспечивающих поучение оптимальных ТММ /1/.

На рисунке В.1 представлен алгоритм действий, направленный на исследование и проектирование трансформаторов малой мощности.

Постановка задач для достижения цели.

Выбор методов, определение ограничений и допущений.

Теоретические исследования.

Исследования и проектирование.

Результаты теоретических Анализ исследований результатов нет.

Положительные результаты.

Экспериментальные исследования.

Результаты экспериментов.

Методики, да алгоритмы и программное обеспечение.

Результаты исследований и проектирования.

Конец.

Рисунок В.1 — Алгоритм исследования и проектирования ТММ.

Актуальность работы определяется все возрастающими требованиями к массогабаритным показателям изделий, в состав которых входит ТММ. При оптимизационном расчете актуальны вопросы повышения точности и быстродействия методов тепловых и электромагнитных расчетов ТММ. Существующие на сегодня методики дают погрешность в пределах 10−15%. С развитием вычислительной техники появляется задача совершенствования старых и разработки новых точных методик тепловых расчетов, что ставит эту задачу на качественно новый уровень. Данная диссертационная работа является неотъемлемой частью научно-технических разработок, связанных с автоматизацией расчетного проектирования трансформаторно-реакторного оборудования. В настоящее время на кафедре «Электромеханика» университета продолжается разработка данного направления научных работ под руководством доцента кафедры, к.т.н. Кутарева A.M.

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: а) выбор и обоснование объектов исследования, критериев, ограничений и допущенийб) выбор математического аппарата исследования поля температур трансформаторов малой мощностив) выбор существующих и разработка новых методик расчетов коэффициентов теплоотдачи (КТО) с поверхностей охлаждения. Исследование влияния геометрии трансформаторов и других факторов на КТО и поле температург) на основе разработанных уточненных методик создание алгоритмов и.

1. ! программ:

1) уточнённого расчета поля температур с целью его анализа для вновь проектируемых и заданных трансформаторов промышленной и повышенной частоты на стандартных и нестандартных магнитопрово-Дах;

2) автоматизированного проектирования оптимальных трансформаторов повышенной частотыд) теоретические и экспериментальные исследования спроектированных трансформаторове) 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 теп-ловизионной техники и косвенными совместными измерениями сопротивлений обмоток. Исследование и проектирование трансформаторов малой мощности повышенной частоты оптимальных по массе проводилось с использованием методов поисковой оптимизации (метод Бокса).

Научная новизна заключается в следующем:

• разработаны математическая модель и алгоритм расчета трехмерного поля температур на % 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 тепловизпонной техники уточненные экспериментальные поля температур 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. Целью является повышение надежности и наиболее полное использование 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 на стандартных и нестандартных магнитопроводах;

• 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, выполнять его поверочные расчеты;

• созданное программное обеспечение может использоваться как инструментарий для разработки новых рядов сердечников трансформаторов на повышенные частоты.

Реализация в промышленности подтверждена 8 актами внедрения.

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

Созданное программное обеспечение используется в исследовательском процессе и дипломном проектировании для студентов по специальности «Электромеханика» в Оренбургском государственном университете. (Приложение В).

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 1996 г.), региональных научно-практических конференциях (Оренбург, 1999 г.), региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Оренбуржья (Оренбург 2000 г.), всероссийской научно-практической конференции (Оренбург, 2000 г.), международной научно-практической конференции (Оренбург, 2001 г.). Основные разделы диссертационной работы были представлены на конкурсе «Лучший молодой инженер Оренбуржья» (Оренбург, 2005 г.) и конкурсе «Молодые ученые Поволжья до 30 лет» (Самара, 2005 г.). 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» (Приложение В). Раздел диссертационной работы по тепловым полям был представлен в с. Дивномор-ское 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 (Приложение В). 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 (Приложение В). Выдан Диплом победителя Конкурса.

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

Основные положения, представляемые к защите:

• предложенные математическая модель и алгоритм расчета трехмерного поля температур на % 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 повысить точность 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 есть смысл производить расчет с локальными значениями коэффициентов теплоотдачи;

• на повышенных частотах изменение геометрических размеров трансформаторов от стандартных позволяет уменьшить их массу на 15 — 20%.

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 выдать 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 ГОУ «Оренбургский государственный университет» как инструментарий в различных исследованиях теплового режима ТММ, выполняет его поверочные расчеты (получено 2 акта внедрения). Используется при автоматизированном проектировании ТММ в ОАО «Завод «Инвертор» и ООО HI 111 «Анод» (получено 6 актов внедрения в производство).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Таким образом, в результате проделанной работы разработан подход уточненного определения коэффициентов теплоотдачи с вертикальных поверхностей охлаждения ТММразработана математическая модель и алгоритм расчета поля температур с учетом локальных значений коэффициентов теплоотдачи, созданы программыразработана 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.