автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Трансформаторы для установок электронагрева

РГ6 од

На правах рукописи

ТРАНСФОРМАТОРЫ ДЛЯ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОНАГРЕВЛ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика

АВТОРЕФЕ Р А'Т

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Томск - 1997

?1.сг г» ! ¿¡полнена на кафедре ''Элгхтромехмшка" Ко?;го?.'.ольског<>~ •«а-Амурй г- ^-дарственного технического унлзерсдаета (КиАГТУ).

руководитель

'омциалыале оппоненты

кандидат технических наук, доцент • Кузьмин В.М.

'шелу'/.ссшшш деятель наук: и техник;; РФ, доктор технических наук, профессор Сшшйлоп Г.А.; х:шдидаг технических наук, доцгнг Собко Э.И.

Ведущее предприятие

НПО "Дальстшщарт", г. Хабаровск

Заццяй состотса М(Х ЯсЬ_ОЦ 1997 т. и -¿5" часов а -¡аовом :: ше главного корпуса па заседании диссертационного совета К 063.80.01 в Т-здс«аи шшггехничсскоы университете (634034, г.Томск, пр. Лсшшо, 30):

С Д1!ссертацпс11 можно олнакомитьси I) библиотеке университета. Авгорефера» разослан ОЛ'т9-с\о9Л997 г.

Учений секрет арь диссертационного

совета, к.т.н., доцент ... • — А.Н.Алёхин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальнсть темы. Замена электронагрепом традиционных видов нагрева повышает надёжность оборудования, облетает контроль и регулирование температуры. Развитие и pacnnipemie выпуска электроводонагре-вательных приборов (ЗОН) является важным мероприятием, направлешгым на повышение производительности труда и жизненного уровня, экономию времени, улучшения санитарно-гигиенических условий жилищ и создшше необходимого комфорта. Особое значение применения ЭВН приобретает для объектов не имеющих централизованного энергообеспечения. В качестве нагревательных элементов в таких приборах широко применяются трубчатые нагревательные элементы (ТЭН), которые наряду с неоспоримыми достоинствами (простота конструкции, дешевизна) имеют ряд, существенных недостатков (низкий класс электробезопасности, небольшой срок службы и невысокая надёжность). Качественно улучшить условия подготовки горячей вода помотут нагревательные элементы трансформаторного типа (НЭТ), в которых индуктор, как в обычных силовых трансформаторах, состоит из магнитопровода и первичной обмогки. Особенностью конструкции таких элементов является вторичная обмотка, выполненная в виде короткозамкнутого (КЗ) витка, в которой выделяется основная доля тепла. Вторичная обмотка непосредственно, без промежуточного теплооб-мешшка или дополнительного слоя изоляции, омывается нагреваемой .водой. Такое техшэтеское решение позволяет получить более безопасный в эксплуатации нагревательный элемент с большим сроком службы.

В связи с вышеизложенным возникает необходимость разработки новых типов таких НЭТ, обеспечивающих повышенный класс электробезопасности, высокую надёжность и долговечность при минимальных массо-стоимостных показателях. Исследования трансформаторов, с КЗ обмоткой для установок электронагрева проводятся на кафедре "Электромеханика" Комсомольского-на-Амуре государствешюго технического университета (КнАГГУ) под руководством заведующего кафедрой Кузьмина В.М. Результаты этих исследований опубликовали в работах Размыслова В.А., Пя-талова A.B., Янченко A.B., Роматпока В.П. н других.

Целью работы является разработка и исследование новых типов трансформаторов с КЗ вторичной обмоткой, работающих в качестве нагревательных элементов, с высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями.

Методы исследовании. Основным методом исследования является математическое моделирование с помощью численного эксперимента. При разработке алгоритмов использовались элементы теории теплового поля, метода конечных элементов, электромагнитного расчёта трансформаторов, вычислительные методы алгебры и анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны новые конструкции НЭТ, обеспечиш.юитх повышенный класс электробезопасности и высокую надёжность в эксплуатации.

2. Выявлены особенности работы трансформаторов с короткозамк-нутой вторичной обмоткой в качестве нагревательных элементов.

3. Разработаны и программно реализованы новые математические моде-лн теплового поля и электромагнитных процессов, учитывающие особенности конструкции и работы как однофазных, так и трёхфазных трансформаторов, используемых в качестве нагревательных элементов.

4. Разработана методика выбора варианта при проектировании НЭТ.

5. В результате теоретических исследований выработаны рекомендации но проектированию специальных видов трансформаторов с коротко-замкнутой вторичной обмоткой для устройств элекгроводонагрева.

Практическая ценность заключается в разработке и исследовании новых конструкций НЭТ; разработке методик и алгоритмов электромагнитного и теплового расчётов и методики выбора варианта при проектировании трансформаторов для установок электронагрева; реализации алгоритмов в виде пакетов прикладных программ, ориентированных на использование современных ЭВМ; разработке рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок и размерных соотношений для проектирования однофазных и трёхфщных трансформаторов с КЗ обмоткой различной мощности; создании макетных и опытно-промышленных образцов НЭТ.

Реализация работы. Результаты работы использовались при проектировании и производстве НЭТ дм аккумуляционных ЭВН типа "Орель" (ЭВАН-100/1,0; ЭВАН-50/1,0), проточных ЭВН (ЭВП-6/220), а также электрорадиаторов (ЭРШТ-0,75/220; ЭРГУ-0,5/220"Про1ресс"), выпускаемых на Биробиджанском заводе силовых трансформаторов. Макетные образцы проточных и аккумуляционных ЭВН, а также электроконвектора транс. форматорного типа экспонировались на трёх выставках научно-техничсс-ких достижений КнАГГУ, на региональной выставке в г. Благовещенске и на международной специализированной выставке в г. Харбине (КНР).

Апробация работы. Основное содержшше работы докладывалось и получило одобрение на пяти научно-технических конференциях КнАГГУ с 1992 по 1996 гг.; на региональной научно-технической конференции "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (г. Иркутск, 1994 г.); на научно-техническом семинаре кафедры "Электромеханика" КнАГГУ (1996 и 1997 г.).

Публикации. По результатам исследований, отражённых в диссертационной работе, опубликовано 2 научные статьи, получено 1 свидетельство на полезную модель, 1 положительное решение на выдачу патента Российской Федерации на изобретение, общее количество публикаций - 10.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения и библиографического списка из 139 наименований, содержит 154 страниц машинописного текста, иллюстрируется 45 рисунками и 10 таблицами. Работа включает в себя также 7 приложений иа 31 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ппеденин обоснована актуальность работы, приводится краткое изложение цели работы, намечен круг решаемых задач.

Первая глава содержит анализ известных и разработку новых типов нагревательных элемеотом (НЭ). При всём многообразии -.конструкций следует выделить основные группы НЭ (резистивные, электродные, индукционные и трансформаторного типа), которые нашли наиболее широкое применение в промышленном производстве й в быту. В результате критического анализа распространенных принципов построения НЭ установлено, что элементы первой и второй групп обладают рядом существенных недостатков, огратпивающих область применения таких устройств. Этими недостатками являются низкий класс элекгробезопаспости. невысокая надёжность и долговечность, а для нагревательных элементов индукционного типа характерен низкий коэффициент мощности.

Применение однофазных и трёхфазных трансформаторов с КЗ вторичной обмоткой в качестве НЭ является одним ш наиболее эффективных путей повышения надёжности и безопасности систем децетпрализор.ашюго горячего водоснабжения и отопления небольших промышленных и сельскохозяйственных предприятий и бытового сектора. В работе предлагаются разработанные при участии ^втора принципиально новые конструкции однофазных и трехфазных трансформаторов, предназначенные для исполъзо-вшшя в качестве НЭ и формируется задача исследований.

В результате сравнительного анализа конструкций короткозашенутых трансформаторов выявлено, что наилучшими массогабаритными, зкеплуа-тацшншыми и технологическими показателями, обладают НЭТ, выполненные на основе однофазных трансформаторов (рис. 1) с тороидальным маг-шггоироводом 1, на ко: >ром равномерно размещена первичная обмотка 2. Индуктор размещен внутри герметичной тороидальной камеры 3, которая является КЗ вторичной обмоткой и закрывает индуктор от проникновения воды. Вторичная обмотка со всех сторон омывается нагреваемой водой.

Так же одним из наиболее эффектшнплх способов повышения техш!-ко-экономическнх показателей электронагревательных устройств является использование в качестве трёхфазных НЭ трансформаторов с КЗ вторичной обмоткой и пространственной магнитной системой. Такой НЭТ выполнен на основе магнитной системы (рис. 2), состоящей го трёх стержней 1, рас-положегашх в одной плоскости под углом 120 градусов друг к другу. Ярмо магнитопровода 2 имеет вид тороида. Первичная обмотка 3 расположена на стержнях магннгопровода. Вторичная обмотка, выполненная из трёх труб 5, расположена между стержнями магнитопровода. Торцы труб соединены между собой накоротко электропроводящими дисками б, образующими совместно с внешней оболочкой трансформатора 4 герметичную камеру, внутри которой расположен индуктор. Достоинствами описанной конструкции является симметричность, компактность, высокие энергетические, массогабаритные, стоимостные и технологические показатели.

Рис. 2. Трёхфазный трансформатор для установок электроводонагрева

В настоящее время отсутствуют сведения об особенностях электромагнитных и тепловых процессоз в НЭТ, отсутствуют рекомендации по выбору материков, геометрических соотношений и элекгромагиитных нагрузок, а также методики расчёта. Поэтому исследование трансформаторов с КЗ вторичной обмоткой для ЭВМ является актуальной задачей.

Вторая глава работы посвящена исследованию особенностей работы однофазных трансформаторов с КЗ вторичной обмоткой (рис. 1) в ЭВН. Конструкция и режимы работы подобных устройств отличаются от конструкции и режимов работы трансформаторов общего назначения, поэтому не представляется возможным пользоваться при их проектироаашга имеющимися рекомендациями по выбору электромагнитных ншрузок и размерных соотношений. Для выявления особешюстей тепловых процессов, оценки правильности выбора электромагнитных нагрузок и выработки рекомендаций по совершенствованию конструкции разработана математическая модель теплового поля с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

При исследовашш теплового состояния трансформатора очевидно, что максимальная температура в нём будет наблюдаться в длительном режиме работы, когда температура всех частей нагревателя достигнет установившихся значений. Поэтому рассматривается установившийся режим работы, тепловое поле в котором является стационарным. Учитывая тороидальную конструкцию нагревателя расчет производится в цилиндрической системе коордштт г, г, <р при следующих допущениях.

1. Температурное поле осесимметрично, что обосновывается симметричностью конструкции, распределения потерь и расположения поверхностей охлаждения относительно оси г.

2. Область исследования кусочно-однородна, а коэффициенты теплопроводности материалов и мощность источников тепла не зависят от температуры.

3. Главные оси анизотропии сред совпадают с осями координат г, г.

С учётом принятых допущений тепловое поле электроводонагревателя описывается двухмерным уравнением в сечении Ог2.

где Т - температура; ЛГ,Л2- коэффициенты теплопроводности среды но осям г иг, соответственно; (¡у - удельная мощность источников тепла.

На внешней поверхности вторичной обмотки справедливы граничные условия конвективной теплоотдачи п воду

Л^ + А(Г-7Ь) = 0, (2)

дп

где п - внешняя нормаль к (рашше; 7'г, - температура полы в канале.

На конце выступающей части пну трепней трубки справедливы условия теплоизоляции

(1)

дп

Для решении задачи ссчепие трансформатора разбивается на совокупность Е треугольных элементом так, чтобы границы раздела сред совпадали со сторонами треугольников В методе конечных элементов решение уравнения (1) с граничными условиями (2 и 3) заменяется поиском функции, минимизирующей функционал

(4)

-Я

г Л,.

дТ дг

"41

2 гцуТ

I'

(IV + |г|(Г2 - 2Г-Тп +

Гак как объект исследования осесимметричен, то ишеграл (4) представляется в следующем виде

Л I»

' = • 271 гЛ 5 + £ |/г. 271ЫЬ

е=\ ^ е = 1 ц

(5)

Минимизация функционала (5) привод иг к системе линейных уравнений, причём матрица её имеет симметричную и ленточную структуру. Система решалась методом квадратных корней, который учитывает структуру матрицы.

Коэффициенты конвективной теплоотдачи (К ТО) при вынужденном .течении воды определялись по известным формулам

А(6)

где Л> - коэффициент теплопроводности воды, А, - гидравлический диаметр канала; Ми - безразмерное число Нуссельта.

Число Нуссельта для ламинарного и турбулентного режимов соответственно определялись следующим образом

/п\0,33 ( \ 0,14

N4 = 1»' ^

N11 = 0,036Яе°'8 • Рг

А)

-и

0,055

(7)

где Не - безразмерное число Рейпольдса;/>- безразмерное число Прандт ля;

длина канала; //в,/;3 - коэффициенты динамической вязкости воды при среднемировой температуре и температуре теплоотдающей поверхности.

Пели температура стенки превышала 100 °С, то кипение поды учитывалось при нахождении коэффициента теплоотдачи следующим образом

о

й =-----*--, ЛУтс=^^п)

н)о+дт;вс-7; mc \ 44

nie q - плотность теплового потоки; 7's - температура тспл«отдающей стен-кп; Т„ - уточнённое значение средиемассовой температуры вода; ¡К - уточнённое значение коэффициента теплоотдачи, без учёта ftimemw.

Уточните КТО па каждом шаге приближений проводилось итерационным методом по формуле (б) при Г, < 100°С или (8) при Т, > 100°С. Причём, для ускорения сходимости применялся релаксационный процесс, при котором КТО определялся но следующей формуле

/г("+1) = //"> + Uf>( h{n+]l2)-hw), (9)

где //n) - значение К ТО на предыдущем tirai с; 1гпП!г) - уточнённое значение, полученное по формуле (6) или (8): UP- коэффициент релаксации.

В результате анализа результатов расчёта тепловых процессов в трансформаторе мощностью 5 кВт с алюминиевой вторичной обмоткой (рис. 3 и 4) установлено, что распределение температур в сечении происходит крайне неравномерно. Это объясняется неравномерным раенпеделени-ем плотности источников тепла в элементах вторичной обмотки. Часть тепла ог внутренней трубки отво."'тся через изоляционный промежуток и по виткам первичной обмотки к наружному цилиндру. Это повышает температуру першпшой обмопш. Максимальная температура 120°С наблюдается на внутренней трубке вторичной обмотки. Максимальная температура первичной обмотки равна 90,5°С, сердечника - 91,6°С.

Анализ математической модели позволил оценить правильность выбора электромагшпных нагрузок и указать направления для улучшения конструкции трансформатора с целью более равномерного распределения тепловых нагрузок, г. частности, это может быть достигнуто уменьшением толщины Biieiiifiero цилиндра и применением для него материала с более высоким электрическим сонротнвлешшм, чем для внутренней трубки.

При исследовании особенностей параметром и электромагш того расчёта тороидальною трансформатора установлено, что сопротивление вторичной обмотки не зависит от абсолютных геометрических размеров, а определяется лишь относительными параметрами, что позволяет определить сопротивление на предварительном этапе по следующим выражениям:

р у(х + 2) + х(х-г)ш

7ГЛи (х + 2)2 +x(x-z) р у(х + 2)4- - Z)

KàT{kT+\) z{x + 2)

р , (х + 2)2 +x(x-z) - •ln-

(10)

тор ТГАи z(x + 2)

где Гвн- ГТу Грор — сопротивления внешнего цилиндра, трубки и торцевой поверхности вторичной обмотки соответственно; x,y,z- отношения внутрен-

него диаметра, высоты магнитопровода и внутреннего диаметра центральной трубки к ширине магнитопровода, соответственно; ДН - толщина вторичной обмотки; Дт - толщина трубки.

^—ю 'С

-с 100'С 90 "С 80'С 70 'С «ГС 50'С

Рис. 3. Распределение температуры в поперечном сечении трансформатора

130 •с

за 40 so so км icu

Радиус

Рис. 4. Распределите температуры в средней части трансформатора

В связи с отсутствием рекомендаций но выбору электромагнитных натрузок и размерных соотношений при проектировании таких трансформаторов, в работе реализован алгоритм поиска этих данных с помощью ма-тематичсской модели, построетшой на основе метода планирования эксперимента. В качестве функции пели Y выступала стоимость активных материалов трансформатора Сам, я в качестве 01раничительных функций - максимальная температура изоляции 7',п и плотность теплового потока с поверхности центральной грубил вторичной обмотки <7Т. Фактор!,], которые в наибольшей степени влияют на эти функции, выбраны по результатам анализа тепловых процессов в тороидальном трансформаторе. Ими являются плотность тока в первичной обмотке J\ (x¡), относительная высота мшни-тонровода у (х2) - отноше!ше высоты мат нитопрояода к его ширине. В качестве третьего фактора взят изоляционный промежуток между первичной обмоткой и центральной трубкой вторичной обмотки <), (х3), так как эта величина влияет па значение теплового потока от трубки к первичной обмотке. Четвёртым варьируемым фактором выбрано расстояние между первичной обмоткой и торцевой поверхностью Л,2 (xt), от которого зависит qx. Зависимости Сам, Tin и <7т «г независимых переменных xt, х2, ху и .г4 найдены п виде полиномов второго порядка

4 4 4

г=/>0++Xv.*,+' °1}

i<j i-1 где h0, b¡, b¡¡, h„ - коэффициенты полинома.

Коэффициенты этих выражений определялись с помощью численного эксперимента, для постановки которого применялось ортогональное центральное комиозишютюе планирование второго порядка.

По результатам численного эксперимента построены зависимости (рис.5), анализ которых позволил обоснованно подойти к выбору варианта для проектирования трансформатора с минимальной стоимостью при следующих наложенных ограничениях. Максимальная температура изолящш не должна превышать допустимую, определяемую классом используемых изоляционных материалов. Вторым ограничивающим фактором является величина плотности теплового потока с поверхности центральной трубки вторичной обмотки <7т, которая по условию образования накипи не должна превышать 10 Вт/см2.

Анализ полученных зависимостей показал, что наибольшее влияние на стоимость активных материалов трансформатора оказывает плотность тока в первичной обмотке (рис. 5, а), а наименьшее - относительная высота маптитопровода, причем наблюдается точка с минимальной стоимостью при >»1,4 (рис. 5, б). На выбор этих величин существенное влияние оказывает увеличение тепловых нагрузок Тт и qr при повышении J¡ и у. С учётом наложенных ограничений целесообразно выбират ь значения плотности тока в области 3-3,5 А/мм2, а относительную высоту магнитопровода в достаточно широких пределах 1-1,5. Анализ зависимостей (рис, 5, в) показал,

что увеличите изоляционного расстояния прилодит к уменьшению 7',п. вследствии ограничения величины теплового потока от центральной трубки к перви'шой обмотке. Так же уменьшается стоимость активной части. Из-за уменьшения диаметра ценгральной трубки уменьшается поверхность охлаждения и значительно повышается дт. Поэтому необходимо увеличивать поверхность трубки за счет её удлинения. Это приводит к повышешпо стоимости и температуры первичной обмотки (рис. 5, г), а) 6)

30 с с

и

V А ТУ ,

22,5 о с.

21.0

1.2 1.1 ос 1,6

24 Пи 13 22.5 121 и

О С. •С см1 7т / о г °С Пг -5 см'

23 1 г, II N,/ 22.0 12() 12

1» ь II, И 9

т с' ' » я с,. Я,

21 115 7 21.Г 1П и

ч

>>

к

75 85 мм 95

Л,2--»

Рис. 5. Результаты исследования однофазного НЭТ

Таким обршом, ап;шиз математической модели, получешюй с помощью метода планирования эксперименга, позволил обосновашю определить допустимые области выбора электромаппггиых нагрузок, геометрических соотношений и размеров с целью определения варианта при проекти-ровашш устройства минимальной стоимости.

Третья глава посвящена исследованию тепловых и электромагнитных процессов в трехфазном трансформаторе с пространственной малшт-ной системой и коро 1 козамкнутой вторичной обмоткой (рис. 2) с учётом особенностей работы в режиме электроводонагрева.

С целью анализа особещюстей тепловых процессов и определения максимальной температуры изоляции, которая во многом влияет на надёжность и долговечность трансформатора, в работе разработана математическая модель теплового поля с помощью МКЭ. У'шгывая симметричность

конструкции трансформатора модель реализована для среднего сечения одного сегмента в прямоугольной системе координат .V, у при следующих допущениях.

1. Теплыйй ноток на прилегающих сторонах сегмента отсутствует.

2. Область исследования кусочно-однородна, а коэффициенты теплопроводности материалов и мощность источников тепла не записит от температуры.

3. Главные оси анизотропии сред совпадают с осями координат .г, у.

С учётом принятых допущений тепловое поле трансформатора описывается двухмерным уравнением теплопроводности в сечении Оху

7 Т

^•ТТ + Лу-ГТ + ^О- (12)

ах а у

На внутренней поверхности вторичной обмотки и внешней поверхности герметишрующей оболочки справедливы граничные условия конвективной гешюотдачн в воду (2). На прилегающих сторонах еешеггга справедливо условие теплоизоляции (3). Решение уравнения (12) с граничными условиями заменяется поиском функции, минимизирующей функционал

V в,

-яМ^^Нн^»**- т>

V -"б".

Граничные условия вида (3) являются естественными для МГО и пе требуют модификации функционала (13). При рассмотрении граничных условий конвективного теплообмена (2) предполагалось, что температура воды, которая омывает внутреннюю повсрхпосп, трубок и внешнюю поверхность герметизирующей обо точки известна, а КТО определялись ите-рациотплм методом как для однофазной конструкции. Особенностью является то, что режим течения вода, омывающей поверхности теплоотдачи, ламинарный, в связи с большим расчетным диаметром трубок. В работе реализована математическая модель теплового ноля ПЭТ в виде программы для ЭВМ,'написанной на языке Паскамь. Картина поля для трансформатора с КЗ вторичной обмоткой, выполненной из нержавеющей стали, мощностью 25 кВт приведена на рис. 6.

А палит теплового поля в среднем сечении трехфазного трансформатора показывает, что максимальная температура наблюдается в районе первичной обмотки и величина её 160°С, лозюму необходимо выбирать изоляцию, соответствующую классу П. Часть тепла с.г первичной обмотки через изоляцию н машнтспрлиюц тиодится с наругкнон поверхности трансформатора, а другая часть отводится через изоляцию к трубкам. Максима чмгал температура поверхности вюрпчпой обмочи раина ПО °С. Пи-

да, омывающая эту поверхность, начинает кипе и,, что нежелательно с точки зрения возникновения накипи и ухудшения теплового состояния трансформатора. Это объясняется ламинарным режимом течения воды в трубках и низким КТО. Поэтому целесообразно пришпь меры для увеличения интенсивности теплоотдачи с помощью турбулизации течения за счёт искусственного усложнения пути протекания воды.

Анализ теплового поля показал, что элсмс1пы конструкции, обеспечивающие герметичность трансформатора, имеют различную температуру нитрона (температура трубки вторичной обмотки равна 110°С , и температура герметизирующей оболочки 10°С). Так как перечисленные элементы конструкции выполнены из одинакового материала и имеют одинаковый коэффициент теплового расширения, то в установившемся рабочем режиме возникают механические напряжения в элементах конструкции и в сварных швах, которые необходимо учитывать.

Для более полного описания электромагнитных и тепловых процессов, протекающих в трансформаторе, разработана методика электромагнитного расчёта, учитывающая особенности работы и эксплуатации исследуемых трансформаторов. Этими особенностями являются: наличие одно-внтковой КЗ вторичной обмотки с большой плотностью тока, в которой сосредоточена основная часть потерь; наличие водяного охлаждения с естественной или искусствешюй конвекцией; в качестве нагрузки выступает КЗ вторичная обмотка, сопротивление которой постоянно. При проектировании учитывались следующие обстоятельства. Во-первых, для обеспечения повышенной электробезопасности, максимальное напряжение прикосновения к вторичной обмотке должно быть меньше допустимого по условиям эксплуатации. Во-вторых, с целью замедления процесса образования накипи, плотность теплового потока с теплоотдающей поверхности ограничивается величиной 10 Вт/см2. Эти обстоятельства учитывались при подборе геометрии трубок. Важным является то, что все тепловые потери трансформатора при работе в качестве нагревательного элемента, идут на нагрев воды и электромагнитный КПД может быть меньше, чем у классических трансформаторов, поэтому допустимо завышение электромагнитных нагрузок.

20 "С

Рис.6. Тепловое поле в среднем сечении трансформатора

С целью создания рекомендаций при проектировании таких устройств, в работе исследовано влияние электромапштных нагрузок (плотность тока в первичной обмотке J^ (дгО и индукция в стержне мапштопро-вода Пс (г2)), числа витков в первичной обмотке 1Г, (_г3) и толщины трубки вторичной обмотки 6Т (д-4) на стоимость материалов Са м,трансф орматор а и максимальную температуру изоляции/«,. Математическая модель, которая связывает все перечисленные параметры, получена с помощью метода планировать эксперимента на основе центрального композиционного плана второго порядка, что позволяет получить достаточно точные аппроксимирующие выражения в воде (11).

Результаты исследования в виде графиков представлены на рис. 7. Зависимость стоимости от числа витков при постоянной плотности тока и индукции имеет вид пологой кривой с точкой экстремума, в которой наблюдается минимум. Зависимость максимальной температуры изоляции от (Г) при тех же условиях так же имеет экстремум (максимум) в зоне больших значений IV,, поэтом}' число витков в первичной обмотке при расчётах следует принимать в пределах 60-70. При больших значениях трудно обеспечить необходимую Тт и требуется значительное снижение плотности тока, что сказывается на стоимости. При меньших значениях IV, не обеспечивается необходимый по условиям безопасной эксплуатации НЭТ потенциал на вторичной обмотке.

55 65 витк:и 85 1,5 2 2,5 кк 3 IV» -«■ «$ -►

Рис. 7. Результаты исследования трёхфазного НЭТ

Исследования показали, что выбор IV, свыше 75 витков приводит к значительному возрастанию диаметра трубки, так как ток обмотки низшего напряжения возрастает пропорционально уменьшению напряжения витка и для обеспечения требуемой мощности необходимо уменьшать сопри![тление трубки за счёт повышения её диаметра. Эти обстоятельства приводят к увеличешпо габаритных размеров магшггопровода, массы и стоимости активных материалов. При этом, повышение стоимости происходит более быстрыми темпами, чем уменьшение температуры и при (^>75 витков невозможно получить требуемые условия по нагреву. Зависимость стоимости активных материалов от толщины трубки при постоянной шщукции Вс и

допустимой температуре изоляции имеет минимум (рис. 7). Анализ этих зависимостей показал, что при толщине стенки трубки менее 2 мм для обеспечения требуемого сопротивления необходимо увеличивать диаметр трубки, что влечёт за собой увеличение габаритов и стоимости магнито-провода. При толщине трубки более 3 мм, для обеспечения необходимого сопротивления, её диаметр необходимо уменьшать. С другой стороны, чтобы обеспечить требуемую поверхность охлаждения, необходимо увеличи- .. вал. длину трубки. В этом случае резко повышается температура изоляции и приходится снижать плотность тока в первичной обмотке, что является причиной повышения стоимости.

Таким образом, с помощью метода планирования эксперимента получена математическая модель, анализ которой позволил определить допустимые области выбора электромагнитных нагрузок, дать обоснованные рекомендации по выбору числа витков в обмотке и толщины трубки с целью определения варианта при проектировании трансформатора с минимальной стоимостью.

В четвёртой главе диссертационной работы рассмотрены результаты проектирования и экспериментальных исследований короткозамкнутьг» трансформаторов для элсктроводоиа1рсвателей.

Анализ результатов проектирования рада однофазных трансформаторов тороидальной конструкции с одновигковой КЗ обмоткой в виде герметичного корпуса мощностью 1,25-7 кВт (рис. 8) и серии трёхфазных трансформаторов с пространственной магнитной системой и одновигковой КЗ вторичной обмоткой мощностью 10-40 кВт (рис. 9) позволяют оцештть влияние мощности на изменение основных геометрических соотношений, размеров мапттопровода и электромагнитных на1рузок и являются рекомендациями для проектирования.

Экспериментальные псслсдовшшя проводились на макетных образцах с целью выявления особенностей работы трансформатора в проточном и аккумуляционном режимах и определения температур его частей в установившемся рабочем режиме для подтверждения правильности теоретиче- в ских выводов, полученных е работе. Для проведения исследований изготовлены три физические модели, отличающиеся конструктивным исполнением, выходной мощностью и режимом работы.

Результаты исследования макетных образцов в проточном режиме хорошо согласуются с результатами теоретических исследований. В наиболее нагруженном режиме при температуре нагреваемой воды на выходе равной 75 °С расход поставил около одного литра в минуту. Температура, измеренная с помощью расположенных внутри трансформатора термодатчиков, близка к расчетной. Коэффициент мощности составил 0,98.

В результате испытаний макетных образцов установлено следующее.

1. Проведённый эксперимент показал работоспособность предложенного тороидального трансформатора с КЗ вторичной обмоткой в качестве НЭ как в проточном, так и в аккумуляционном режимах.

2. Результаты испытаний подтвердили теоретические выводы о высоких энергетических показателях таких устройств.

3. Значения температур, полученные в ходе эксперимента, полностью подтвердили правильность теоретических исследований.

4. Измеренный в ходе эксперимента потенциал вторичной обмотки относительно бака и заземлённых частей составил 0,55 В, что подтвердило соответствие устройства второму классу электробезопасности.

В связи с изложенным выше, исследуемые трансформаторы целесообразно использовать в качестве НЭ для установок элекгроводонагрева.

3.9 А им*

3.6

I"

л

з.о

2 4 6 к£т 8 2 р \_ » к2т 8

X - относительный внутрешпш диаметр мапппоировода; Ъ - относительный внутренний диаметр цетралыгой трубки вторичной обмотки;

БсЬ Яс, а - внутрешшй диаметр, высот а и ширшга магнитопровода;

- плотности тока в первичной обмотке и центральной трубке: г] - электромагнитный коэффициент полезного действия. •

Рис. 8. Результаты проектирования однофазных НЭТ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. При создании ЗВН малой и срсднгй мощности, хихерые до;каш отвечать повышенным требоаыиим .ллеитробе'зопасносги, ладокности и долговечности, целесообразно применение а качестве Н'-> сушильных аи-доп трансформаторов с короншзашепутой зторичаой ебмот:;л1

2. Разработанные автором математические модели электромагнитного и теплового расчётов НЭТ, учитывающие особенности конструкции, режима работы и эксплуатации, позволяют проектировать на ЭВМ однофазные тороидальные и трёхфазные трансформаторы с пространственной маг нитной системой и КЗ обмоткой для установок электронагрепа.

3. Разработанные авт ором методики построения математических моделей для проектировании НЭТ позволяют получить рекомендации по выбору электромагнитных нагрузок, основных размеров и размерных соотношений для однофазного трансформатора тороидальной конструкции и трёхфазного трансформатора с пространственной магнитной системой.

4. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность полученных теоретических выводов.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные п диссертационной работе, использованы при проектировании и производстве НЭТ на Биробиджанском заводе, силовых трансформаторов, а также в АО Амурская "Эра" г.Комсомольск-на-Амуре, что подтверждается соответствующими актами.

Р - отношение средней длины витка первичной обмотки к длине стержня, эаштаемой обмоткой.

Рис. 9. Результаты проектирования трёхфазных НЭТ

Ceüv«oe содержание диссертации опубликовано » работах:

1. Сгежои A.D., Кузьмин В.М., Бобровский С.II. Выбор электромагнитных чарузок ири проектировании нагревательных элементов 'рансформаторного типа .//В сб.:Совершенст1Юйагпте электрооборудования :i средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий: Тез. докл. 4 Дальневосточной науч.-пракг. конф. - Комсомолъск-на-Атнуре, 1995.-с.37.

2. Серпков A.D., Кузьмин D.M., Бобровский С.П. Математическая модель для оптимального проектирования нагревательных элементов трансформаторного типа.//В сб.Машиностроительный и приборостроительный комплексы ДВ, проблемы конверсии по итогам выполнения 1ЛРПТП "'Дальний Восток России" за 1993-1996 гг. - Комсомольск-на-Амуре,1996. - с.59-60.

3. Cj-v.hcoij A.B., Кузьмин В.М., Бобровский С.П. Математическая модель ipc.-.iimfioro олектроводонагревагеля трансформаторного типа.//В сб.: Наукоёмкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и исгалл\ргических предприятиях Дальнего Востока: Тез. докл. глежд науч.-техн. снми. ч.2 - Комсомольск-на-Амуре, 1994. - с.103.

4. Сериков A.B., Кузьмин Ü.M., Бобровский С.П. Применение децентрализованных систем горячею водоснабжение и отопления п строительстве: Тез. докл. Межд. науч.-техн. симп.-Комсомольск-на-Амуре, 1993.

5. Сериков A.B.. Кузьмин В.М. Оптимизация конструкции и выбор основных электромагнитных нагрузок в нагревательном элементе трансформаторного пши./УВ с б. .Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Тез. докл. регион, науч.-техн. конф. ч. 1 - Иркутск, 1994. - с.40-41.

6. Сериков A.B., Кузьмин В.М. Особенности электромагнитного расчета трехфазного ншрекательного элемента трансформаторного типа с пространственной магшгшой снстемой.//В сб.Электромеханика и автоматизация производственных систем - Ко.мсомольск-на-Амуре,1996 - с.57-66.

7. Сериков A.B., Кузьмин В.М. Расчёт теплового ноля нагревательного элемента трансформаторного тииа./ЛЗ сб.:Сопершеиствов;лше электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий: Тез. докл. 3 Дальневосточной пауч.-прект. конф. - Комсомольск-па-Амуре, 1992. - с.84.

8. Сериков A.B., Кузьмин В.М. Расчет теплового поля трехфазного электроводонагревагеля трансформаторного типа.// Энергетика и энергосберегающие технологии: Тем. сб. ДПГГУ - Владивосток, 1994.

9. Свидетельство РФ №2692 на полезную модель (Россия). МКИ 11050 6/10. Трёхфазное электронагревательное устройство трансформаторного типа/ Кузьмин В.М., Сериков A.B. - Опубл. в Б И., 1996, Ка 8.

10. Кузьмин В.М., Сериков A.B., Бобровский С.II. Электроводона-гревателыюе устройство трансформаторного типа. Полож. реш. по заявке на тобр. № 94044177/U7. Опубл. в Ь.И, 1997, №5.