автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка комбинированных моделей и методов теплового анализа в САПР распределительных трансформаторов

На правах рукописи

'¿Г'

■/--.■—'/у.

СТУЛОВ Алексей Вадимович

РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННЫХ МОДЕЛЕЙ

И МЕТОДОВ ТЕПЛОВОГО АНАЛИЗА В САПР РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Специальность 05.13.12 — Системы автоматизации проектирования (электротехника и энергетика)

11 НОЯ 2015

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Иваново - 2015

005564182

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тихонов Андрей Ильич

Официальные оппоненты:

Лунин Валерий Павлович, доктор технических наук, профессор, институт автоматики и вычислительной техники национального исследовательского университета «МЭИ», директор;

Дулысин Игорь Николаевич, кандидат технических наук, ФГУП «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Акционерное общество «Корпорация

ВНИИЭМ», г. Москва

Защита состоится «25» декабря 2015 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.064.02 при ИГЭУ по адресу: г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, ауд. Б-237.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу: 153003, г. Иваново, Рабфаковская, 34, Ученый совет ИГЭУ. Тел.: (4932) 38-57-12 факс: (4932) 38-57-01. E-mail: uch sovet@ispu.rii .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного энергетического университета.

Диссертация размещена http://ispu.ru/files/Dissertaciva Stuiov А.У. .pdf Автореферат диссертации размещён на сайте ИГЭУ www.ispu.ru.

Автореферат разослан «_»_2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.064.02

Сидоров

Сергей Георгиевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для современного проектирования электротехнического оборудования, в частности, распределительных трансформаторов характерно требование постоянного повышения точности и скорости расчетов, а также снижение трудозатрат проектировщиков.

Технологии проектирования трансформаторов в СССР были развиты до уровня, при котором реальный срок службы трансформатора составлял 40-50 лет, при стандартизованном сроке 25 лет. Такого рода результаты были достигнуты благодаря тому, что развитие нормативной базы для промышленного проектирования в трансформаторостроении в советское время носило системный характер. Центрами разработок являлись «Всесоюзный институт трансформаторостроения» (ВИТ) (г. Запорожье), «Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики» (г. Москва), а также специализированные конструкторские бюро (СКБ) трансформаторных заводов. Результаты разработок методик проектирования оформлялись в виде руководящих технических материалов (РТМ), которые после апробации и корректировки на производственных предприятиях по выпуску трансформаторов, переходили в разряд руководящих документов (РД). Методики на основе РД были основным инструментом проектировщика трансформаторов вплоть до конца 1980-х годов.

После образования СНГ и перехода России в рыночную экономику развитие нормативной базы для промышленного проектирования трансформаторов перестало быть системным процессом. Разработка моделей и методов проектирования трансформаторов на государственном уровне прекратилась. Отработка появляющихся новых конструкторско-технологических решений в трансформаторах на эмпирическом уровне стало дорогостоящим затратным мероприятием.

В то же время в условиях мелкосерийного и штучного производства, особенно при проектировании специальных видов трансформаторов, необходимо одновременно повышать точность и скорость проектирования в связи со сжатыми сроками выполнения заказа. С учетом сказанного выше это приводит к необходимости использования при проектировании инструментов инженерного анализа на основе метода конечных элементов (CAE-систем), таких как ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, COSMOS, MARC и др. Такие системы позволяют рассчитать проектируемое устройство с учетом особенностей конструкции, не учтенных в РД. Однако полевые модели отличаются крайне низким быстродействием, что не позволяет использовать их при оптимизации трансформатора.

Наиболее важную роль при принятии проектных решений играют результаты тепловых расчетов трансформаторов. В связи с этим является актуальной задача разработки универсальных моделей и методов теплового анализа распределительных трансформаторов, позволяющих учесть особенности современных конструкций.

Диссертационная работа выполнялась в Ивановском государственном энергетическом университете.

Цель работы заключается в повышении эффективности проектирования распределительных трансформаторов путем разработки и использования моделей и методов теплового анализа в САПР трансформаторов.

Задачи, решаемые в диссертации:

1. Разработка универсальной библиотеки моделирования электрических цепей.

2. Разработка уточненной математической модели для расчета потерь в обмотках трансформатора с учетом положения отдельных проводников и их частей в неоднородном магнитном поле.

3. Разработка уточненной математической модели теплового состояния трансформатора в стационарном режиме на основе электротепловой аналогии.

4. Разработка, апробация и интеграция в подсистему теплового анализа САПР трансформаторов программных средств для параметрической генерации и исследования электрических схем замещения физических процессов в трансформаторе.

Соответствие паспорту специальности. Работа соответствует паспорту специальности: в части формулы специальности 05.13.12: «Системы автоматизации проектирования — специальность, занимающаяся проблемами создания и повышения эффективности функционирования систем автоматизированного проектирования, управления качеством проектных работ на основе использования современных методов моделирования и инженерного анализа ... интеграции САПР в общую архитектуру автоматизированной проектно-производственной среды. Специальность включает принципы и методы, отличающиеся тем, что они содержат разработку и исследования научных основ проектирования, построения и функционирования интегрированных интерактивных комплексов анализа и синтеза проектных решений и систем создания проектной ... документации на изготовление, испытание и эксплуатацию сложных технических объектов, образцов новой техники и технологий». В части области исследования специальности 05.13.12 — пункту 1: «Методология автоматизированного проектирования в техни-

ке, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР»; пункту 2: «Разработка научных основ создания систем автоматизации проектирования ...»; пункту 3: «Разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений»; пункту 4: «Разработка принципиально новых методов и средств взаимодействия проектировщик-система».

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является распределительный трансформатор. Предметом исследования являются численные модели тепловых процессов, протекающих в активной части распределительного трансформатора в стационарных режимах.

Методы исследования. Поставленные задачи решались с использованием положений теории теплопроводности и теории пограничного слоя, математического аппарата метода конечных элементов для расчета электромагнитного поля, формализованных методов расчета электрических цепей, моделирования на основе положений теории подобия, а также с использованием экспериментальных методов исследования.

Научная новизна:

1. Разработан метод параметрической генерации и численного исследования цепных моделей, отличающийся возможностью автоматизации процесса построения разветвленной электрической схемы физических процессов и организации численного эксперимента по заданному алгоритму и позволяющий осуществлять многократную перегенерацию цепных моделей на этапе оптимизации проекта.

2. Разработана модель и метод расчета потерь в обмотках трансформатора на основе комбинации модели магнитного поля и модели электрической цепи, отличающиеся возможностью учета положения отдельных проводников и их частей в неоднородном магнитном поле и связанных с этим эффектов неравномерности распределения тока.

3. Разработана модель и метод расчета теплового состояния распределительного трансформатора на основе электротепловой аналогии, отличающиеся возможностью автоматического построения и исследования разветвленных электрических схем замещения тепловых процессов с различной степенью детализации расчетной схемы, позволяющей достичь точности расчета, характерной для полевых задач при большем быстродействии за счет учета характерных симметрий.

Практическая ценность результатов:

1. Разработана версия библиотеки моделирования электрических цепей, функционирующая в среде МаЛаЬ.

2. Разработаны алгоритмы и программные средства для создания подсистем расчета потерь распределительных трансформаторов на основе математических процессоров Excel и MatLab.

3.Разработаны алгоритмы и программные средства для создания подсистем теплового расчета САПР распределительных трансформаторов на основе математических процессоров Excel и MatLab.

3.Разработана подсистема теплового анализа распределительных трансформаторов, позволяющая выполнять расчеты с высоким уровнем точности при высоком быстродействии.

4.Разработаны параметрические генераторы цепных моделей физических процессов, значительно снижающие трудоемкость проектирования.

5.Проведены тепловые расчеты распределительных трансформаторов 400-1600 кВА класса напряжения 10 кВ. Получены достоверные результаты теплового расчета, подтвержденные тепловыми испытаниями.

Разработанные программные средства могут быть использованы в производственном проектировании, в научных исследованиях, а также учебных целях.

Результатам работы внедрены в производственный процесс в ООО «Трансформер» (г. Подольск) и в учебный процесс на кафедре Электромеханики ИГЭУ (г. Иваново).

Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в разработке, отладке и адаптации к САПР распределительных трансформаторов универсальной библиотеки моделирования электрических цепей, в разработке параметрически генерируемых математических моделей для расчета распределения потерь в обмотках с учетом эффекта вытеснения тока и теплового расчета активной части распределительного трансформатора; разработке методов параметрической генерации и численного исследования моделей; разработке многоуровневой системы теплового анализа распределительного трансформатора; проведении численных и натурных экспериментов и разработке рекомендаций по совершенствованию моделей распределительных трансформаторов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях: на международной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении» (Бенардосовские чтения, г. Иваново, ИГЭУ, 2011, 2013, 2015 гг.), на международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ, 2012, 2014, 2015 гг.), на региональной научно-

технической конференции студентов и аспирантов «Энергия» (г. Иваново, ИГЭУ, 2011, 2012, 2013, 2014,2015 гг.).

Публикации. По результатам работы опубликовано 1 научное издание, 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 13 тезисов докладов на конференциях, получено 1 свидетельство на программный продукт.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований, и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 140 страницах, содержит 75 иллюстраций и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе приведены анализ современного состояния проблемы тепловых расчетов в САПР распределительных трансформаторов, обзор аналитических и численных методов, а также обзор инженерных методик теплового расчета трансформаторов. Теоретически обоснован компонентный состав и структура подсистемы теплового анализа в САПР распределительных трансформаторов.

В частности, дан обзор САЕ-систем, используемых в настоящее время в качестве инструментальной базы для температурного анализа распределительных трансформаторов. Отмечено, что в ряде организаций РФ и стран СНГ разрабатываются и постоянно совершенствуются САПР и компьютерные программы для выполнения соответствующих расчетов и конструирования распределительных и силовых трансформаторов. Так, в качестве программно-методического обеспечения для расчета трансформаторов в ПАО «ВИТ» разработана система САПР-ТОН. На Минском электротехническом заводе имени В.П. Козлова разработана и внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию САПР силовых масляных трансформаторов общего назначения мощностью 25-630 кВА напряжением до 35 кВ (условное название САПР-ПРОТОН). Подчеркнута актуальность задачи разработки математических моделей трансформаторов, в которых учитываются особенности современных конструкций и технологий производства.

Анализ методов решения задач сложного теплообмена в трансформаторах показывает, что использование аналитических методов ограничено требованиями симметрии задачи, а использование численных методов -сложностью в использовании и большим временем расчета. В частности

7

тепловой расчет распределительных трансформаторов на основе трехмерного полевого моделирования обладают высокой точностью, но время расчета оценивается часами, что не позволяет использовать эти модели в процессе оптимизации трансформаторов. Эмпирические модели, приведенные в РД, обладают высоким быстродействием, но дают большие погрешности в случаях, когда конструкция трансформатора выходит за пределы типовых решений. В частности, не учитывается неравномерный нагрев фольговых обмоток, вызванный эффектом вытеснения тока. В то же время эмпирические модели могут успешно использоваться при расчете узлов трансформатора, имеющих типовое исполнение.

Альтернативой полевым методам расчета сложного теплообмена выступают методы, основанные на использовании электрических схем замещения тепловых процессов. Основанием для использования данных методов являются положения теории подобия и изоморфизм уравнений, описывающих тепловые процессы и процессы в электрической цепи. Так, дифференциальное уравнение нагрева однородного тела (стенки) можно представить в виде

-¿НЬ (1) ЛТП

где в- перепад температур на границах стенки; Ст — теплоемкость; Q — тепловой поток; Ет -тепловое сопротивление; г - время.

Это уравнение изоморфно с уравнением электрической цепи, изображенной на рис. 1, Рис- Электрическая ^ ✓ у ^ схема замещения уча-

<ШС = — ^ /--- J ск, (2) стка тепловой цепи

где ис- напряжение на конденсаторе; С - емкость конденсатора; I - ток в ветви с источником тока; К - сопротивление.

. Изоморфизм уравнений (1) и (2) позволяет строить электрические схемы замещения (ЭСЗ) тепловых процессов. В частности, на рис. 2,а изображена упрощенная тепловая цепь масляного трансформатора, а на рис. 2,6 - электрическая схема замещения данной цепи, выполненная в среде вшшНпк.

Использование подобных упрощенных моделей тепловых процессов в трансформаторе целесообразно только в случае приблизительной оценки в предварительных расчетах.

Для учета особенностей конструкции, неравномерного распределения токов в обмотках и др. предлагается использование разветвленных ЭСЗ.

Использование в тепловых расчетах разветвленных ЭСЗ позволяет учесть в рамках одной модели разные симметрии, упростив тем самым модель без потери точности. При этом может быть получен результат, сопоставимый по точности с точностью полевых расчетов при высоком быстродействии, характерном для цепных моделей.

(§Н

Ыс

Ио

и*

-с

я тш»-

¿¿"'Ёй У«» РЁгтй ЪяЯ.

о'^ва т о. ► »)й«Г ~ •]

вш

а)

б)

Рис. 2. Упрощенная тепловая цепь масляного трансформатора (а) и ее электрическая схема замещения в среде ЗтшНпк (б)

Для проведения адекватного теплового расчета трансформатора с учетом возможных эффектов неравномерного распределения источников тепловыделений, имеющих место из-за неоднородности магнитного поля, необходима разработка программного обеспечения, компонентный состав и структура которого представлена на рис. 3.

Подсистема теплового расчета трансформатора на основе полевых моделей

Рис. 3. Компонентный состав и структура подсистемы теплового анализа в САПР распределительных трансформаторов.

Использование описанного компонентного состава и структуры позволяет оптимальным образом организовать рабочее место проектировщика, обеспечив его инструментами, помогающими всесторонне оценить принимаемые технические решения.

Во второй главе приведены результаты разработки модели и метода расчета потерь энергии в обмотках трансформатора на основе комбинации полевых и цепных моделей (рис. 4.). В качестве наиболее сложного для моделирования примера рассмотрен трансформатор с фольговой обмоткой низшего напряжения (ОНН), характер протекания тока в которой определяется эффектом вытеснения тока к торцам обмотки. Расчет потерь осуществляется путем моделирования опыта короткого замыкания трансформатора. ЭСЗ для данного опыта представлена на рис. 4. В связи с тем, что ветвь намагничивания в опыте КЗ отсутствует, то задача сводится к расчету поля рассеяния трансформатора в режиме КЗ.

37

Рис. 4. Разветвленная ЭСЗ обмоток трансформатора в опыте КЗ

Здесь фольговый проводник условно разбит на расчетные секции, представленные сопротивлениями и источниками ЭДС

с1Чк Л. ...

(3)

где - потокосцепление к-й расчетной ветви; i - матрица-стобец мгновенных значений токов в расчетных ветвях ЭСЗ; Ьк - матрица-строка ин-дуктивностей к-й расчетной ветви ЭСЗ (на рис. 4 элементы, соответствующие матрицам Ьк условно изображены значками индуктивности).

Полная матрица индуктивостей Ь рассчитывается с учетом наличия магнитопровода и бака трансформатора с помощью библиотеки численного моделирования магнитного поля МКЕ1лЬ (рис. 5).

После расчета цепной модели рассчитывается вектор потерь

Р = К • II ... /„2]\ (4)

где I* - диагональная матрица сопротивлений; 1к - действующее значение тока в к-й расчетной ветви.

Рис. 5.

Для автоматизации процесса построения и расчета ЭСЗ при непосредственном участии автора диссертации была разработана библиотека численного моделирования электрических цепей ЕСТлЬ. Данная библиотека позволяет автоматически сформировать по методу переменных состояния и интегрировать по времени систему уравнений, описывающую процессы в электрической цепи. Система уравнений имеет вид вХ = О,

где в - матрица коэффициентов системы уравнений вида

О У

У У У

-1гу

В

(5)

(6)

X - вектор неизвестных величин вида

(7)

Бу, Б2у, С„ С\г — матрицы, сформированные по заданной матрице соединений графа электрической цепи; Уу, - матрицы, сформированные по заданной матрице номиналов электрической цепи; иу - вектор напряжений на у-ветвях (ЭДС, емкости); 1у - вектор токов в г-ветвях (сопротивления, индуктивности, источники тока).

Система уравнений (5) распадается на три системы уравнений

4- ис = с(-с„и£ - с V ис - ссА - с-а I, - ссд,),

т

4-1, (-с,£и£ -с V ис-с„1яI, -си1,),

л в,

а

■I* -сяД/ >

Л

(8)

(9)

(10)

Фрагмент конечно-элементной модели активной части трансформатора

где ис - вектор напряжений на емкостях; 1Ь - векторы токов в индук-тивностях и сопротивлениях; остальные матрицы являются соответствующими подматрицами матрицы С.

Системы уравнений (8) и (9) решаются методом Эйлера с постоянным шагом интегрирования Л. Система алгебраических уравнений (10) решается на каждом шаге интегрирования по времени. Номиналы элементов электрической цепи пересчитываются на каждом шаге интегрирования, что позволяет учесть нелинейности.

При расчете установившегося режима на переменном токе с использованием комплексных чисел процесс интегрирования отсутствует. Система уравнений (5) при этом принимает вид

Сгс ССЛ -С

• = -с

о Л к -с

и*

Г,

(11)

И 0 0 Г{з}]

А = [АЛ А, Ае], У = 0 ь 0 , Т = {4}-

0 0 Е 1

Для генерации и многократной перегенерации цепной модели разработан метод параметрической генерации цепной модели, представляющий собой программный код, осуществляющий формирование в автоматическом режиме матрицы соединений электрической цепи А, матрицы номиналов V и матрицы типов элементов Т. Данные матрицы имеют вид

(12)

где Ак, Аь АЕ - соответственно матрицы соединений элементов Я, Ь и Е; И — диагональная матрица сопротивлений расчетных ветвей; Ь — квадратная матрица индуктивностей расчетных ветвей, имеющая на главной диагонали значения собственных индуктивностей, а на недиагональных элементах - значения взаимных индуктивностей между ветвями; Е — значение ЭДС, подаваемой на вход схемы; {3}, {4} - векторы, заполненные соответственно тройками и четверками в соответствии с типами элементов ЯиЬ; 1 - тип элемента Е.

Результаты расчета библиотека ЕС1лЬ выдает в виде матриц для последующей графической обработки (рис. 6).

Предлагаемый метод параметрической генерации и численного исследования цепных моделей является универсальным, т.к. позволяет автоматически перестраивать модель для любой типовой электрической цепи. В данной диссертации этот метод используется для построения ЭСЗ для обмоток с любым количеством концентров и расчетных секций,

12

а также числа витков внутри концентров, ширины охлаждающих каналов, геометрии проводника и других параметров трансформатора.

Рис. 6. Изменение токов расчетных секций и распределение потерь в расчетных секциях по высоте концентров ОНН

В третьей главе приведены результаты разработки модели и метода теплового расчета распределительного трансформатора на основе разветвленных ЭСЗ.

£УОк П иг З^Л'Ок I I Иг

Но НГ Иг И

.1 (я)

Г

й„ Яг Иг И ж : >|< -

71.; ! | К*

«к

УОк

Яа Иг

Яг ЯО

I * . ♦'-»Г И

¡к

VDk

Як

«О «I

1 секция и: .} С_ГГ.ЗвСГГ

Но | «г «о

'9

ЧОк^г Я, И«

Л Г

¡М'Ок

Т I

МО к Ки «г Ко йг 1«. 2 Л, Кв Ик

2 й. «а Ик 1--и

2 к ^ 13 онцентр ГУО.

а)

б)

Рис. 7. Структура секции ЭСЗ тепловой цепи обмотки трансформатора (а) и ЭСЗ обмотки НН трансформатора ТСЛ-630/0,4 (б)

Известным инструментом для построения моделей электрических цепей является пакет БшгаКпк. Основным недостатком использования Яь тиНпк для теплового расчета трансформаторов является большая трудоемкость автоматизации построения ЭСЗ тепловой цепи. Поэтому для этих целей была использована библиотека ЕС1лЬ. Структура типового

13

элемента ЭСЗ обмотки трансформатора и разветвленная ЭСЗ обмотки НН ТСЛ-630/0,4 представлены на рис. 7,а и рис. 7,6 соответственно.

Параметрическая генерация системы уравнений, описывающих процессы в ЭСЗ тепловых процессов, осуществляется аналогично ЭСЗ для расчета потерь, приведенной во второй главе.

Тепловые сопротивления теплопроводности и теплоотдачи для каждого участка цепи вычисляются соответственно по формулам

1

(13)

где Ь, 5 - соответственно длина и сечение участка тепловой цепи; А, а — коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи.

Для вычисления коэффициентов теплоотдачи используется формула

Лг h

gh3

-р{т)2рм-

К(Т)

(14)

Ат) Чт).

где Ыи - критерий Нуссельта; Я/7) - коэффициент охлаждающей среды (ОС); g - ускорение свободного падения; /г - высота расчетной секции обмотки; у(Т) - кинематическая вязкость воздуха; /? - коэффициент температурного расширения ОС; ср(Т) - удельная теплоемкость ОС; ц(Т) -динамическая вязкость ОС; коэффициенты С, тп определяются режимом течения охлаждающей среды.

Ж

Распределение температурь' по высоте обмотки ТСЛ-630/0,4

—Испытания -.'V -Расшет S'mulinV. Рас^т ECUb

Рис. 8. Пример расчета коэффициента теплоотдачи с обмоток TCJ1-400/10 во Flow Simulation.

let/fteparypa С

Рис. 9. Сравнение результатов теплового расчета обмотки ТСЛ-630/0,4 средствами 8ипи1тк и ЕСиЬ с результатами испытаний

Сравнение результатов расчета коэффициента теплоотдачи с поверхности обмоток трансформаторов с результатами, полученными при расчете трехмерной полевой модели в среде Р1ош8ти1а1юп (рис. 8) показа-

14

ло, что отклонения не превышают 10%, что допустимо в температурном диапазоне 20 - 155 "С.

Результаты теплового расчета обмоток ТСЛ-630/0,4 с использованием библиотеки ЕСЫЬ и сравнение с расчетами средствами 8шш1шк и результатами тепловых испытаний (рис. 9, 10, 11).

ТМГ-1000/10

—«—KoHuebTpfnl --id--Концентр гиг; . - KûftuexTD Ni:

12315676910 11 Номер, секций

Рис. 10. Результаты расчета распределения температуры в секциях ОНИ транс-(Ьопматопа ТМГ-6*!0/10.

—«— Копиектр Nal ю к онцептр №2

1234567691011 Номер« секций

Рис. 11. Результаты расчета распределения температуры в секциях ОНИ трансформатора ТМГ-1000/10

Модели на основе ЭСЗ отличаются высоким быстродействием по сравнению с полевыми моделями и могут быть использованы в алгоритмах поиска оптимального решения. В то же время они обладают достаточной для инженерных задач точностью, что видно из рис. 9. В частности, с их помощью можно определить температуру наиболее нагретой точки. В то же время в плане точности результатов они занимают промежуточное место между упрощенными эмпирическими и точными полевыми моделями. Поэтому при необходимости для готового проекта можно осуществить точный тепловой расчет на полевой модели.

MS Excel Бам дан- Макрос S\V API

ных УВА

Solidworks

Тепловое исследование Flow simulation

ЗО-модель трансформатора

- Уравнения

модели

Рис. 10. Структура организации параметрической генерации и исследования полевой модели трансформатора

Параметрическая генерация полевых тепловых моделей трансформатора реализовывается путем имплементации алгоритма на рис. 10.

15

В четвертой главе представлены результаты разработки и апробации подсистемы теплового анализа в САПР трансформаторов. Структура подсистемы теплового анализа приведена на рис. 11. Программная реализация проведена с помощью взаимосвязанного комплекса приложений: Microsoft Excel со встроенной средой программирования Visual Basic, Matlab, Solidworks FlowSimulation.

Цс КЕ»ЮГ0 JHC-

эда сйст?мыот.и-«ишитвгаМзг •xsoïf инзюдаиых жида

Лсогпггязй-азя эдшрск- ! пна Tpiscijoji- : satof« i

! 6

. ЦС1ЯИЯШ|ЙСЧГИ«-motos юедагге TJHHÎ-фгрянсрг иг всяеи РЗ

Di тглзшго f«4tîi a- j iBssoä ilста шеияке j грансф-зрккрА ta еск«с ЭСЗ

П'с талового {ясчпг jf-

TREHvä "ЖГИ VltilBKCC

трвс^арниия m осеме зкглых

3 vpeesa

JlL

шш кон>лрук-, вии трансфер-

Не титазсго pscif га -i оомоток сухого транс-форшгор! Kî 0C40EÎ РД

Л с mni-soro pîneiî ЛА-

» ПИНОЙ 1J-IK сшго

-.рякфорикор* аз oraosp |

ХЗ

L

: Псгагзоеогор&чтах- '

ТНЯЮЙ Ч5ГТЦ CVTOIO j

грэксфорш ьтра на «жар .

а)

б)

Рис. 11. Структура подсистемы теплового расчета масляного (а) и сухого (б) трансформаторов

Диалог системы с пользователем осуществляется через интерфейс, реализованный в файле Excel. Все исходные данные для расчета передаются из файла Excel с помощью макросов среды Visual Basic в среду

16

Рис. 12. Интерфейс подсистемы теплового анализа в САПР трансформаторов

Matlab путем использования встроенных процедур VBA MlPutMatrix, В Matlab происходят все вычисления, в том числе и тепловые расчеты 1-го и 2-го уровней. Результаты расчетов передаются обратно в файл Excel посредством вызова процедур MlGetMatrix. Параметрическая генерация полевой модели активной части и тепловой расчет 3-го уровня осуществляются программными средствами Solidworks Flow Simulation.

Разработанная подсистема теплового анализа была использована при расчете сухих трансформаторов типа TCJI с литой изоляцией, а также масляных трансформаторов типа ТМГ с гофробаком. Результаты расчета и сравнение с результатами тепловых испытаний. Отклонения результатов расчета на эмпирических моделях 1-го уровня в некоторых случаях достигали 50%, на полевых моделях 3-го уровня - не превышали 7%. На разработанных в диссертации цепных моделях 2-го уровня отклонения не превысили 10%, что говорит о достаточной для инженерных задач точности теплового расчета.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана универсальная автономная библиотека моделирования электрических цепей, позволяющая автоматизировать процесс генерации и исследования электрических схем замещения физических процессов.

2. Разработан метод параметрической генерации цепных моделей физических процессов, позволяющий автоматизировать процесс построения и численного исследования уточненных моделей, значительно снижающий трудоемкость проектирования.

3. Разработаны цепные модели на основе электрических схем замещения физических процессов в обмотках трансформатора, позволяющие при высоком быстродействии решать с высокой точностью исследовательские и инженерные задачи, в частности, задачи расчета потерь и перегревов отдельных элементов обмоток трансформатора с учетом неравномерного распределения тока в элементах.

4. Разработаны параметрические генераторы цепных моделей для расчета потерь и теплового состояния обмоток трансформатора из ленты.

5. Разработаны способы интеграции тепловых моделей разного уровня точности в рамках единой проектной среды, в частности, на базе математических процессоров.

6. Разработаны алгоритмы и программные средства для создания подсистем расчета потерь и теплового состояния элементов распределительных трансформаторов на основе математических процессоров Excel и MatLab.

7. Разработана эффективная подсистема теплового анализа САПР распределительных трансформаторов, позволяющая осуществлять тепловой расчет трансформатора с использованием моделей разного уровня сложности и точности, в том числе на основе электротепловой аналогии.

8. Получены экспериментальные результаты, подтверждающие достоверность работы разработанного программного комплекса.

9. Результаты работы внедрены в практику производственного проектирования распределительных трансформаторов и в учебный процесс в вузе.

Публикации по теме диссертации

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК

1. Стулов, А. В. Тепловой расчет обмоток сухих трансформаторов и токоогра-ничивающих реакторов с использованием электрических схем замещения / А. В. Стулов, А. И. Тихонов // Вестник ИГЭУ. - 2012. - Вып. 6. - С. 40-43.

2. Стулов, А. В. Параметрическая генерация и расчет электрической схемы замещения тепловых процессов в обмотках из ленты сухих трансформаторов и токоограничивающих реакторов в стационарных режимах / А. В. Стулов, И. А. Корнев, А.И.Тихонов // Вестник ИГЭУ. - 2013. - Вып. 6. - С. 47-51.

3. Стулов, A.B. Разработка уточненных математических моделей для создания подсистем САПР распределительных трансформаторов с обмотками из ленты / А.В.Стулов, А.С.Зайцев, И.А.Трофимович, В.И.Печенкин // Вестник ИГЭУ. - 2014. Вып.5. - С. 37-41.

4. Тихонов, А.И. Разработка подсистемы оптимизации САПР распределительных трансформаторов / А.И.Тихонов, А.С.Зайцев, А.В.Стулов, И.А. Трофимович // Вестник ИГЭУ. - 2014. Вып.6. - С. 87-91.

5. Стулов, A.B. Подсистема САПР распределительных трансформаторов для расчета нагрузочных потерь в фольговых обмотках с учетом вытеснения тока/ A.B. Стулов. А.И. Тихонов, И.А. Корнев // Вестник ИГЭУ. - 2015. Вып.2. — С. 71-74.

Научные издания

1. Стулов, A.B. Разработка многоуровневой подсистемы тепловых расчетов САПР активной части распределительных трансформаторов // A.B.Стулов, А.И.Тихонов, И.А.Корнев / ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. Ленина». - Иваново, 2014 - 96 с.

Публикации в других изданиях 1. Стулов* A.B. Электрическая схема замещения тепловой цепи обмоток из ленты / А. В. Стулов, А. И. Тихонов, // Энергия 2011: тез. докл. региональной науч.- техн. конф. студентов и аспирантов / Иван. гос. энерг. ун-т. — Иваново, 2011, —Т.2. — С . 53-55.

2. Стулов, A.B. Разработка разветвленной тепловой цепи обмоток из ленты/

А.В.Стулов А. И. Тихонов, // Тезисы докл. междунар. науч.- техн. конф. (XVI Бенардосовские чтения) / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2011. - Т.З. - С. 124-127.

3. Стулов, A.B. Уточненная тепловая математическая модель обмоток транс-

форматоров и реакторов / А.В.Стулов, А. И. Тихонов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. XVIII междунар. науч.- техн. конф. студентов и аспирантов / М.: МЭИ, 2012. -Т.2. - С. 201.

4. Стулов, A.B. Уточненная тепловая модель магнитной системы силового

трансформатора / А. В. Стулов, А. И. Тихонов, // Энергия 2012: тез. докл. региональной науч.- техн. конф. студентов и аспирантов / Иван. гос. энерг. унт. - Иваново, 2012. - Т.4. - С.83-85.

5. Стулов, A.B. Метод моделирования тепловых процессов в элементах техни-

ческих устройств на основе электрических схем замещения/ А. В.

Стулов, А. И. Тихонов, // Энергия 2013: тез. докл. региональной науч.- техн. конф. студентов и аспирантов / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2013. — Т.2. - С. 254-257.

6. Стулов, A.B. Исследование тепловой модели обмоток силовых трансформа-

торов на основе электрической схемы замещения/ А.В.Стулов, А. И. Тихонов, // Тезисы докл. междунар. науч.- техн. конф. (XVII Бенардосовские чтения) / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2013. - Т.З. - С. 172-175.

7. Стулов, A.B. Использование цепных тепловых моделей в расчетах процессов

теплопередачи в обмотках распределительных трансформаторов сухого типа / А.В.Стулов, А. И. Тихонов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. XX междунар. науч.- техн. конф. студентов и аспирантов / М.: МЭИ, 2014. -Т.2. - С.154.

8. Стулов, A.B. Учет нелинейности в процессах теплопередачи в цепных моде-

лях силовых трансформаторов сухого типа с обмотками из ленты / А.В.Стулов,, А. И. Тихонов // Энергия 2014: тез. докл. региональной науч,-техн. конф. студентов и аспирантов / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2014. -Т.4.-С.-146-149.

9. Стулов, A.B. Расчет уточненной математической модели масляного транс-

форматора с обмотками из ленты / А.В.Стулов, А. И. Тихонов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. XXI междунар. науч.- техн. конф. студентов и аспирантов / М.: МЭИ, 2015. - Т.2 - С. 127

10. Стулов, A.B. Многоуровневый тепловой расчет масляных трансформаторов в процессе поиска оптимального решения /A.B.Стулов,А. И. Тихонов// Энергия 2015: тез. докл. региональной науч.- техн. конф. студентов и аспирантов / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2015. -Т.4 - С.73-76

11. Стулов, A.B. Применение подсистем поверочного и теплового расчетов САПР к проектированию оптимальных моделей силовых масляных транс-форматоров/А.В .Стулов, А. И. Тихонов //Тезисы докл.междунар. науч.- техн.

конф. (XVIII Бенардосовские чтения) / Иван. гос. энерг. ун-т. — Иваново, 2015.-Т.З-С.174-177

12. Корнев, И.А. Параметрическая модель для расчета распределения тока в фольговых обмотках распределительного трансформатора с использованием библиотеки численного моделирования электрических цепей/И.А. Корнев A.B. Стулов, А.И. Тихонов //Тезисы докл. междунар. науч.- техн. конф. (XVIII Бенардосовские чтения) / Иван. гос. энерг. ун-т. — Иваново, 2015. - Т.З — С.177-181

13. Коростелев, К.А. Разработка способов упрощения электрической схемы замещения тепловой модели обмоток трансформаторов и токоограничиваю-щих реакторов/К.А. Коростелев, А.И. Тихонов, A.B. Стулов//Тезисы докл. междунар. науч.- техн. конф. (XVIII Бенардосовские чтения) / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2015.-Т.З-С.181-185

Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ

1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Подсистема тепловых расчетов распределительных трансформаторов на основе электрических схем замещения / Тихонов А. И., Стулов A.B. — № 2014619822; 23.09.2014. -М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности. патентам и товарным знакам.

СТУЛОВ Алексей Вадимович РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННЫХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ТЕПЛОВОГО АНАЛИЗА В САПР РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 21.10.2015г. Формат 60х84'/|б Печать плоская. Усл.печ.л.1.13. Тираж 100 экз. Заказ № -/Л^ ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина» Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34