- •Введение
- •1.Задание на проектирование.
- •2. Предварительное оптимизационное проектирование и проектные исследования
- •2.1 Предварительное определение конструктивных и энергетических показателей трансформаторов
- •2.1.1. Конструктивные параметры магнитной системы и выбор величины индукции в стержне
- •2.1.2. Определение изоляционных промежутков
- •2.1.3. Определение коэффициента заполнения обмоток проводниковым материалом
- •2.1.4 Обмоточный конструктивный коэффициент -
- •2.1.5 Выбор коэффициента закрытия поверхности обмоток и удельной тепловой нагрузки обмоток
- •2.2. Критерии оптимальности трансформатора и определение начальных значений управляемых переменных.
- •2.2.1. Математическая модель критерия приведенных затрат на трансформацию электрической энергии.
- •2.2.2. Математическая модель критерия капитализированных затрат.
- •2.2.2.1. Оценка удельной капитализированной стоимости потерь холостого хода
- •2.2.2.2. Оценка капитализированной стоимости нагрузочных потерь
- •2.3 Основные уравнения расчетной математической модели трансформатора.
- •2.4. Алгоритм предварительного расчёта основных размеров и параметров трансформатора.
- •3. Методика применения программного комплекса “Аметист” для автоматизированного синтеза, анализа и оптимизации трансформаторов.
- •3.1. Общие сведения
- •Система управления сапр “Аметист”
- •3.2.3. Предварительный расчет
- •3.2.4. Оптимизация электромагнитных показателей
- •3.2.4.1. Оптимизация электромагнитных показателей по одной управляемой переменной
- •3.2.4.2. Оптимизация электромагнитных показателей по двум управляемым переменным
- •3.3. Синтез и оптимизация обмоток
- •4. Автоматизация процесса оптимизации параметров трансформаторов
- •4.2. Алгоритм процесса оптимизации методом циклического покоординатного спуска.
- •4.3. Методика автоматизированного синтеза и оптимизации трансформаторов на основе метода цпс.
- •5. Детальное проектирование трансформаторов.
- •5.1. Объём детального проектирования и его последовательность.
- •5.2. Раскладка, детальное конструирование и расчет обмоток.
- •5.2.1. Определение фазных напряжений и токов обмоток:
- •5.2.2. Определение чисел витков обмоток ( на одну фазу ):
- •Расчёт плотностей токов в обмотках нн и вн
- •Раскладка обмотки нн
- •5.2.5. Раскладка обмотки вн
- •5.2.6. Определение площади поверхностей охлаждения обмоток
- •5.2.7. Определение массы обмоток, расчёт основных и добавочных потерь короткого замыкания
- •5.3. Определение основных параметров мс, потерь в стали и тока холостого хода.
- •5.4. Расчёт механических напряжений в обмотках от радиальных усилий
- •5.5. Тепловой расчёт обмоток
- •5.6 Тепловой расчет бака.
- •5.7. Экономический расчёт
- •Пример предварительного оптимизационного расчёта трансформатора.
- •6.2. Предварительный расчет основных размеров и конструктивных показателей трансформатора.
- •Пример детального расчёта трансформатора.
- •7.1. Определение фазных напряжений и токов .
- •7.2 Определение конструктивных параметров мс и размеров изоляции в окне.
- •7.3 Определение числа витков обмоток:
- •7.4. Расчёт среднего значения плотности тока в обмотках. Определение плотности тока в обмотках нн и вн.
- •Расчёт обмотки вн.
- •7.7. Определение площадей поверхности охлаждения обмоток.
- •Определение массы обмоток, основных и добавочных потерь в обмотках, отводах, и баке. Проверка величины напряжения короткого замыкания.
- •7.9. Определение массы стали мс, определение потерь в стали и тока холостого хода.
- •7.10. Расчет механических напряжений в обмотках
- •7.11. Тепловой расчет обмоток
- •7.12. Тепловой расчет бака
- •7.13. Экономический расчет
- •Приложение а
- •Приложение б Основные данные обмоточных проводов круглого и прямоугольного сечений
- •Додаток в Форми вихідних даних для проектних досліджень Таблиця в1. Вихідні дані досліджуваного трансформатора
- •Таблиця в2. Конструктивні дані досліджуваного трансформатора
- •Таблиця в3. Техніко-економічні дані
3.2.4.2. Оптимизация электромагнитных показателей по двум управляемым переменным
В отличие от первого, во втором способе используется изображение допустимой области, на которой четко дается информация о допустимой области и проектных ограничениях.
Для вызова этой функции необходимо нажать на кнопки «Выполнить» - «Оптимизация» - «Электромагнитных показателей по двум УП»,
Рис.3.7. Окно начальных условий для оптимизации электромагнитных показателей по двум УП.
после чего появится диалоговое окно (рис.3.7), в котором необходимо выбрать из списка заданные функциональные ограничения, указать критерии оптимизации, тип управляемых переменных и значение параметра, который остается постоянным. После чего нажать кнопку «Начать». Если все указано верно, на экране появится окно «Выбор оптимального варианта» (рис.3.8), на котором представленная область допустимых значений двух УП, с линиями уровней выбранных функциональных ограничений. Их значение можно изменять с помощью “ползунков” напротив каждого ограничения.
Для удобства нахождения варианта с минимальными затратами в допустимой области предусмотрена функция отображения критерия линиями равного уровня. С ее помощью можно выделить область вариантов с минимальными затратами. Чтобы ее включить, необходимо установить “птичку” напротив соответствующей надписи.
Рис.3.8 - Окно выбора оптимального варианта и допустимая область.
Выбор вариантов осуществляется непосредственно на выделенной области двойным нажатием левой кнопки мыши, при этом выбранные варианты программа заносит в список. Потом нажатием на вставку «Информация в выбраных вариантах» программа переходит в окно просмотра результатов каждого варианта, из которого пользователем выбирается оптимальный.
Для изменения ограничений, управляемых переменных и значения управляемой переменной, которое остается постоянным, предусмотрена команда просмотра области, которая осуществляется нажатием на кнопку «Просмотр области».
Для окончания работы с оптимизацией предусмотрена кнопка «Выйти» в правом нижнем углу окна. После выхода в главном окне программы появится вставка с результатами оптимизационных исследований как по одной, так и по двум УП, если такие проводились.
3.3. Синтез и оптимизация обмоток
Для детального синтеза трансформатора в программном комплексе «Аметист» предусмотрена подсистема «Синтез обмоток». Данная подсистема выполняет функцию структурной оптимизации по дискретной модели слоевых обмоток выполненных как из прямоугольного, так и из круглого элементарного проводника при разбивке обмотки на одну или большее число катушек (концентров).
Для вызова подсистемы нужно нажать в главном меню кнопки: «Выполнить» - «Синтез обмоток», после чего появится окно ввода исходных данных для синтеза (рис.3.9).
Рис.3.9. Окно начальных данных для синтеза обмоток трансформатора.
В этом окне необходимо задать исходные технические и технологические данные обмотки или оставить все данные “по умолчанию”, которые система рассчитывает автоматически.
Исходными данными являются:
S - мощность трансформатора, кВА;
Нср – средняя высота обмотки, мм ;
Dоб.вн – внутренний диаметр обмотки НН, мм;
Uк – напряжение КЗ, % ;
А12 – изоляционное расстояние между обмотками НН и ВН, мм;
TR - тип регулирования напряжения;
а также данные обмоток ВН и НН:
Iф – фазный ток обмотки, А;
об – плотность тока в обмотке, А/мм2;
Uф – фазное напряжение обмотки, В;
W - число витков обмотки;
МR - марка провода;
tпр – толщина изоляции провода на две стороны, мм;
nk – число концентров;
bq – размер охлаждающего канала между концентрами, мм.
Технологическими данными служат:
Sэ max – ограничение элементарного проводника прямоугольного сечения по площади как медного, так и алюминиевого провода, мм2;
Рис.3.10. Окно установки возможных вариантов расположения элементарных проводников в сечении витка.
Sв кр d – предельное сечение витка обмотки из круглого проведения (в программе есть возможность отключать совместное применение прямоугольного и круглого провода), мм2;
Sэ – допуск на отклонение стандартного проводника от расчетного сечения, %
минимальное и максимальное соотношения сторон элементарного прямоугольного проводника при намотке обмотки “на ребро”.
Также устанавливаются возможные варианты расположения элементарных проводников в сечении витка (рис.3.10).
Технологические допуски:
- допуск по ширине и высоте обмотки, %;
- заполнение последнего слоя, %;
- возможность задавать число слоев обмотки НН.
К расчету напряжения КЗ:
- допуск по отклонению напряжения КЗ, %;
- максимальное число итераций для обеспечения гарантированного значения короткого замыкания (Uk).
Оптимизационные данные:
Задание критерия оптимизации обмотки НН и ВН
- максимальный коэффициент заполнения;
- максимальное заполнение последнего слоя;
- минимальная масса обмотки.
Автоматизация (режим принятия решений):
- ручной;
- автоматический.
После уточнения всех данных следует нажать кнопку «Начать синтез». Если все указанные действия выполнены верно, то появится окно «Анализ и выбор вариантов» (рис.3.10).
Подпрограмма ”Синтез обмоток” по указанным исходным данным и технологическим допускам автоматически подбирает возможные варианты раскладки обмотки НН и ВН, после чего выводит их на экран в виде списка. По указанному критерию (его можно выбирать из списка, который раскрывается под вариантами каждой обмотки) из возможных вариантов программа находит оптимальный и обозначает его специальной меткой. В списках просмотра вариантов представляется возможность отключения любого варианта, если он не удовлетворяет проектировщика своими параметрами или выбранный провод отсутствует в номенклатуре проводов предприятия.
Ниже приводятся окна с информацией о каждой комбинации вариантов обмотки ВН и НН, а также сравнение полученного и исходного варианта трансформатора.
Для корректирования исходных данных предусмотрена кнопка «Изменить данные варианта», при нажатии которой появится окно с исходными данными проекта, а после (после принятия данных проекта) появится окно исходных данных синтеза трансформатора.
При первой раскладке обмоток трансформатора с полным числом слоев nсл, с заданной высотой витка Апр, с регламентированным допуском по высоте обмотки Нк,% и заполнением последнего слоя nсл,% (как показали многие эксперименты) может не выполняться условие допуска по напряжению КЗ (>5%). Эта проблема решается с помощью итерационной коррекции высоты обмотки.
Рис.3.11. Окно анализа и выбора вариантов синтеза трансформатора.
При каждой итерации изменяется высота обмоток в сторону увеличения таким образом, чтобы последний слой “размотался” по всем другим слоям. В результате такой коррекции:
число слоев уменьшается на единицу;
заполнение последнего слоя должно быть максимальным, т.е. 90-100%;
высота обмотки не превысит заданного допуска Нк,%;
Эта операция выполняется при нажатии соответствующей кнопки в левом нижнем углу окна.
После выполнения итераций и выбора оптимальных вариантов обмоток НН и ВН выполняется выход из подсистемы синтеза нажатием кнопки «Завершить синтез».
Рис.3.12 - Окно отчета для печати.
Результаты синтеза помещаются в «Отчет на печать» (рис.3.11), где представляется возможность сохранить отчет в формате “ rtf ” или вывести данные на печать.
3.4. Другие возможности программного комплекса «Аметист»
В широкие возможности программного комплекса «Аметист» входит объемное представление распределения индукции в окне МС. Для использования этой возможности необходимо нажать кнопки «Выполнить» - «Исследование поля рассеяния».
Рис.3.13. Объемное представление магнитного поля рассеяния B=F(x,y) в “окне“ трансформатора.
Появится диалоговое окно с выбором математической модели расчета магнитного поля рассеяния и разбивкой допустимой области линиями в радиальном и осевом направлении. Расчет распределения магнитного поля рассеяния выполняется по алгоритму метода конечных разностей.
Для начала исследования необходимо нажать кнопку «Расчет». После чего появится окно (рис.3.12) с представлением изменения индукции в плоскости окна МС и возможностью обхода ее по радиальному и осевому направлению. В правой части окна, для наглядности, представлена плоскость сечения обхода, который дает возможность получить числовую величину индукции в каждой точке окна МС.
Программа также рассчитывает и выводит на экран характеристики:
переходного процесса при внезапном трёхфазном коротком замыкании;
изменения вторичного напряжения при разных видах (углах )- и величинах () нагрузки;
изменение вторичного напряжения при разном характере нагрузки ;
КПД трансформатора .
Рис. 3.14 - Окно характеристики переходного процесса при коротком замыкании.
Рис.3.15. Окно изменения вторичного напряжения от cos2 при разных коэффициентах нагрузки :U = (cos2).
Рис.3.16 – Окно изменение вторичного напряжения от нагрузки () при разном характере нагрузки (cos2): U = ().
Рис.3.17 – Окно характеристики КПД трансформатора при разныхcos2.