автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Обобщенный метод оптимального проектирования трансформаторов и реакторов с прямоугольным сечением магнитопровода

Г 5 ОД

О ВИВ 1335

Московский энергетический институт (Технически! университет)

На правах рукописи

МАКАРОВА АННА ВАЛЕНТИНОВНА

Обобщенный метод оптимального проектирования трансформаторов и реакторов с прямоугольным сечениеи нагнигопровода

05.09.01 - электромеханика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1995 г.

Работа выполнена в Государственной научном центре "Всероссийский электротехнический институт имени В.И.Ленина"

Научный руководитель - доктор технических наук,

старший научный сотрудник Лейтес Л.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Брянцев A.M.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Дорожко Л.И.

Ведущее предприятие - Производственное объединение

"Инвертор" (г.Оренбург)

Защита состоится " GD&^bCuU 1996 г. в часов в ауд.М-<оН на заседании диссертационного Совета К 053.16.04 Московского энергетического института (Технического университета) по адресу: III250, г.Москва, Красноказарменная ул., 14

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке МЭИ Автореферат разослан

"¿«2/" Q£MOXj)Q 1995 г

Ученый секретарь диссертационного

Совета К 053.16.04 кандидат технических наук, доцент

/рЛ^У В.А.Морозов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальнроть проблемы. Проблема создания электроустановок преобразования переменного тока частотой 50 й* в постоянный и ток повышенной частоты, постоянного в переменяй, постоянного в постоянный с другими параметрами, а также агрегатов бесперебойного питания (АБП) на их основе требует решения комплекса вопросов, среда которых важное место занимает расчета трансформаторов и реакторов, масса, потери, габариты которых существенно влияют на технико-экономические показатели преобразователей, а в ряде случаев являются определяющими. Тэкие расчеты необходимы как на стадии выбора принципиальной схемы преобразователя, так и для уточнения технических требований к элементам схемы, а также для правильного выбора конструкции или материала магнитопровода и обмоток трансформаторов и реакторов.

Трансформаторы и реакторы преобразовательных установок занимают промежуточное положение между энергетическим оборудованием радиоэлектронной аппаратуры. В энергетике для сокращения времени проектирования обычно находят уже изготовленный трансформатор или реактор аналогичной конструкции, на основе данных которого, используя "законы роста" М.Вндиара, получают размеры требуемого устройства. Трансформаторы и реакторы цреобрвзовательных установок отличаются от энергетических гораздо большим разнообразием предъявляемых к ним требований, вызванных характером воздействий, и, следовательно, большим разнообразием конструкций, для которых при их проектировании трудно найти аналог или прототип.

Методы предварительных расчетов, которые дели бы возможность оценить технико-экономичеокие показатели трансформаторов и реакторов на стадии выбора принципиальной структуры схемы преобразователя, развиты недостаточно. Опубликованные по этому вопросу работы касаются, в основном, трансформаторов и реакторов, шепцих сечение магнитопровода, приближающееся к форме круга, и круглые обмотки. Публикации относительно трансформаторов и реакторов, имеющих магнитопровод прямоугольного сечения и овальные обмотки, наиболее часто встречающиеся в различных преобразо-зателях, изобилуют неточностями и ошибками. Это и обусловило вы-5ор текы данной работы, входящей в комплекс исследований и раз-заботок статических преобразователей и АШ на их основе, прово-

дюшх ВЭИ совместно с ПО "Инвертор" (г.Оренбург).

Объектом исследования в диссертационной работе являются трансформаторы и реакторы преобразовательных установок, имеющие магнжтопроводы прямоугольного сечения и овальные (прямоугольные) обмотки. Однако результаты работы можно использовать для трансформаторов и реакторов другого назначения, 8 также для других электромагнитных устройств, имевдих аналогичные конструкции маг-нитопроводов (магнитных усилителей, электромагнитных реле и т.п.).

Цель работы состоит в создании обобщенного метода расчета, который повысит качество проектирования трансформаторов и реакторов, позволит сократить время на их проектирование, а также увеличит точность расчетов и сократит неоправданные расходы активных материалов.

Методы исследования. На основе анализа различных методов, используемых цри проектировании, выбран метод аналитической оптимизации. Он заключается в поиске минимума дифференцированием выражения целевой функции по всем независимым переменным.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработан метод аналитической оптимизации трансформаторов и реакторов, имеющих ыагнитопровод прямоугольного сечения. Получены простые выражения для определения оптимальных соотношений размеров таких магнитопроводов;

2. Впервые получены аналитические решения для расчета индукции в стали мзгнигопровода и средней плотности тока в обмотках трансформаторов и реакторов, имеющих магнитопроводы прямоугольного сечения и ступенчатой формы, приближающейся к кругу;

3. Методы раочета оптимальных соотношений размеров трансформаторов и реакторов основаны на единых позициях и расчеты выполняются с помощью одних и тех же выражений.

Практическая ценность состоит в том, что результаты работы позволяют:

- построить более совершенные ряды типоразмеров магнитопро-водов, чем в действующих стандартах;

- резко уменьшить возможность получения ошибочных данных для дроектирования трансформаторов и реакторов;

- исключить субъективный подход к выбору электромагнитных нагрузок, что позволяет научно обоснованно снизить расход активных материалов;

- поотронть логичные программы расчетов трансформаторов и реакторов на ЭВМ и значительно уменьшить время счета.

Реализация результатов работа.

Разработанный диссертантом метод использовался для оценочных расчетов и проектирования трансформаторов г реакторов при разработках, модернизации и исследованиях преобразователей, проводимых коллективом отдела преобразовательной техники ВЭИ в 1984 - 1994 гг. Разработанный метод использовался для непосредственного расчета трансформаторов и реакторов, для определения их конструкции, выбора материала магнитопроводя я обмоток на предварительной отадии проектирования преобразователей, а также для оценки целесообразности той или иной схемы преобразователя с точки эрения массо-габаритных показателей трансформаторов и реакторов.

Результаты работы попользованы при проектировании трансформаторов и реакторов следующих преобразователей, серийно выпускаемых ПО "Инвертор":

1. ПТС-ЮО (ТУ16-435.098-85) в составе АШ-2-100;

2. ПТС-200 (ТУ16-229.131-83);

3. ПТС-400 (ТУ16-229.131-83);

4. АЕП-24—230-2,5-50 ОД4 (Ш6-435.050-84);

5. АШ-6,3 (ТУ16-435.102-85);

6. АБП-ТПТЕТ-25-400-50 (ТУ 16-89 ШЩ 435334.001 ТУ);

7. Выпрямитель ШИК-1000-240;

8. Сглажнвакщий реактор 0,6 ыГн на ток 1000 А.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Современное состояние и перспектива развития устройств ввода-вывода информации в САПР, АСУ, технологических процессов и гибких автоматических производств" (г.Орел, 1985 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Организация электроснабжения в условиях перерывов и значительных отклонений напряжения питающей сети" (г.Саранск, 1987 г.), на 3-ем Всесоюзном научно-техническом совещании "Применение вычислительной техники для исследования и автоматизации проектирования преобразователей" (г •Николаев, 1989 г.), на УШ-ой Всесоюзной научно—технической конференции по трансфориаторостроению (г.Запорожье, 1990 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем диссертация. Диссертационная работа состоит яэ введения, четырех глав л заключения, списка литературы и црялохений. Она содержит 130 страниц, из них: 85 страниц машинописного текста, 18 таблиц, 22 рисунка , 5 страниц описка литературы, включающего 47 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕЕЕАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана необходимость разработки обобщенного метода оптимального проектирования трансформаторов и реакторов с прямоугольным сечением магнитопровода. Сформулированы цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе содержатся основные требования к обобщенному методу оптимального проектирования трансформаторов и реакторов. С позиций этих требований рассмотрены существующие методы оптимального проектирования и даны краткие их характеристики. Показана, что наиболее полно отвечают требованиянработы д.т.н. П.М.Тихомирова по проектированию силовых трансформаторов для энергетики и д.т.н. Р.Х.Бальяна - трансформаторов для радиоэлектроники, но даже они имеют недостатки. Другие работы, рассмотренные диссертантом, содержат лишь ряд правил оптимального проектирования, имеющих ограниченное применение (причем часто с неточностями и ошибками).

По результатам проведенного обзора методов диссертантом выбран метод аналитической оптимизации, т.к. он более устойчив по отношению к неточностям и ошибкам. С его помощью можно не только определить оптимальные размеры трансформаторов и реакторов по заданным параметрам и критериям оптимизации, но также провести сравнительную оценку схем преобразователей с учетом параметров трансформаторов и реакторов, а также определить перспективу использования новых материалов и конструкций.

Недостатки этого метода, указанные в работе к.т.н. А.П.Кубарева "Оптимизация и оценка параметров реакторов с зазором в стержне магнитопровода", такие как: неучет дискретного характера величин, допущения о постоянстве коэффициентов заполнения и т.п., могут быть легко устранены повторным расчетом. Основной недостаток метода - неявный учет ограничений через задаваемые электромагнитные нагрузки - преодолен диссертантом с помощью выведенных формул для расчета электромагнитных нагрузок.

Гдава вторая посвящена разработке обобщенного метода аналитической оптимизации техмхо-экономических показателей трансформаторов ж реакторов. Электромагнитные расчеты трансформаторов в реакторов основаны на использовано ряда аахонов электромагнитного поля, электрически х магнитных цепей.

Одним из основных понятий электротехники является энергия электромагнитного поля.

Введем условный параметр , имеющий размерность энергии и связываний между ообой номинальные данные электромагнитного устройства, такие как мощность Р, действующие ток I и напряжение Ы , индуктивность Л , максимальные ток и напряжение ит , угловая чаотота со и т.п. В табл.1 приведены основные выражения ~\А/ для различных по назначению реакторов и трансформаторов.

Таблица I

Наименование ферромагнитного | устройотва

■ ■ .....

} Выражение параметра IV

Трансформатор

Реакторы: компенсирующий, сглаживающий, фильтровый,

н8сшц8ещийся И т.п.

ш 2 СО '

1-1 Тт_ 1т1

2

1л 1ср Хдт7

_ ГгуТпх . 2. '

Ы- и^ГтЯС _ УгпЬсрГср 400 ~ №

где и I - действующие напряжение и ток;

К

К, максимальные мгновенные напряжение и ток;

- максимальное потокооцепление:

Ыт.

I Р

СО

и

со

- индуктивность;

- мощность;

- угловая чаотота;

- среднее значение напряжения за период:

гг.

у

-8- г Кф - коэффициент формы Т0К8, Кф = ; 1ср - оредний ток за период: ^

%

В частном случае для реактора, работающего при синусоидальной токе ж напряжения, параметр IV действительно является запасаемой энергией.

Такой подход дает возможность получить однотипные, часто одинаковые выражения для оценочных расчетов а оптимизации разнообразных трансформаторов и реакторов.

Сечение стали магнигопровода £сщ выражается через максимальное потокосцепление , максимальную магнитную индукцию в стели Е>т я число витков обмотки \л/ :

(V =

а су »«арное сечение проводов обмотки - через действующие ампер-витки / IV и действующую плотность токау :

С —

*>о$ ~ 7 '

Это позволяет выразить параметр IV электромагнитного устройства, имеющий размерность энергии, через произведение сечений стели и обмотки:

V/ = Ш

от которого можно перейти к геометрическим размерам и их соотношениям.

Введем понятие определяющего или базисного размера, относительно которого будут определяться все остальные размеры. Удобно в качестве базисного размера принять ширину сечения магните про во да * а ". Выразим активное сечение стали и сечение окна через базисный размер а , безразмерные коэффициенты х , у, н ж коэффициенты заполнения стали Кт и окна К :

$ст ^ = (2)

$ок б$о6~СЬ«0<ГаКаУКоЬ = агХУКоЬ О)

где

Л , = I для реактора,

— 2 для однофазного двухобмоточного трансформатора, /70з = 4 для трехстержневого двухобмоточного трансформатора

и т.п.

Записав уравнение (I) в ввде:

<Г С - <У

и подставив в него выражения (2) и (3), получаем:

а _ ш

\6„J К.„Клхуг/

Решение задачи оптимального проектирования целесообразно разделить на три этапа:

1) определение оптимальных соотношений размеров при заданном критерия оптимизации (минимум массы, стоимости я т.п.) и фиксированных электромагнитных нагрузках: индукции в стали маг-нитопровода и средней плотности тока в обмотках;

2) определение оптимальных электромагнитных нагрузок при оптимальных соотношениях размеров я заданных ограничениях, обычно овазанных о режимом или условиями работы схемы, частью которой является трансформатор или реактор: предельно допустимые падение напряженки, превышение температуры, к.п.д., намагничивающий ток и т.д.;

3) поверочный расчет, включающий раскладку обмоток, определение окончательных размеров, расчет потерь, нагревов и т.д.

Третий этап проектирования достаточно полно освещен в литературе, поэтому остановимся на первых двух.

Задачу определения оптимальных соотношений размеров сформулируем следующим образом. Заданы: параметр ~W > электромагнитные нагрузки, материалы обмоток з магнитопровода, коэффициенты заполнения, критерий оптимизации. Необходимо найти оптимальные соотношения размеров.

В качестве оптимизируемого параметра примем обобщенный тех-нико-экономичеокий показатель (целевую функцию)

JV , выражаемый приближенно черев объемы материалов обмотки Vos и магнитопровода Van . предложенный д.т.и. Р.Х.Бальяном для трансформаторов радиоэлектроники и успешно примененный к.т.н.

Л.П.Кубаревым для оптимизации и оценки параметров реакторов, имевших ступенчатое сечение стержня магнитопровода и круглые обмотки.

С/Я С/77 Off Off

где J\f - масса активных материалов &ак ),

ЛИбО ИХ СТОИМОСТЬ ( JV=U,qk ),

либо полная масса ( JV=& )f либо полная стоимость С М-Ц ) и т.п. С С^ - размерные коэффициенты, зависящие от вида целевой функции и выражаемые через свойства, цены, коэффициенты использования материалов и пр., например: cos = при ; fa=Ус»

■ C-cS^oí У OS при -А/= Цо< и т-д-

Ост, lücS ~ плотности материала иагнитопрпгода и обмотки (для электротехнической стали -- ícyj)= 7650 кг/u3, для меди if^ -= 8900 кг/м3; (гак - масса активных материалов;

Ц у Ц&к ~ полная стоимость и стоимость активных

материалов, руб; Цс/Т,) - цены материалов магнитопровода и обмотки, руб/кг.

Выразив объемы стали и обмоток через их размеры и подставив их в (5), используя (4), получим:

■у w ( вта J J

гле F = tfx и z т ) т = tunKur>. (7)

где гм . , 'V Cos К os

Из решения системы трех нелинейных уравнений:

Ж.о, %L=o, М--0

дх Ъ2

получены оптимальные значения соотношений размеров х0 , ув , г .

Аналитические решения оптимальных соотношений размеров Ха, У0 , ¿о для оценки массы стали магнитопровода и провода обмоток, габаритов, наиболее чаото встречающихся конструкций магни-топроводов приведены в таблице 2. По формулам таблицы 2 рассчитаны и построены зависимости оптимальных соотношений размеров от параметра . На рис. 1а,б,в приведены зависимости опти-

мальных соотношений размеров от параметра гтьм для указанных в таблице I конструкций.

Из зтих зависимостей оледует, что для всех конструкций трансформаторов и реакторов оптимальное соотношение размеров сечения магнитопровода (параметр Н0 ) близко к 2 (трехфазные трехстержневые с навитым ка гнито про водом и тороидальные ферромагнитные устройства) или больше 2 при любом значении параметра , т.е. при любом критерии оптимизации и любых ограничениях. Для большинства конструкций значение пврвметра/йохно принять постоянным в широком диапазона изменения параметра тм . Больной интерес предотавляет зависимость Уо / хо от параметра /Пы , определяющая соотношение размеров окна магнитопровода. Это соотношение также практически постоянно в широком диапазоне изменения гпм .

Задача определения оптимальных электромагнитных нагрузок сформулирована следующим образом: при заданных параметре IV частоте питающей оети, виде конструкции, материалах обмотки и магнитопровода, коэффициентах заполнения, критерия оптимизации и оптимальных соотношениях размеров, ограничениях по нагреву (в виде удельного теплового потока) расочитать плотность тока в обмотке (для трансформатора - среднюю плотность тока) и индукцию в стали магнитопровода.

Принято, что обмотка (ш обмотки) и магнитопровод имеют независимый друг от друга теплообмен о окружающей средой, т.е. тепловой поток, создаваемый обмоткой, рассеивается только через открытую поверхность обмотки, тепловой поток магнитопровода -только через открытую поверхность магнитопровода. Могут быть введены специальные меры, улучшающее теплообмен с окружающей средой (определенное число охлаждащях каналов, вентиляторы и т.п.).

Вид конструкции

Стержневая однофазная Броневая однофазная Трехстержневая трехфазная

Эскиз и размеры -1— ---

11 У § I I га 1 ■ : 1 .:: ■ 3 —)— й' ::: 1 II гг-1 1 1 г,- 04

с-уа Я д. £ > \ дм га а -! >ха а

> •4' У И «0

- .У

Шихтованная 2Ш 1БШ зш

Масса стали магнитопро-вода &СП а'к^гх^у^

Масса провода обмотки (?<£ с?каху(Хх<-2г+2)1[&

Габариты 1а{х*<)*2(х*г)а*а{щ га{х+<)*а(2х+г)*а(&1) За(хн)ка(х->2)*а(ц+2)

Выражения для определения оптимальных соотношений размеров :*о, Уо, •»о в ) т„+х0 глх^-хпфщ- -Ът^О; //_ 2т„(<+Хо). 0 • 2_ х.Шь+2) ° т„+х.

Навитая 2Н 46Н ЗН

Масса стали магнитолро-нода агкшг(2х+2цЩа» аЪ^гх^у+Я)^ ¿к^х+Зу+р^

Масса провода обмотки а\ху(М+22+2% За\ху(§х+2н)1оВ

Габариты ?а{хн)*гф+2)ха(у+2) 2а(хн)* а(2х*2)жй(ун) За(х+1)*а(х*2)*а(у'2)

Выражения для определения оптимальных соотношений размеров *о, Чо,г> ц т«(Т1+гхл), 0 т„+х. ' , Х0(&Хв+2) 0 + М&^-х/ъуе+я*]-^ /Пн + Х. ,, т„(£х0ф+2\ г _ Х.(%х.+2)

Таблица 2

Вид конструкции

Бронесторжневая трехфазная

Броневая трехфазная

Тороидальная

<о

а с*ха

С'ха

5БШ

3 БЫ

«к^фх+Чу+^Хс,

2а(х-н)жа(2х+2)*а(Зу+2)

^Пи+дХо

2 Зх.(%Ха + 2) 4л1„+зх о

- ;

2 - х*(ях»+2) _ т„+х0

пн

а5*2Тф+<) ъ0

'Лхо г>х1+Щ.+(,

& (х0+2)2 /, ш. х.»' \

ггн

*о

/

/

'О 4 2 3 4 56

Рис Л. Зависимость оптимальных соотношений размеров ( Q0JZ0) Ус, от параметра /п^лектромагнитных устройств, имеющих конструкции магнитопроводов: а) стержневую однофазную навитую (2Н) и шихтованную (2Ш), трехфазную трехстер-жневую навитую (ЗН) и шихтованную (311); б) броневую однофазную навитую (1БН) и шихтованную (1БШ), броневую трехфазную шихтованную (ЗБШ), бронестержневую трехфазную шихтованную (5БШ); в) тороидальную навитую (ITH).

Для частоты 50 П*, если вет ограничений по потеряй (или к.п.д.), предлагается рассчитывать только плотность тока, исходя из заданного теплового потока (или среднего превышения температуры обмоток), т.к. индукция в стали магнитопровода может быть принята максимально возможной рабочей индукцией для заданного материала.

Удельный тепловой поток обмотки:

Pos &JzV<¿Kb0 п _z „ ^

Vro (ft)

Ч"*-ТГа- Ш = №

где Pos" - потери в обмотках;

^ = ^ ПГо - поверхность охлаждения обмотки;

= rfl<0<5 Vro ~ °0ъвм материала обмотки;

} Пго _ безразмерные геометрические па-

раметры объема и поверхности охлаждения обмотки;

3-е ~ ^i?9zo° " Удельное сопротивление материала

обмотки при температуре # ; = / 0 004($е+ дЬ-20') - для меди;

¡3. - температура окружающей среды, Л - заданное превышение температуры обмотки над

окружающим воздухом; о - коэффициент добавочных потерь в обмотках.

Подставив в (8) значение а из (4) и решив выражение (8) относительно плотности тока, получим:

J =

Гг ЧОБПго Въ Кот* У2 1 ^

}P^KdovJ K^JzWrioí

(9)

Вывод аналитического выражения индукции в стала магнитопровода следующий.

Удельный тепловой поток магнитопровода:

Яст

Pom PydVcsn ¡fc/ri Кдс. Руд 'ÜwO^KtnNrc

Пег, Пст а*Пг, ш

где Рст - потери в стали магнитопровода;

ПГс~ поверхность охлаждения магнитопровода; объем материала магнитопровода;

Угс , Пгс - безразмерные геометрические параметры объема я поверхности охлаждения магнитопровода;

Кдс - коэффициент добавочных потерь в стали;

Уст - удельная масса материала магнитопровода;

РуЬ ~ро(в^о"^ ~ Удельны0 потери в стали;

ро - удельные потери в стали магнитопровода при

базовых значениях индукции Вт и частота /0 •

Подставив в выражение (10) О. из (4) и у из (9), приняв &т0- и решив его относительно &т получим:

%

(И)

г> ПгсАг £ ? = Ч-и* ' гс

хуг \

0-0(^05

РоКэо ]

'Цо/

Для удобства расчета в диссертации приведены выражения Пго/Угс и Пгс / 1/'гс для наиболее часто встречающихся конструкций магнитопроводов, а также приведена приближенная зависимость удельного теплового потока от превышения температуры над окружающим воздухом.

Необходимо иметь в виду, что индукция при расчете по формуле (II) может получиться больше максимально возможной рабочей индукции для данного материала. Это означает, что есть определенный запас по нагреву магнитопровода, и в дальнейших расчетах плотности тока и размеров в формулы (19) и (4) следует подотав-лять не значение, полученное по формуле (II), а максимально возможную рабочую индукцию.

Если имеются ограничения потерь или к.п.д., также могут быть получены соответствующие выражения.

В диссертации приведены формулы для расчета индукции в маг-нитопроводе сглаживающего реактора, имеющего значительную постоянную составляющую тока, а также зависимости средней шютностн тока и индукции от мощности однофазного трансформатора броневой

и стержневой конструкции при различных частотах (ох 50 Гц до 4 кГц) для стали 3423, толщиной 0,08, и 3414, толщиной 0,35 мы.

Аналитическое решение вышеуказанных задач позволило четко определить алгоритм оценочного расчета трансформатора или реактора и значительно повысить достоверность результатов. В диссертации приведен ряд прииеров расчета, исходные данные для которых заиыствова-ны из литературы. Это позволило сравнить результаты расчета по предложенному диссертантом методу и по известным методам расчета.

Глава третья посвящена использованию предложенного автором метода при выборе конструкции и материала ыагниюпровода.

Автором проведено сравнение указанных в табл.2 конструкций как при одинаковых электромагнитных нагрузках, так и при одинаковых тепловых нагрузках.

Показано, чю тороидальная конструкция имеет наименьший расход активных материалов при любом критерии оптимизации. Даже трехфазная группа тороидальных устройств может иметь такую же массу ахтивных материалов, как и трехфазное трехстержневое устройство с навитым магнитопроводои.

Показано также, что электвоыагнитное устройство с шихтованным магнитопроводои имеет на 2-4# больший расход активных материалов по сравнению с навитым. Поскольку изготовление шихтованных магни-топроводов дешевле, чем навитых, го применение их вполне оправдано, если не стоят какие-либо другие ограничения, например, по потерям или току холостого хода.

В литературе и некоторых стандартах рекомендовано выбирать определенный тип конструкции ыагниюпровода, а также определенные соотношения размеров в зависимости от мощности, частоты, при различных ограничениях и условиях оптимизации. Как показывают расчеты диссертанта, рекомендовать применение той или иной конструкции нужно очень осторожно. Например, указание, чю для получения минимума массы активных материалов однофазного устройства при -- 50 Гц и ограничении в виде среднеобъемного перегрева лучше всего использовать стержневую конструкцию, является существенно неполным. Необходимо иметь в виду, что при той же превышении температуры масса устройства стержневой конструкции будет в 1,2 раза меньше, чем броневой-, а потери в 1,4 раза больше, чем у броневой.

По мнению диссертанта, указывать определенные соотношения размеров также некорректно, т.к. они существенно зависят от свойств используемых материалов, коэффициентов заполнения, критерия оптимизации. Поэтому рекомендуется определять их по представленный в диссертации форыулам или графикам.

Выбор материала магнитопровода зависит прежде всего от мощности устройства, частоты, прменяемой конструкции и возможностей технологии. В качестве примера проведено сравнение следующих материалов для однофазного трансформатора мощностью 0,1 кВА, 6,3 кВА, 16 кВА и 63 хВА, стержневой и броневой конструкции, при частоте питающей сети от 400Гц до 5 кГц: Стальная электротехническая лента марки 3423, толщиной 0,08 мы, феррит марки 2500 ШС1, ленга из сплава типа "пермаллой" марки 79НМ, толщиной 0,05 мм, и лента из аморфного сплава 9КСР, толщиной 0,05 мм.

Расчеты показали, что однозначно определить частотную границу применения того или иного материала, независимо от вида конструкции, мощности и особенностей технологии, в общем виде невозможно. Разработанный диссертантом метод позволяет обоснованно выбрать материал в каждом конхретном случае.

Сравнение электромагнитных устройств со ступенчатым сечением стержня магнитопровода и круглыми обмотками и с прямоугольным сечением и овальными обмотками показало, что габаритный объем электромагнитных устройств с прямоугольным сечением стержня в 1,25 -- 1,7 раза меньше (в зависимости от числа ступеней в стержне: 1,7 - квадратное сечение, 1,25 - число ступеней больше 10), чем со ступенчатым сечением. По массе и потерям эти конструкции равноценны. В настоящее время прямоугольная форма стержня используется только в электромагнитных устройствах небольших мощностей, т.к. их обмотки имеют меньшую механическую прочность при к.з.

В преобразовательных установках, где предусмотрена защита от юков к.з., предпочтительнее конструкция магнитопровода с прямоугольным сечением стержня даже при значительной мощности.

Глава четвертая посвящена практической реализации разработанного метода при проектировании трансформаторов и реакторов статических преобразователей. Диссертант принимал участие в разработках и проектировании трансформаторов и реакторов вновь создаваемых агрегатов бесперебойного питания и в модернизации ранее выпускавшихся преобразователей.

В диссертации приведен пример модернизации преобразователя серии ПТС мощности 31,5 хВА, которая позволила уменьшить массу в 1,8 раза, габариты в 2,2 раза. В инверторах 63 кВА, 125 кВА и 250 кВА той же серии диссертантом были пересчитаны трансформаторы и реакторы, что позволило существенно снизить массу и габариты. В настоящее время эти преобразователи серийно выпускаются ПО "Инвертор" (г.Оренбург).

Разработанный диссертантом метод испольловался при проектировании трансформаторов и реакторов агрегатов бесперебойного питания мощностью 0,63 кВА (АБП-24-230-25-50), 6,3 жВА (АБП 6,3), 4 кВА , и трехфазного транзисторного АБП мощностью 16 хВА (АБП--ТПТЕТ-25-400-50), также серийно выпускаемых ПО "Инвертор". В диссертации псиведены акты о практическом использовании результатов работы в указанных выше преобразователях.

В приложении приводится подробный вывод формул для определения оптимальных соотношений размеров магнитопроводов некоторых хонструкций, формул для расчета плотности тока и индукции в трансформаторах и реакторах, имеющих ступенчатое сечение стержня и круглые обмотки, приведены формулы для расчета поверхностей охлаждения наиболее часто встречающихся конструкций магнитопроводов, а также вывод приближенной форыулы для расчета немагнитного зазора в реакторах, примеры оценочных расчетов при выборе материала магнитопровода и основные обозначения.

ОСНОВНЫЕ РРЗУЛЬТАШ И ВЫВОДЫ

1. Публикации по проектированию трансформаторов и реакторов с прямоугольным сечением магнитопровода изобилуют неточностями и ошибками. Это явилось основание» для разработки обобщенного метода оптимизации указанных электромагнитных устройств.

2. Разработан обобщенный метод оптимального проектирования, заключающийся в следующем:

- в определении оптимальных соотношений размеров по выведанным автором формулам при заданном критерии оптннизации и выбранных конструкции и материалах магнитопровода и обмотох;

- в определении допустимых по нагреву электромагнитных нагрузок по выведенным автором формулам при оптимальных соотношениях размеров и заданных исходных параметрах (мощность, индуктивность, частота, допустимое превышение температуры и т.п.);

- в определении размеров, массы, потерь я других параметров трансформатора или реактора по выведенным простым формулам ( до перехода к обычному детальному расчету);

- во введении условного параметра, имеющего размерность энергии, выражаемого через номинальные данные, позволившего объединить методы расчетов трансформаторов и реахторов.

3.С помощью разработанного обобщенного мыода оптимизации проведен сравнительный анализ хонструхций, выполненых из различных материалов. Этот анализ показал необоснованность универсаль-

ных рекомендаций, встречающихся в литературе, по использованию различных видов конструкций и материалов.

4. Метод успешно использовался при проектировании трансформаторов и реакторов для статических преобразователей, разрабатываемых ВЭИ и ПО "Инвертор" (г.Оренбург).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Макарова Л.В.Оптимальные соотношения размеров тороидальных трансформаторов вводно-выводных устройств // Межвузовский сборник трудов/ Устройства ввода-вывода информации/ Всесоюзный заочный машиностроительный институт. - М. - 1986. - С. 60-65.

2. Макарова A.B. Оптимальные соотношения размеров трансформаторов с магнитопроводом прямоугольного сечения // Электротехника. - 1988. - * 7. - С. 2-6.

3. Мустафа Г.М., Макарова A.B. Модернизация стабилизированных инверторов серии ПТС // Организация электроснабжения в условиях перерывов и значительных отклонений напряжения питающей сети: Тез. докл. Всесоюз. научно-технич. сем. 14-16 октября 1987 г. - Саранск, 1987. - С. 1-3.

4. Макарова A.B. Алгоритм оценочных расчетов трансформаторов и реакторов преобразовательных устройств // Применение вычислительной техники для исследования и автоматизации проектирования преобразователей: Тез. докл. 3-его Всесоюз. научно-техн. совещания 11-14 сентября 1989 г. - Николаев, 1989. - С. 107-108.

5. Макарова A.B. Аналитический оценочный расчет трансформаторов и реакторов с прямоугольным сечением магнитопровода //

УШ Всесоюз. научно-техн. конф. по трансформаторостроению 12-14 сентября 1990 г.: Тез. докл. - Запорожье, 1990. - C.I3I.

6. Арсон А.Г., Дулькин И.Н., Карасев В.В., Кирилин H.A., Лейтес Л.В., Макарова A.B., Филиппов А.Е., Яковлев В.В. Преобразовательные тороидальные трансформаторы повышенной частоты высокого напряжения с элегазовой изоляцией // Импульсные высоковольтные системы электропитания. Разработка и исследование высоковольтных полупроводниковых приборов и устройств: Сб. научн. трудов ВЭИ. 1989. - М.: Информэлектро. - 1990. - С. 39-45.

Подписано к jicumi Л— ¡¡¡п

1 li'4. .1. /, ы 9 Тираж WO Зак,п t>W

Типография МЭН, Красноказарменная, 13.