- •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
Министерство образования и науки Украины Одесский национальный политехнический университет
Пуйло Г.В., Кузьменко И.С., Насыпаная Е.П.
Автоматизированный проектный синтез силовых трансформаторов
Учебное пособие по дисциплинам “Электрические машины”, “Основы автоматизированного проектирования ЭМП и ЭМС”, “Методы оптимизации ЭМС”, “САПР и основы исследований электрических машин”. Для студентов специальностей 8.092206 “Электрические машины и аппараты”, 8.092202 “Электрический транспорт”, 7.09603 “Электротехнические системы электропотребления”, 7.000008 “Энергетический менеджмент”.
Утверждено на заседании кафедры электрических машин протокол № 12.05.09 зав. каф. В.С.Петрушин
Одесса ОНПУ 2009
|
Введение
Задача проектирования силового трансформатора высокого напряжения с оптимальными параметрами в своей общей постановке относится к классу многокритериальных задач нелинейного математического программирования. Для решения такой задачи необходим четкий учет множества противоречивых проектных факторов, проектных ограничений и критериев, что невозможно без выполнения огромного объема творческой, вычислительной и конструкторской работы. Трансформатор по существу является достаточно сложной технической системой, в которой взаимодействуют сложные явления различной физической природы – электромагнитные, тепловые, механические. Поэтому при промышленной разработке новых или модернизации устаревших серий силовых трансформаторов используется мощный математический и программный арсенал современных систем автоматизированного проектирования трансформаторов (САПР) [2, 6,7], основывающийся на принципах и методах системного анализа.
В настоящем учебном пособии поставлена цель - научить студентов элементам проектирования и основам использования средств САПР для проектного синтеза и анализа силовых трансформаторов. В современных условиях особенно актуальны требования энерго- и ресурсосбережения, поэтому основными технико-экономическими требованиями являются требования оптимального расхода активных материалов на производство трансформатора при оптимальном уровне потерь в трансформаторе.
В качестве объекта проектирования рассматриваются трехфазные силовые распределительные трансформаторы с естественным масляным охлаждением классов напряжения до 35 кВ включительно и мощностью от 25 до 1000 кВА.
В этих трансформаторах применяются, как правило, цилиндрические слоевые обмотки из круглого и прямоугольного провода и естественное масляное охлаждение (М).
Для успешного достижения поставленной цели процесс проектирования трансформатора разделен на три этапа.
На первом этапе студенты подробно изучают конструктивные особенности проектируемых трансформаторов, возможные конструктивные исполнения магнитных систем и обмоток, устройство комплектующих узлов (вводов, отводов, бака, элементов защиты масла). На этой основе выбирают технические решения для основных узлов, рассчитывают конструктивные коэффициенты, формируют необходимый комплекс исходных данных и выполняют с помощью подсистемы «Аметист» предварительный оптимизационный расчет, в результате которого определяют основные размеры и технико-экономические параметры варианта трансформатора в зоне оптимальности (близкого к оптимальному) по заданному технико-экономическому критерию. Задачи первого этапа проектирования связаны с выбором и обоснованием рассчитанных технико-экономических параметров трансформатора с позиций энерго- и ресурсосбережения.
На втором этапе на основе данных предварительной оптимизации выполняется детальное проектирование магнитной системы (МС) и обмоток трансформатора, поверочные электромагнитный, тепловой, механический и экономический расчеты. Задачи второго этапа проектирования имеют практическое значение, так как в практической работе инженера-электрика (электромеханика, электротехника) достаточно часто приходится решать задачу перерасчета обмоток трансформатора (для заданной магнитной системы) при его модернизации или ремонте.
Для достаточно глубокого изучения конструктивных особенностей проектируемых трансформаторов, необходимых технических требований и критериев, правильного выбора исходных величин, определения расчетных коэффициентов студенты перед началом проектирования должны детально изучить эти вопросы по соответствующим учебным пособиям, указанным в списке литературы 1, 3, 4, 5, 8, 9], а само проектирование выполняется без использования программного обеспечения.
На третьем этапе корректируются результаты проектирования первого и второго этапов и выполняется автоматизированный детальный синтез обмоток трансформатора в соответствии с выбранным (или заданным) конструктивным критерием («недоходом» витков в крайнем слое обмотки, минимальная масса обмотки, максимальный коэффициент заполнения площади обмотки проводниковым материалом). Синтез и оптимизация обмоток выполняются с помощью подсистемы автоматизированного проектирования трансформаторов «Аметист» на основе технологически допустимых структур размещения элементарных проводников в поперечном сечении витка обмотки и с обеспечением заданной величины напряжения короткого замыкания трансформатора.
Результаты детального синтеза сопоставляются с данными предварительного оптимизационного расчета и, при необходимости, могут быть уточнены исходные данные и расчетные коэффициенты. На этом же этапе может быть выполнен анализ распределения магнитного поля рассеивания обмоток, характера изменения тока короткого замыкания в переходном процессе, а также рассчитаны внешняя характеристика трансформатора и зависимость коэффициента полезного действия от величины и характера тока нагрузки. Функциональные возможности подсистемы «Аметист» позволяют выполнять ряд других проектных исследований, которые необходимы при решении задач структурной и параметрической оптимизации обмоток и других задач исследовательского проектирования трансформатора.
Спроектированный трансформатор должен отвечать требованиям проектного задания и государственных стандартов на силовые масляные трансформаторы общего назначения на напряжение до 35 кВ включительно.