close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

8262.Тепловые режимы работы трансформаторов с вращающимися магнитными полями монография.

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Северный (Арктический) федеральный университет
имени М.В. Ломоносова
Е.В. Лимонникова, А.И. Черевко, И.Ю. Кузьмин, М.М. Музыка
ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ
ТРАНСФОРМАТОРОВ С ВРАЩАЮЩИМИСЯ
МАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ
Монография
Архангельск
ИД САФУ
2014
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.314.252
ББК 31.2
Л58
Рецензенты:
Дмитриев Б.Ф., доктор технических наук, професор кафедры
«Электротехника и электрооборудование судов» СПбГМТУ;
Потего П.И., главный инженер ОАО «СПО «АРКТИКА»
Л58
Лимонникова, Е.В.
Тепловые режимы работы трансформаторов с вращающимися
магнитными полями: монография / Е.В. Лимонникова, А.И. Черевко, И.Ю. Кузьмин, М.М. Музыка; под ред. Е.В. Лимонниковой,
Архангельск: ИД САФУ, 2014, – 82 с.
ISBN 978-5-261-00923-8
Приведен анализ тепловых явлений, протекающих в трансформаторах с вращающимися магнитными полями. Представлена методика расчёта энергетических характеристик трансформаторов с вращающимися
магнитными полями, на базе которых осуществлен расчёт трансформатора на мощность 6,5 кВт с пазами трапецеидальной и грушевидной
форм.
В соответствии с представленными расчётами приведены описания
построения моделей трансформаторов с вращающимися магнитными
полями в среде моделирования ANSYS, выполнено моделирование тепловых процессов протекающих в них, проанализированы результаты.
Для научных и инженерно-технических работников, а также аспирантов и студентов электротехнических специальностей.
УДК 621.314.252
ББК 31.2
ISBN 978-5-261-00923-8
2
© Лимонникова Е.В., Черевко А.И.,
Кузьмин И.Ю., Музыка М.М., 2014
© Северный (Арктический) федеральный
университет имени М.В. Ломоносова, 2014
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРЕДИСЛОВИЕ
Появление на рынке новых видов трансформаторов с вращающимися магнитными полями показало большой интерес к представленной конструкции в связи широкими возможностями применения
их в преобразовательной технике. Однако перед тем как внедрять в
промышленное производство новые образцы трансформаторов,
необходимо подробно изучить работу данных устройств. Одним из
немаловажных вопросов, позволяющих охарактеризовать работу
трансформаторов с вращающимися магнитными полями, является
исследование их тепловых режимов работы. Наиболее полно ответить на вопросы о тепловых режимах работы трансформатора позволяет математическое моделирование.
В представленной монографии в качестве среды моделирования
тепловых режимов работы трансформаторов с вращающимися магнитными полями предлагается универсальная программная система
конечно-элементного моделирования ANSYS. В качестве образцов
исследования выступили две модели трансформаторов с вращающимися магнитными полями на 18 пазов с трапецеидальной и грушевидной формами пазов, рассчитанные на 6,5 кВт.
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ, ПРОТЕКАЮЩИХ
В ТВМП
Конструктивно ферромагнитная система трансформатора с вращающимся магнитным полем (ТВМП) состоит из двух магнитопроводов – внешнего и внутреннего (рис.1.1). В пазах внутреннего магнитопровода располагается трёхфазная обмотка (ТО), на входы которой подаётся трёхфазное синусоидальное напряжение, и круговая
обмотка (КО), с диагональных отводов которой снимается выпрямленное напряжение. Конструкция внешнего магнитопровода выполняется в виде кольца, на котором не предусматривается наличия
пазов. Однако даже при наличии общего вида конструкции тепловые процессы, протекающие в ТВМП, могут быть различными при
наличии разной формы паза и зубца.
Рис. 1.1. Внешний вид магнитопровода ТВМП с глубоким пазом:
1 – внешний магнитопровод; 2 – внутренний магнитопровод;
3 – равномерный малый воздушный зазор; 4 – зубец; 5 – отверстие
для шихтовки пластин в монолитный пакет; 6 – дополнительные вентиляционные каналы; 7 – паз
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В связи с конструктивной особенностью ТВМП, а именно наличием глубоких пазов, в которых располагаются одновременно трёхфазная и круговая обмотки, возникают определённые сложности с
теплообменом в трансформаторах подобной конструкции. Каждая
обмотка в результате протекания тока выделяет определённое количество энергии вследствие потерь энергии на преодоление сопротивления проводника. Трансформаторы с вращающимся магнитным
полем по строению схожи с асинхронными двигателями и реакторами также имеющими пазы, но только во внутреннем магнитопроводе, однако асинхронные двигатели из-за наличия вращающейся
части – ротора имеют возможность дополнительного охлаждения за
счёт поступления воздушного потока в пазы наружного (НМ) и
внутреннего (ВМ) магнитопроводов во время вращения, а трансформаторы с вращающимся магнитным полем, имеющие стационарную структуру, такого дополнительного воздушного потока не
имеют. Более того, располагаясь в замкнутой области одновременно, ТО и КО дополнительно усиливают степень нагрева во ВМ, что
вызвано накоплением энергии в зубцах магнитопровода из-за невозможности дополнительного оттока тепла.
Мощность тепловых потоков, выделяемых во внутренних объёмах трансформатора, такова, что для их отвода в окружающую
среду необходимо создавать специальные принудительные системы охлаждения. Это особенно становится важным с увеличением
мощности трансформатора, что соответственно приводит к увеличению тепловыделения.
Тепловую напряжённость ТВМП можно оценить по мощности
потерь, приходящейся на единицу наружной поверхности трансформатора. Однако полная тепловая схема трансформатора представляет собой сложную многомерную тепловую систему. Температурные поля в общем случае изменяются по каждому из трёх
пространственных координат и не остаются постоянными с течением времени [4].
Для описания трёхмерного температурного поля ТВМП можно
использовать уравнение теплового состояния в общем виде
  x, y, z, t  ,
где  – температура точки тела в заданный момент; x, y, z – пространственные координаты; t – время.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тепловая энергия, выделяемая на элементах трансформатора при
его работе, может вызывать недопустимое повышение температуры
активных и конструктивных элементов трансформатора, что, в свою
очередь, приводит к снижению электрической и механической
прочности изоляции обмоток, уменьшению времени безотказной
работы трансформатора. Поэтому определение тепловых потоков,
вычисление изменения температуры в пространстве внутреннего
объёма и на поверхностях охлаждения ТВМП являются важной частью проектирования трансформатора. На основе данных вычислений можно оценить тепловое состояние трансформатора, подобрать
наиболее оптимальную систему охлаждения, при которой превышение температуры частей трансформатора не будет превосходить
пределов допустимых значений.
Как показывают проведённые ранее исследования в трансформаторах с вращающимся магнитным полем с мощностью тепловыделения менее 200 Вт, принудительная система охлаждения не требуется,
достаточно будет естественного способа охлаждения. Однако с увеличением мощности тепловыделения свыше 200…300 Вт возникает
необходимость принудительного охлаждения. В ТВМП, рассчитанных на мощность до 40 кВт, необходимо будет использовать принудительную систему охлаждения, построенную на обдуве наружных
частей ТВМП: наружной поверхности НМ, торцевых поверхностей
НМ и ВМ, а также лобовых частей обмоток трансформатора.
Ещё один способ, позволяющий улучшить охлаждение трансформатора, – это увеличение площади охлаждающих поверхностей,
для чего в ярмо внутреннего магнитопровода, подвергающееся
наиболее сильному нагреву во время работы ТВМП, добавляются
вентиляционные каналы, через которые также обеспечивается конвективное охлаждение ТВМП.
Следует отметить, что принудительное охлаждение ТВМП, выполненное на базе вентилятора, осуществляющего принудительное
конвективное охлаждение за счёт увеличения объёма поступаемых
воздушных масс, не подходит для трансформаторов, рассчитанных
на мощность работы свыше 40 кВт. Для таких трансформаторов
необходимо проводить дополнительные исследования, чтобы
определить наиболее подходящую систему охлаждения. В качестве неё могут применяться водные или даже водородные циркуляционные системы охлаждения.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. МЕТОДИКА РАСЧЁТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК
Для дальнейшего построения тепловых режимов работы ТВМП
в программной среде ANSYS необходимо определить тепловые
потери, происходящие в обмотках. Для этого можно воспользоваться методикой расчёта характеристик ТВМП [5], приведённой
для ТВМП на 18 глубоких пазов трапецеидальной и грушевидной
формы. В соответствии с указанной методикой магнитные потери
в режиме холостого хода вычисляются по формулам:
XX
Pм.гр

 h w1 I 
  Gст p1,5 50 
 1,5
  2 
 h 117 1,239  
 1,5  57,3 1,316 

1,5


 h w1 I 
XX
  Gст p1,5 50 
Pм.тр
 1,5



2
 45 Вт;
  2 
(2.1)


 h 117 1,239  
 1,5  59,7 1,316 
  47 Вт,
1,5


2
где  – коэффициент «каппа», учитывающий увеличение магнитных потерь вследствие неравномерности протекания магнитного
потока по сердечнику ТВМП,   1,5 ; Gст – масса стали, для ТВМП,
выполненного с пазами трапецеидальной формы, Gст = 59,722 кг,
грушевидной Gст = 57,307 кг; p1,5 50  1,316 Вт кг – удельные магнитные потери для стали марки 3414 толщиной 0,5 мм при перемагничивании с амплитудой магнитной индукции 1,5 Тл с частотой
50 Гц, определены по ГОСТ 21427.1–83.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме того, в (2.1) полагается, что при w1 = 117 – число витков в
фазе ТО и I  = 1,239 А – намагничивающий ток, в соответствии с
принятыми допущениями он приблизительно равен току холостого
хода, составляющая h w1 I  определяется исходя из табл. 2.1.


Таблица 2.1. Магнитные характеристики пластин для ТВМП
мощностью от 5 до 10 кВт включительно
F1 , A
BM 1 , Тл
BHYST , Тл
0,0
81,0
162,0
202,5
210,6
243,0
324,0
405,0
486,0
648,0
915,3
972,0
1 620,0
0,000
0,114
0,229
0,286
0,298
0,344
0,409
0,429
0,439
0,452
0,469
0,472
0,506
0,00
0,45
1,08
1,37
1,42
1,60
1,85
1,90
1,93
1,98
2,05
2,07
2,23
Примечание. F1 – величина мдс одной фазы первичной обмотки в
ТВМП; ВМ1 – амплитуда основной пространственной гармоники магнитной индукции вращающегося магнитного поля в ТВМП, Тл; ВHYST – амплитуда магнитной индукции, перемагничивающей сталь, Тл.
Активное сопротивление фазы ТО,
R1   20
130,582
l1
 1,72 10 8
 0,487 Ом,
qef 1
4,607 10 6
(2.2)
где  20  1,72 10 8 Ом  м – удельное сопротивление меди при температуре 20 ºС; l1 = 130,6 м – длина проводника фазы ТО, определяется в
соответствии с [5]; qef 1  4,6 мм 2 – эффективное сечение проводника ТО
по [5].
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Электрические потери в ТО в режиме холостого хода могут
быть вычислены по формуле
2
PEXX
1  m R1 1  K T  20  I  


 3  0,487 1  4,3 10 3 120  20  1,239 2  3,2 Вт ,
(2.3)
где K  4,3 10 3 K 1 – коэффициент, учитывающий увеличение
удельного сопротивления меди с ростом температуры обмоток;
Т = 120 °С – рабочая температура обмоток.
Электрические потери в КО в режиме холостого хода равны нуXX
 0.
лю: PE2
Суммарные активные потери в режиме холостого хода:
XX
XX
PгрXX  PмXX  PE1
 PE2
 45  3,3  0  48,6 Вт;
XX
XX
PтрXX  PмXX  PE1
 PE2
 47  3,3  0  50,5 Вт.
(2.4)
Реактивная мощность холостого хода,
Q XX  m U1 I   3  220 1,239  817,9 ВАр.
(2.5)
Коэффициент мощности при холостом ходе:
ХХ
cos  гр

cos  ХХ
тр 
PгрХХ
( PтрХХ ) 2
 (Q
ХХ 2
)
PтрХХ
( PтрХХ ) 2  (Q ХХ ) 2


48,6
2
48,6  817,9 2
50,5
50,5 2  817,9 2
 0,062;
(2.6)
 0,062.
Нагрузочная составляющая фазного тока в соответствии с [5]:
IH 
Ud Id
I
230 I d

 0,348 d  10,8 .
m U1 3  220

(2.7)
где U d = 230 В – номинальное выпрямленное напряжение управляемого выпрямителя с ТВМП; I d  Pd U d = 28 А – номинальный
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
выпрямленный ток (среднее значение) управляемого выпрямителя с
ТВМП при номинальной нагрузке Pd ; m – число фаз в ТО;  = 0,9 –
КПД УВ с ТВМП при номинальной нагрузке Pd и номинальном
выпрямленном напряжении U d ; U1 = 220 В – номинальное напряжение (действующее значение), прилагаемое к каждой фазе ТО
ТВМП при соединении ТО в «звезду».
Активная составляющая фазного тока
I A  I  cos  ХХ  I H  10,92 А.
(2.8)
Первичный ток представляет собой геометрическую сумму
намагничивающей и нагрузочной компонент:
I1  I A2  I 2  10,98 А.
(2.9)
Магнитные потери в функции первичного тока
 h w1 I1  
Pм   Gст p1,5 50 
 ,
 1,5 
2
(2.10)
где h w1 I1  определяется по табл. 2.1 и составляет 2,16.
Таким образом, магнитные потери для ТВМП с грушевидной
формой паза составят Pм.гр = 234,6 Вт, а для ТВМП с трапецеидальной формой паза Pм.тр = 244,5 Вт.
Электрические потери в ТО в функции первичного тока определяются согласно закону Джоуля–Ленца:
PE1  m R1 1  K T  20  I12  277,5 Вт.
(2.11)
Активное сопротивление секции КО
R2   20
33,4
l2
 1,72 10 8
 0,234 Ом, (2.12)
qef 2
2,4544 10 6
где 20  1,72 108 Ом  м – удельное сопротивление меди при температуре 20 ºС; l2 = 36,8 м – длина проводника секции КО в соот10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ветствии с [5]; qef 1  4,67 мм 2 – эффективное сечение проводника
КО [5].
Электрические потери в КО в функции выпрямленного тока
2
I 
PE2  N R2 1  K T  20   d   342,4 Вт,
 2 
(2.13)
где N  9 – число пар СКЛ (или число секций КО), на которое построен УВ с ТВМП.
Суммарные потери мощности в ТВМП:
Pтр  Pм.тр  PE1  PE2  864,4 Вт;
Pгр  Pм.гр  PE1  PE2  854,5 Вт.
(2.14)
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУМЕРНОЙ МОДЕЛИ
ТРАНСФОРМАТОРА С ВРАЩАЮЩИМСЯ
МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В ПРОГРАММЕ ANSYS
3.1. Общие сведения о тепловом моделировании
в программе ANSYS
При решении тепловых задач вычисляются распределения температур (температурные поля) и соответствующие (рассматриваемой задаче) тепловые величины в рассчитываемой системе или её
части [8]. Типичными тепловыми величинами, представляющими
интерес при тепловом расчёте, являются:
– температурные поля;
– количество приведённого или отведённого тепла;
– градиенты температур;
– плотности тепловых потоков.
Тепловое моделирование играет важную роль в многочисленных инженерных приложениях, включая двигатели внутреннего
сгорания, турбины, теплообменники, насосы и компоненты электронных схем. Во многих случаях тепловой расчёт предшествует
расчёту на прочность, что позволяет определить термические
напряжения, т.е. напряжения, обусловленные тепловым расширением или сжатием.
Основой теплового анализа в ANSYS является уравнение теплового баланса, основанное на законе сохранения энергии. Конечно-элементное решение, получаемое с помощью ANSYS, определяет температуры в узлах, которые затем используются для получения других тепловых величин. Программа ANSYS позволяет
рассчитывать все три вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и лучистый теплообмен.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С целью получения сопоставимых результатов были использованы магнитопроводы ТВМП, рассчитанные на одну мощность
6,5 кВт, выполненные с разными формами паза – трапецеидальной
и грушевидной, одинаковым диаметром внешнего и внутреннего
магнитопроводов, числом и расположением вентиляционных каналов.
3.2. Описание построения модели ТВМП
с трапецеидальными формами пазов
3.2.1. Описание двумерной модели
Конструкция ТВМП состоит из двух магнипроводов – наружного и внутреннего (рис. 3.1). Конструкция наружного магнитопровода выполняется в виде кольца, на котором не предусматриваются пазы. Внутренний магнитопровод содержит глубокие пазы,
в которых производится укладка трёхфазной обмотки, на входы
которого подаётся первичное трёхфазное синусоидальное напряжение, и круговая обмотка, с диагональных отводов которой снимается выпрямленное напряжение. В ярме внутреннего магнитопровода выполняются вентиляционные каналы для дополнительного охлаждения конструкции.
В каждом пазе внутреннего магнитопровода располагаются
двухслойные обмотки, разделённые изоляцией из материала, относящегося к плёнкостеклопластам – имидофлекса (рис. 3.2). Изоляция паза от проводника также выполняется из имидофлекса. Проводники ТО и КО выполнены из набора медных проводов, скрученных в токоведущую жилу. Для упрощения изображения двумерной
модели токоведущая жила, образующая ТО, принята за единую поверхность с одинаковыми свойствами и параметрами. Изоляция ТО
от КО осуществляется с помощью мягкого клина, выполненного из
сложенного в несколько слоёв имидофлекса. Закрепление обмоток в
пазах внутреннего магнитопровода осуществляется с помощью
клина, выполненного из стеклотекстолита.
Точные размеры конструктивных параметров магнитопроводов
и обмоток ТВМП представлены в табл. 3.1.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.1. Двумерная модель ТВМП
Рис. 3.2. Увеличенная область паза ТВМП
с трапецеидальной формой
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3.1. Параметры для ТВМП на 18 пазов, м
Параметр
Значение
Диаметр внутреннего магнитопровода
Число пазов внутреннего магнитопровода
Высота паза внутреннего магнитопровода
Толщина пазовой изоляции во внутреннем
магнитопроводе
Высота проводника первого слоя КО
Высота проводника второго слоя КО
Толщина изоляции между КО и ТО
Высота проводника первого слоя ТО
Высота проводника второго слоя ТО
Высота клина в пазе внутреннего магнитопровода
Высота шлицы во внутреннем магнитопроводе
Ширина воздушного зазора
Высота наружного ярма
Внешний диаметр наружного магнитопровода
0,0674
18
0,0766
0,0004
0,0267
0,0186
0,001
0,0138
0,0112
0,003
0,002
0,0006
0,0223
0,27
3.2.2. Построение геометрии двумерной модели ТВМП в ANSYS
Для построения геометрии двумерной модели ТВМП использовались средства программы ANSYS, согласно которым геометрия
модели создается посредством копирования элементов геометрии
паза и зубца ТВМП по окружности, а также логической операции
склейки секторов круга. Создание каждого сектора круга осуществляется заданием начального и конечного радиусов, а также
начального и конечного углов в градусах.
Геометрия модели включает в себя следующие основные части:
1) стержень;
2) внутренний магнитопровод;
3) зубцы внутреннего магнитопровода;
4) круговую обмотку;
5) трёхфазную обмотку;
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6) клин;
7) шлицу;
8) воздушный зазор;
9) наружный магнитопровод.
Так как паз внутреннего магнитопровода включает в себя области проводника КО и ТО, изоляции, клина и шлицы, то для каждого из объектов создаются свои поверхности:
1) боковая пазовая изоляции внутреннего магнитопровода;
2) нижняя пазовая изоляция КО;
3) первый слой проводника КО;
4) междуслойная изоляция КО;
5) второй слой проводника КО;
6) верхняя пазовая изоляция КО
7) изоляция между ТО и КО;
8) нижняя пазовая изоляция ТО;
9) первый слой проводника ТО;
10) междуслойная изоляция ТО;
11) второй слой проводника ТО;
12) верхняя пазовая изоляция ТО;
13) клин;
14) шлица.
Вследствие того, что каждый паз ТВМП имеет одинаковую форму и размеры, то удобнее всего было использовать отдельно созданную геометрию половины паза, зубцовой зоны, части воздушного зазора и наружного магнитопровода, которая в последствии с помощью логической операции отражения была использована для
формирования геометрии полного паза. А уже после этого скопирована нужное число раз по окружности в зависимости от заданного
числа пазов ТВМП.
Создание сектора окружности выполняется с помощью следующей строки меню:
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Circle >
> By Dimensions.
В появившемся окне (рис. 3.3), необходимо ввести параметры
сектора: наружный и внутренний радиусы сектора (Rad1, Rad2),
начальный и конечный углы сектора в градусах (Theta1, Theta2).
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.3. Диалоговое окно создания
сектора окружности
Аналогичный результат может быть получен с помощью команды
PCIRC, Rad1, Rad2, Theta1, Theta2.
Именно данная команда была использована в программе создания элементов геометрии ТВМП. Программа для построения части
пазовой и зубцовой зон для ТВМП на 18 пазов представлена в
приложении.
3.2.3. Отражение поверхностей части паза и зубцовой зоны
модели ТВМП
Так как половина поверхности паза и зубцовой зон полностью
симметричны относительно оси, проходящей через середину пазовой области, то удобнее всего формировать геометрию паза и зубца с помощью логической операции «отражение». Выполнить её
можно следующим образом:
1. Определить ось симметрии. Для этого область рабочего плана Work Plane повернуть относительно оси XY на угол 5° (для
ТАМП на 18 пазов), а относительно оси YZ на 90°. Данная операция выполняется с помощью команды меню
WorkPlane > Offset WP by Increments…
В появившемся окне выставить требуемые параметры относительно оси XY – 5,0,0 (3.333,0,0), применить их (Apply), затем относительно оси YZ – 0,90,0 и нажать OK (рис. 3.4, а).
2. Изменить активную систему координат на систему координат
рабочего плана с помощью команды
WorkPlane > Change Activ CS to > Working Plan.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
в
Рис. 3.4. Окна изменения расположения рабочего плана (а) и выбора
поверхностей для отражения (б) и оси отражения (в)
3. Выполнить отражение в активной системе координат:
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Reflect > Areas.
Так как на данный момент модель содержит только поверхности, которые необходимо отразить, то выделить их все с помощью
кнопки Pick All (рис. 3.4, б), а ось зеркала указать Z (рис. 3.4, в).
Нажать кнопку OK.
4. В конце необходимо обязательно вернуться к исходной системе координат с помощью команды
WorkPlane > Change Activ CS to > Global Cartesian.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.2.4. Копирование поверхностей паза и зубцовой зоны
модели ТВМП
Так как поверхности паза имеют одинаковые размеры, то построить модель всех пазов и зубцовых зон удобнее всего с помощью операции копирования.
1. Первоначально необходимо перейти к цилиндрической системе координат
WorkPlane > Change Activ CS to > Global Cilindrical.
2. Осуществить копирование
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Copy > Areas.
Так как на данный момент модель содержит только поверхности, которые необходимо отразить, то выделить их все с помощью
кнопки Pick All (рис. 3.5, a), далее указать количество копий – 18,
так как построение происходит для ТВМП на 18 пазов, и через какой угол их размещать – 20° (рис. 3.5, б). Нажать OK.
а
б
Рис. 3.5. Окна выделения области для копирования (а) и указания числа
копий и параметров копирования (б)
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. В конце необходимо обязательно вернуться к исходной системе координат с помощью команды
WorkPlane > Change Activ CS to > Global Cartesian.
3.2.5. Создание поверхностей магнитопровода
и вентиляционных каналов
Поверхности, описывающие внешний магнитопровод, создаются аналогично п. 3.2.2. Воздушный зазор проще всего сформировать из линий верхних частей зубцов и пазов аналогично методу,
описанному в п. 3.2.4.
Для внутреннего магнитопровода необходимо первоначально
построить поверхности вентиляционных каналов. Данная операция включает следующие этапы.
1. Изменение активной системы координат на систему рабочего
плана, который смещён относительно глобальной на угол 22,5° и
на расстояние 0,022 (зависит от геометрии, числа и расположения
вентиляционных каналов). Данная операция была представлена в
п. 3.2.2.
2. Создание окружности первого вентиляционного канала
(см. п. 3.2.2).
3. Копирование окружностей по кругу (см. п. 3.2.4).
Формирование внутреннего магнитопровода выполняется с помощью команды построения поверхности по линиям, описывающим его периметр (см. п. 3.2.5).
3.2.6. Склейка поверхности
Созданные поверхности контактируют друг с другом, но между
тем они не соединены между собой, что не позволит впоследствии
выполнить корректный расчёт передачи энергии в модели. Чтобы
исключить подобную ошибку, необходимо выполнить склейку поверхностей, в результате чего убираются лишние линии и узлы в
области соприкосновения и формируются новые поверхности.
Чтобы сократить итоговую нумерацию узлов, линий и поверхностей, необходимо выполнить операцию по компрессии номеров
узлов, линий и поверхностей.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Склейка поверхностей выполняется с помощью строки меню:
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans >
> Glue > Areas.
В открывшемся окне (рис. 3.6, а) необходимо нажать на кнопку
Pick All, чтобы выделить все поверхности для склейки.
Компрессия номеров ключевых точек, линий и поверхностей
выполняется с помощью команды:
Main Menu > Preprocessor > Numbering Ctrl > Compress Numbers.
а
б
Рис. 3.6. Диалоговое окно склейки поверхностей (а)
и компрессии номеров (б)
В открывшемся окне (рис. 3.6, б) необходимо указать, для каких компонентов выполняется склейка. В нашем случае указать
последовательно:
Keypoints, нажать кнопку Apply, затем выбрать Lines, нажать
кнопку Apply, последним выбрать Areas и нажать ОК.
Конечный вариант геометрии ТВМП на 18 пазов представлен
на рис. 3.1.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3. Тепловой анализ двумерной модели ТВМП
с трапецеидальными формами пазов в ANSYS
3.3.1. Определение типов элементов для двумерного анализа
Типы элементов (рис. 3.7) создаются с помощью строки меню
Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete.
При формировании модели двумерного анализа теплового поля
был использован двумерный восьмиузловой четырёхугольный
элемент PLANE77. В узлах PLANE77 используется одна степень
свободы (DOF): TEMP – температура.
Рис. 3.7. Диалоговое окно выбора типа элементов
3.3.2. Задание материалов и определение их свойств
Следующий этап формирования модели ТВМП требует определить материалы, из которых выполнены поверхности, входящие в
двумерную модель ТВМП, и их свойства, необходимые для теплового анализа: теплопроводность, теплоёмкость и плотность. В материале 1 зададим свойства изоляции, в материале 2 – магнитопровода, в материале 3 – проводника, а в материале 4 – воздуха.
Чтобы создать материал и определить его свойства, используем
следующую команду:
Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models.
Для указанных материалов используют следующие параметры
(рис. 3.8).
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.8. Диалоговое окно выбора тепловых характеристик
Материал 1 – изоляция пазов, клинья, межслойная изоляция.
Для данных материалов применяются следующие параметры:
плотность Density   1700 кг/м3; теплоёмкость Specific Heat
С  1500 Дж/(кг·К); теплопроводность Thermal conduct (isotropic)
  0,39 Дж/(м2·К).
Материал 2 – параметры магнитопроводов. Для электротехнической стали принимаются следующие параметры: плотность Density
  7770 кг/м3; теплоёмкость Specific Heat С  426 Дж/(кг·К); теплопроводность Thermal conduct (isotropic)   15 Дж/(м2·К).
Материал 3 – параметры проводников ТО и КО. Так как область пазов, в которые уложены ТО и КО, заняты не целиком медным проводником, а уложены с определённой плотностью, причём
плотность укладки проводников с трапецеидальной и грушевидной формами паза отличается, то получение тепловых параметров
данных обмоток необходимо рассмотреть подробнее (см. п. 3.3.3).
Материал 4 – воздух. Для данных материалов применяются следующие параметры: плотность Density   1,2041 кг/м3; теплоёмкость Specific Heat С  1005 Дж/(кг·К); теплопроводность Thermal
conduct (isotropic)   0,026 Дж/(м2·К).
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3.3. Определение параметров трёхфазной и круговой обмоток
для ТВМП с трапецеидальными формами пазов
Особенности укладки проводников при намотке и наличии изоляции проводников обусловливают неоднородность тела катушки
(металл проводника, изоляционный покров проводника, промежутки между ними). В связи с этим возникают трудности расчета
перепада температуры в толще катушки. Для облегчения расчетов
перепада температуры в толще катушки вводят понятие о замещающем теле катушки. При этом сложную действительную картину
путей теплового потока в толще катушки заменяют упрощенной,
когда тепловой поток проходит через однородное тело с коэффициентом теплопроводности  3 (коэффициент теплопроводности
замещающего тела катушки). Расчет величины  3 лучше всего
производить на основе опытных данных. Для проводников, изолированных различными изоляционными материалами, с разными
толщинами изоляции и размерами поперечного сечения проводника коэффициенты теплопроводности  3 замещающего тела катушки будут различными. Кроме того, большое влияние на величину  3 оказывают пропитка толщи катушки изоляционными лаками и качество намотки (плотность намотки, рядность). Коэффициент теплопроводности  3 замещающего тела для непропитанных катушек, намотанных медными проводниками, круглого сечения при рядовой намотке может быть выражен следующей эмпирической формулой:
d

 3  1,45 λ и λ в   1  1,57 λ в ,
 
где λ и – коэффициент теплопроводности изоляции обмоточного
провода; λ в – коэффициент теплопроводности воздуха; d – диаметр проводника;  – толщина изоляции на проводнике.
Для пропитанных катушек рекомендуется другая эмпирическая
формула:
2
 d 3
3  λ и   ,

24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где λ и – средний коэффициент теплопроводности изоляции проводника и пропиточного лака, заполняющего промежутки между
соседними проводниками.
Значения коэффициентов теплопроводности изоляции различных проводников сведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2. Коэффициенты теплопроводности изоляции
различных обмоточных проводников
Марка
провода
Теплопроводность изоляции провода,
Вт/(см2·°C)
Диапазон
температур
при опытах
Марка
провода
Теплопроводность изоляции провода,
Вт/(см2·°C)
Диапазон
температур
при опытах
ПЭВ
ПЭТВ
ПСДК
0,00122
0,00129
0,00157
50–140
50–140
150–350
ПСД
ПБД
ПЭЛ
0,00222
0,00130
0,00080
100–250
50–140
50–140
В соответствии с указанной формулой можно определить теплопроводность для ТО и КО:
d

 3  1,45 λ и λ в   1  1,57 λ в 


 1,36

 1,45 12,9  0,026
 1  1,57  0,026  4,219,
 0,055 
где λ и  12,9 Вт/(м2·К) – коэффициент теплопроводности изоляции
обмоточного провода; λ в  0,026 Вт/(м2·К) – коэффициент теплопроводности воздуха; d = 1,36 мм – диаметр проводника;  =
= 0,055 мм – толщина изоляции на проводнике.
Плотность материала в секциях ТО и КО также можно задать
некоторой усредненной величиной в зависимости от плотности
укладки медного провода в пазах. С учетом того, что плотность
укладки в ТВМП с трапецеидальными формами пазов составляет
0,75, то усреднённую плотность для обмотки ТО и КО можно задать как об  0,75м  6720 кг/м3, где м  8960 кг/м3 – плотность
меди.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Теплоёмкость укладки в ТВМП с трапецеидальными формами
пазов также можно определить как усреднённое значение с учётом
плотности укладки медного провода в паз, то есть
Соб  0,75См  0,25Св  540 Дж/(м·К), где См  386 Дж/(кг·К) –
теплоёмкость меди, Св  1005 Дж/(кг·К) – теплоёмкость воздуха.
3.3.4. Присвоение поверхностям типов элементов и материалов
Для присвоения поверхностям определённого типа элементов и
материалов используют строку меню
Main Menu > Meshing > Mesh Attributes > Picked Areas.
После открытия окна выбора необходимо с помощью мыши выделить поверхности с одинаковыми типами элементов и материалов:
1) поверхности, соответствующие пазовой изоляции, шлицам,
клиньям внутреннего магнитопровода – тип элементов 1, тип материала 1;
2) поверхности, соответствующие магнитопроводам, – тип элементов 1, тип материала 2;
3) поверхности, соответствующие проводнику КО или ТО, – тип
элементов 2, тип материала 3;
4) поверхности, соответствующие воздушному зазору, вентиляционным каналам, – тип элементов 1, тип материала 4.
3.3.5. Разбиение на элементы
Перед разбиением поверхности на элементы необходимо открыть окно MeshTool (рис. 3.9, а), для этого необходимо воспользоваться строкой меню
Main Menu > Preprocessor > Meshing > MeshTool.
Далее задаём необходимые опции для каждой поверхности, а
именно: число делений линий, ограничивающих поверхность (по
горизонтали), общее число линий поверхности (по вертикали),
свободное или упорядоченное разбиение, треугольные или прямоугольные элементы; далее производим последовательное свободное разбиение поверхностей на элементы. На рис. 3.9, б и пред26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ставлен фрагмент сечения модели с сеткой конечных элементов.
Параметры модели ТВМП с трапецеидальной формой паза составили: 1652 точки, 3093 линии, 1453 поверхности, 105066 узлов
сетки, 34890 элементов сетки.
а
б
Рис. 3.9. Диалоговое окно MeshTool (a) и фрагмент сечения модели
с сеткой конечных элементов ТВМП (б)
3.3.6. Создание компонентов обмоток
Для последующего задания нагрузок на элементы модели были
созданы укрупнённые компоненты модели, объединяющие следующие объекты:
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Элементы проводника фаз ТО–ТО;
2. Элементы проводника секций КО–КО.
Перед выполнением расчёта необходимо указать единицы измерения температуры, выполнить это можно, используя меню
Main Menu > Preprocessor > Material Props > Temperature Units.
Из предложенного списка единиц измерения выбираем Celsius
(°C).
3.3.7. Задание конвекции
Как и в любых других устройствах, ТВМП снаружи и через
вентиляционные каналы охлаждается воздухом. Происходить это
может как естественным образом, когда не применяются системы
принудительного охлаждения, так и с использованием вентиляторов – принудительная система охлаждения (данный метод следует
применять в случае тепловыделения больше 200…300 Вт) [5]. Задание коэффициента теплоотдачи выполняется по команде
Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply >
> Thermal > Convection > On nodes.
Диалоговое окно задания коэффициента теплоотдачи (конвекции) представлено на рис. 3.10.
Рис. 3.10. Диалоговое окно задания
коэффициента теплоотдачи
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В данном окне коэффициент теплоотдачи выставляется в строке VALI, и он может принимать значение от 10 (естественная конвекция) до 150 и выше в случае применения принудительного
охлаждения в зависимости от способа. Параметр VAL2I отвечает
за температуру окружающей среды (или потока охлаждающего
воздуха).
3.3.8. Задание нагрузки
При исследовании тепловых режимов работы ТВМП в качестве
нагрузки использовалась интенсивность объёмного тепловыделения Heat Generat. В этом случае интенсивность объемного тепловыделения рассматривается как «массовая нагрузка» и представляет собой тепло, выделяющееся внутри элемента вследствие протекания электрического тока. Размерность объемного тепловыделения есть количество тепла, отнесённое к единице времени и к единице объёма. Задание объемного тепловыделения выполняется с
помощью команды:
Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply >
> Thermal > Heat Generat > On Areas.
В результате вызова данной команды появляется окно задания
объемного тепловыделения (рис. 3.11).
Рис. 3.11. Диалоговое окно задания
объемного тепловыделения
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В случае исследования режима холостого хода интенсивность
объёмного тепловыделения задаётся только для фаз ТО, а при исследовании режимов работы под нагрузкой тепловыделение указывается для ТО и КО.
Для нахождения значений объемного тепловыделения необходимо потери, вычисленные для обмоток в разных режимах, привести к общему объёму проводника:
– для режима холостого хода в ТО
ХХ
ХХ
QТО
 PE1
 3600  3,2  3600  11560 Дж,
для КО
ХХ
ХХ
QКО
 PE2
 3600  0 ,
так в в этом режиме КО отключена;
– для режима работы под нагрузкой соответственно:
QTO  PE1  3600  277,5  3600  998900 Дж,
QKO  PE2  3600  342,4  3600  1233000 Дж.
Для расчётов необходимо вычисленное тепловыделение привести к объёму каждого сектора проводников модели. Общее число
секторов в модели как ТО, так и КО равно N = 72. Таким образом,
приведённое значение тепловыделения в режиме холостого хода
составляет:
QTO сек
ХХ
QТО

 160,6 Дж;
72
QKO сек 
ХХ
QКО
 0,
72
а в режиме работы под нагрузкой:
30
QTO сек 
QTO
 13870 Дж;
72
QKO сек 
QKO
 17120 Дж.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3.9. Выбор типа анализа и запуск расчёта
ANSYS поддерживает два типа анализа [8]:
1. При решении стационарных тепловых задач определяются
распределение температур (температурное поле) и другие тепловые величины при стационарных граничных условиях. Стационарные граничные условия означают ситуацию, когда их изменением
можно пренебречь.
2. При решении нестационарных тепловых задач определяются
температурное поле и другие тепловые величины при граничных
условиях, которые изменяются в течение рассматриваемого периода времени.
Для выбора типа анализа используют строку меню
Main Menu > Preprocessor > Loads > Analysis Type > New Analysis.
В случае выбора команды Steady-State проводится статический
тепловой анализ (рис. 3.12). Результат расчётов будет соответствовать тепловыделению в модели на конец периода. В случае необходимости просмотра поэтапного нагрева исследуемой модели
рекомендуется использовать переходный анализ – Transient. Последний вид анализа Substructuring применяется для вычисления
совместных задач, что позволяет рассчитывать тепловые эффекты
вместе с другими явлениями.
Рис. 3.12. Диалоговое окно задания типа анализа
Расчёт созданной модели запускается с помощью строки меню
Maim Menu > Solution > Solve > Current LS.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.4. Описание построения модели ТВМП с грушевидными
формами пазов
3.4.1. Описание двумерной модели
Так же как и в предыдущем случае ТВМП включает наружный
и внутренний магнитопроводы (рис. 3.13). Глубокие пазы располагаются только во внутреннем магнитопроводе, а в каждом пазе
располагаются двухслойные обмотки, разделённые изоляцией из
материала, относящегося к плёнкостеклопластам, – имидофлекса
(рис. 3.14). Изоляция паза от проводника также выполняется из
имидофлекса. Проводники ТО и КО выполнены из набора медных
проводов, скрученных в токоведущую жилу. Для упрощения изображения двумерной модели токоведущая жила, образующая ТО,
принята за единую поверхность с одинаковыми свойствами и параметрами. Изоляция ТО от КО осуществляется с помощью мягкого клина, выполненного из сложенного в несколько слоёв имидофлекса.
Рис. 3.13. Двумерная модель ТВМП с грушевидной формой паза
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.14. Увеличенная область паза ТВМП
с грушевидной формой
Точные размеры конструктивных параметров магнитопроводов
и обмоток ТВМП представлены в табл. 3.3.
Таблица 3.3. Параметры для ТВМП с грушевидными формами пазов
на 18 пазов, м
Параметр
Значение
Диаметр ярма внутреннего магнитопровода
Число пазов внутреннего магнитопровода
Высота паза внутреннего магнитопровода
Толщина пазовой изоляции во внутреннем магнитопроводе
Нижний радиус скругления паза
Высота проводника первого слоя КО
Высота проводника второго слоя КО
Толщина изоляции между КО и ТО
Высота проводника первого слоя ТО
0,0851
18
0,0668
0,0004
0,00475
0,0186
0,0132
0,001
0,0077
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 3.3
Параметр
Значение
Высота проводника второго слоя ТО
Верхний радиус скругления паза
Высота шлицы во внутреннем магнитопроводе
Ширина воздушного зазора
Высота наружного ярма
Внешний диаметр наружного магнитопровода
0,0077
0,0135
0,002
0,0006
0,023
0,27
3.4.2. Построение геометрии двумерной модели ТВМП в ANSYS
Для построения геометрии двумерной модели ТВМП использовались средства программы ANSYS, согласно которым геометрия
модели создается посредством копирования элементов геометрии
паза и зубца ТВМП по окружности, а также логической операции
склейки секторов круга. Создание каждого сектора круга осуществляется заданием начального и конечного радиусов, а также начального и конечного углов в градусах.
Геометрия модели включает в себя следующие основные части:
1) стержень;
2) внутренний магнитопровод;
3) зубцы внутреннего магнитопровода;
4) круговую обмотку;
5) трёхфазную обмотку;
6) клин;
7) шлицу;
8) воздушный зазор;
9) наружный магнитопровод.
Так как паз внутреннего магнитопровода включает в себя области проводника КО и ТО, изоляции, клина и шлицы, то для каждого из объектов создаются свои поверхности:
1) боковая пазовая изоляция внутреннего магнитопровода;
2) нижняя пазовая изоляция КО;
3) первый слой проводника КО;
4) междуслойная изоляция КО;
5) второй слой проводника КО;
6) верхняя пазовая изоляция КО
7) изоляция между ТО и КО;
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8) нижняя пазовая изоляция ТО;
9) первый слой проводника ТО;
10) междуслойная изоляция ТО;
11) второй слой проводника ТО;
120 верхняя пазовая изоляция ТО;
13) клин;
14) шлица.
Вследствие того, что каждый паз ТВМП имеет одинаковую
форму и размеры, то удобнее всего было использовать отдельно
созданную геометрию паза, которая впоследствии с помощью логической операции копирования была бы скопирована нужное
число раз по окружности в зависимости от заданного числа пазов
ТВМП.
Создание сектора окружности было описано в п. 3.2.2.
Так как паз имеет сложную геометрическую форму для рисования, то для его создания использовалась последовательность операций рисования секторов окружности в рабочей плоскости, построение отрезков, соединяющих две точки, и формирование поверхности по периметру, ограниченному линиями.
После завершения построения паза необходимо выполнить копирование его по кругу, данный процесс подробно был рассмотрен в п. 3.2.4.
Далее производится построение зубцов воздушного зазора, ярм
внешнего и внутреннего магнитопроводов, а также вентиляционных каналов, процесс создания которых аналогичен п. 3.2.2.
Конечный вариант геометрии ТВМП с грушевидной формой
паза на 18 пазов представлен на рис. 3.15.
3.4.3. Задание материалов и определение их свойств для ТВМП
с грушевидными формами пазов
Свойства материалов 1, 2, 4, соответствующие изоляции, электротехнической стали и воздуху соответственно, остаются такими
же, как и для случая ТВМП с трапецеидальными пазами, изменения касаются свойств материала 3, соответствующего секциям ТО
и КО. Вызвано это тем, что плотность укладки проводника в пазу
для случая грушевидных форм пазов меньше и составляет 0,65.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.15. Геометрия магнитопровода ТВМП
с грушевидной формой паза на 18 пазов
Материал 3 – проводниковая область ТО и КО: плотность Density   5824 кг/м3; теплоёмкость Specific Heat С  603 Дж/(кг·К);
теплопроводность Thermal conduct (isotropic)   4,219 Дж/(м2·К).
3.4.4. Тепловой анализ в двумерной модели ТВМП в ANSYS
Определение типов элементов и материалов выполняется аналогично ТВМП с трапецеидальными формами паза, описанными в
пп. 3.3.1 и 3.3.2. Далее разбивают модель на конечные элементы в
соответствии с п. 3.3.4.
На рис. 3.16 представлен фрагмент сечения модели с сеткой конечных элементов. Параметры модели ТВМП на 18 пазов составили: 1149 точек, 1759 линий, 613 поверхностей, 101485 узлов сетки,
33592 элемента сетки.
После конечно-элементного разбиения модели необходимо создать компоненты обмоток, объединяющие систему фаз ТО и секций КО, как и в п. 3.3.6.
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.16. Фрагмент сечения модели с сеткой
конечных элементов ТВМП с грушевидными пазами
3.4.5. Задание конвекции и нагрузки в модели ТВМП
с грушевидной формой пазов
Задание параметров конвекции и нагрузки в двумерной модели
ТВМП с грушевидными формами пазов выполняется аналогично
пп. 3.3.7 и 3.3.8, то есть при рассмотрении режима холостого хода
коэффициент теплоотдачи выставляется равным 10, а в режиме
работы под нагрузкой, равным 20 (ТВМП работает с включенной
системой воздушного охлаждения). Температура окружающей
среды остаётся прежней, равной 20 °С.
Нагрузку, которую необходимо подать на поверхности обмоток, вычисляем исходя из общего числа поверхностей модели,
приходящихся на ТО – 72 и КО – 90.
Значения объёмного тепловыделения вычисляются аналогично
п. 3.3.8 и составляют те же значения:
ХХ
 11560 Дж, а для КО
– в режиме холостого хода для ТО QТО
ХХ
QКО
 0 , так как в этом режиме КО отключена;
– в режиме работы под нагрузкой эти же параметры составят
QTO  998900 Дж, QKO  1233000 Дж.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для расчётов вычисленное тепловыделение приводят к объёму
каждого сектора проводников модели. Общее число секторов в
модели: для ТО = 72, для КО = 90. Таким образом, приведённое
значение тепловыделения в режиме холостого хода составляет:
QTO сек 
ХХ
QТО
 160,6 Дж;
72
QKO сек 
ХХ
QКО
 0 Дж,
90
а в режиме работы под нагрузкой:
QTO сек 
QTO
 13870 Дж,
72
QKO сек 
QKO
 13700 Дж.
90
По окончании задания нагрузки созданную модель запускают
на расчёт.
3.5. Результаты моделирования двумерной модели
Представленная модель была использована для исследования
режимов холостого хода и под нагрузкой, когда ТВМП работает с
полной нагрузкой управляемого выпрямителя с ТВМП на 9 пар
силовых ключей (СКЛ) транзисторного коммутатора (ТК). Температура окружающей среды принималась равной 20 °С.
Необходимо отметить, что при моделировании системы в режиме холостого хода, кроме задания в качестве нагрузки пониженных
значений объёмного тепловыделения, также задаются пониженные
значения коэффициентов теплоотдачи (конвекция). Вызвано это
тем, что при работающем в полную мощность УВ с ТВМП дополнительно необходимо включать принудительное охлаждение в виде
вентилятора, так как потери мощности (при которых для охлаждения будет ещё хватать естественной вентиляции) в трансформаторе
составят больше 200 Вт. Вследствие необходимости принимать во
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
внимание дополнительную систему охлаждения, в модели увеличиваем параметр конвекции (см. п. 3.3.7) VALI до 20, что соответствует включенному вентилятору, подающему струю воздуха на систему ТВМП со скоростью приблизительно 4…5 м/с. Однако в режиме
холостого хода потери на ТО не превышают и 5 Вт, поэтому коэффициент теплоотдачи (конвекция) VALI оставляем равным 10. Данное значение параметра задаёт естественное движение воздуха вокруг ТВМП в пределах 0,5…1 м/с, что характерно для производственных помещений. В случае полного отсутствия движения воздуха, например, если преобразователь с ТВМП будет находиться в
замкнутых помещениях с низкой степенью вентиляции, коэффициент теплоотдачи необходимо будет уменьшить до 5 и ниже.
В результате моделирования в режиме холостого хода полученная картина теплового поля для ТВМП с трапецеидальной и грушевидной формами пазов представлена на рис. 3.17, а суммарного
вектора теплового потока – на рис. 3.18. Тогда как результаты моделирования в режиме работы под нагрузкой после первого часа
работы ТВМП представлены на рис. 3.19 и 3.20.
Значения теплового поля в основных точках разных частей
трансформаторов с трапецеидальными и грушевидными формами
паза для режимов холостого хода и под нагрузкой спустя час работы трансформатора приведены в табл. 3.4.
Однако немаловажным является, как поведёт себя ТВМП в
плане тепловых характеристик спустя 8 часов беспрерывной работы. В связи с этим разработанная модель была проверена с учётом
выделяемой и компенсированной за счёт теплоотвода с воздушного вентилятора тепловой энергии в течение 8 часов беспрерывной
эксплуатации. Результаты данных расчётов приведены на рис. 3.21
и 3.22, на которых представлены тепловое поле и суммарный вектор теплового потока соответственно для ТВМП с трапецеидальными и грушевидными формами пазов. Численные значения данных параметров представлены в табл. 3.5.
Как видно из представленных рисунков, вне зависимости от
конструкции пазов, при работе в режиме холостого хода тепловое
поле практически остаётся неизменным, отклонение составляет в
районе десятых доли градуса Цельсия. Связано это с тем, что потери мощности в трансформаторе в режиме холостого хода незначительны.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Режим работы ТВМП под нагрузкой показал, что наибольшее
выделение тепла наблюдается в районе круговой обмотки. Связано
это с тем, что круговая обмотка ТВМП располагается в самом низу
паза, что значительно усложняет отток выделяемой тепловой энергии. Кроме того, изначально в КО допускалась более высокая
плотность тока, усиливающая эффект выделения энергии на
нагрев обмотки. Вследствие этого ближайшая составляющая магнитопровода ТВМП, с которым контактирует нагретая КО, – это
нижняя часть зубцов внутреннего магнитопровода, также подвергается дополнительному нагреву.
Трёхфазная обмотка обладает лучшими геометрическими характеристиками, так как она располагается в самом верху пазовой
зоны в непосредственной близости от воздушного зазора, что позволяет несколько увеличить отток выделяемой тепловой энергии.
Более того, в ТО изначально закладывается плотность тока ниже,
чем в КО.
Наименьшему нагреву из магнитной конструкции ТВМП подвергается наружный магнитопровод. В его конструкции отсутствуют обмотки, которые могли бы внести дополнительные потери
энергии и усилить нагрев. Тем не менее нагрев НМ осуществляется за счёт передачи энергии из соседнего внутреннего магнитопровода, который подвергается наибольшему нагреву от присутствующих в нём обмоток. Но величина такого нагрева НМ не так значительная по сравнению с ВМ ТВМП и составляет приблизительно 60 %.
Анализ теплового поля, полученного для 8-часового режима
работы ТВМП, показал, что при полноценном использовании
ТВМП в течение рабочего дня перегрев его магнитной системы не
происходит, а остаётся в пределах допустимых значений, заложенных классом нагревостойкости его элементов. Данные результаты подтверждают предварительные расчёты ТВМП, предложенные в методике [5], что свидетельствует о хорошем качестве рассмотренного трансформатора в плане тепловых режимов работы.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЁХМЕРНОЙ МОДЕЛИ
ТРАНСФОРМАТОРА С ВРАЩАЮЩИМСЯ
МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В ПРОГРАММЕ ANSYS
4.1. Описание построения трёхмерных моделей ТВМП
с трапецеидальными и грушевидными формами пазов
4.1.1. Преобразование двумерных моделей ТВМП в ANSYS
Обладая уже построенной двумерной моделью трансформатора,
существенных проблем для формирования её трёхмерного аналога
не возникает. В среде конечно-элементного моделирования ANSYS разработаны функции, позволяющие создать трёхмерную модель из двумерной методом вытягивания вдоль линии. Но перед
этим действием, с целью уменьшения вероятности возникновения
ошибок во время вытягивания, необходимо немного преобразовать
исходную модель, а именно: укрупнить некоторые её части. Так,
например, на рис. 3.2 и 3.14, соответствующих изображениям пазов для двумерной модели ТВМП с трапецеидальными и грушевидными формами пазов присутствовали соответственно междуслойные и пазовые изоляции проводника ТО и КО. В результате
укрупнения модели, которое выполнялось с помощью логической
операции сложения поверхностей
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans >
> Add > Areas
и линий
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans >
> Add> Lines,
были получены укрупнённые модели ТВМП, в которых не фигурировали уже данные виды изоляции (рис. 4.1).
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
Рис. 4.1. Укрупнённые пазы ТВМП с трапецеидальными (а)
и грушевидными (б) формами пазов
Данное укрупнение позволило сократить количество критических поверхностей и несколько укрупнить сетку двумерной модели. Выполнялись данные действия для того, чтобы сократить количество критических поверхностей, а впоследствии и объёмов,
размеры сторон которых меньше или примерно равны критическим (допустимым) погрешностям. Более того, в связи с тем, что
эти параметры имели значения, близкие к допустимым ошибкам
модели, большое влияние на результат работы трёхмерной модели
они не оказывали, но существенно увеличили время расчёта всей
системы.
После объединения нужных поверхностей необходимо было
повторить операции склейки и компрессии номеров точек, линий и
поверхностей (см. п. 3.2.6). Далее заново для объединённых поверхностей переприсвоить атрибуты – тип материала; данную операцию необходимо выполнять, так как после логического сложения поверхностей предыдущие типы материалов заново устанавливаются по умолчанию равными первому материалу и первому
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
типу элементов. Но если тип элементов в модели был задан только
один, следовательно, не было необходимости его менять, то материалов в модели трансформатора введено 4, причём первый номер
соответствовал изоляции проводника, пазов и клиньям. В преобразованной модели изоляцию пазов, проводника и междуслойную
исключили. Остались только клинья, которым задавался тип элементов 1. Присвоение номера материала для изменённых поверхностей выполнялось аналогично п. 3.3.4 с помощью команды
Main Menu > Meshing > Mesh Attributes > Picked Areas.
Далее необходимо было изменить или заново определить параметры разбиения модели на конечные элементы, так как после логической операции сложения все предыдущие настройки для объединённых элементов стираются. Для этого необходимо воспользоваться пунктом меню
Main Menu > Meshing > Mesh Tool
для вызова окна настройки параметров и разбиения на конечные
элементы Mesh Tool. Так, например, для настройки плотности узлов на граничных линиях между поверхностями использовалась
кнопка Set в поле Lines. После всех предварительных настроек
было заново выполнено свободное разбиение двумерных моделей
ТВМП с трапецеидальными и грушевидными формами пазов на
конечные элементы, фрагменты сечения которых сеткой конечных
элементов представлены на рис. 4.2.
Параметры обновлённой двумерной модели ТВМП с трапецеидальными формами пазов составили: 538 точек, 1047 линий,
516 поверхностей, 32327 узлов сетки, 10800 элементов сетки.
Параметры обновлённой двумерной модели ТВМП с грушевидными формами пазов составили: 1040 точек, 1370 линий,
334 поверхности, 37345 узлов сетки, 12364 элемента сетки.
По окончании разбиения модели на конечные элементы необходимо заново создать компоненты, объединяющие поверхности
трёхфазных обмоток, круговых обмоток, вентиляционных каналов,
а также всей двумерной модели. Эти компоненты потребуются в
трёхмерном анализе для задания конвекции и нагрузки.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
Рис. 4.2. Фрагменты сечения модели с сеткой конечных элементов
ТВМП с трапецеидальными (а) и грушевидными (б) формами пазов
4.1.2. Построения трёхмерных моделей ТВМП в ANSYS
Для того чтобы из двумерной модели, разбитой сеткой конечных элементов, сформировать трёхмерную модель методом вытягивания поверхности вдоль линии, первоначально необходимо построить линию, вдоль которой будет происходить вытягивание.
Построение лини происходит в два этапа:
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Создаётся точка, ограничивающая длину линии, при условии,
что первая точка, находящаяся в центре системы координат (0, 0, 0)
уже создана. Создание точки выполняется с помощью команды
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints >
> In Active Cs.
Далее в появившемся окне (рис. 4.3) указываем координаты точки: (0, 0, 0.2).
2. Собственно построение линии осуществляется с помощью
команды
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines >
> Stright Line.
Далее указываются точки, ограничивающие линию. Нажимается кнопка OK.
Рис. 4.3. Диалоговое окно создания точки
в текущей системе координат
Построенную линию необходимо подвергнуть разбиению для
того, чтобы после вытягивания сетка с исходных поверхностей
была растянута также и на объёмную модель.
Перед непосредственным построением объёмной модели необходимо создать новый тип элементов, соответствующий принятому типу элементов для двумерной модели. Так как двумерная модель была разбита типами элементов PLANE77, то соответствующий ему трёхмерный конечный элемент – это SOLID90. Выбор
элемента аналогичен п. 3.3.1 (рис. 4.4).
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.4. Диалоговое окно выбора типа элементов
Указанный элемент SOLID90 является 20-узловым трёхмерным
элементом типа кирпич, в узлах элемента которого используется
одна степень свободы (DOF): TEMP – температура.
После создания нового трёхмерного типа элементов и при
условии, что больше никаких трёхмерных типов элементов не создано, при вытягивании поверхности в объём формирующиеся конечные элементы вместе с объёмом будут иметь указанный тип
элементов – SOLID90.
По окончании всех приведённых ранее действий можно приступать непосредственно к вытягиванию двумерной модели в объём. Выполняется это с помощью команды
Main Menu > Preprocessor > Modeling >
> Operate > Extrude > Areas > Along Lines.
После выбора указанной команды появляется
окно Sweep Areas along Lines (рис. 4.5). В данном окне необходимо нажать кнопку Pick All,
так как выбираются все поверхности для вытягивания.
Рис. 4.5. Диалоговое окно выбора поверхностей
для вытягивания и линий, вдоль которых выполняется вытягивание
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
После этой операции появляется второе окно, аналогичное первому, только теперь необходимо указать линию, вдоль которой будет производиться вытягивание. Для выбора такой линии лучше
всего воспользоваться манипулятором мышь или указать в строке
ввода её непосредственный номер. Далее нажимается кнопка OK и
выполняется операция вытягивания. Модели ТВМП с трапецеидальными и грушевидными формами пазов, полученные в результате всех вышеперечисленных действий представлены на рис. 4.6.
Параметры трёхмерной модели ТВМП с трапецеидальными
формами пазов составили: 1076 точек, 2629 линий, 2076 поверхности, 516 объёмов, 894147 узлов сетки, 226800 элементов сетки.
Параметры трёхмерной модели ТВМП с грушевидными формами пазов составили: 1088 точек, 2257 линий, 1526 поверхностей,
333 объёма, 1034065 узлов сетки, 259644 элемента сетки.
Полученные модели трёхмерных элементов имеют по умолчанию 2-й тип элементов, так как он единственный подходит для
трёхмерной модели, и 1-й тип материалов. Для дальнейшего моделирования тепловых процессов всем элементам необходимо присвоить соответствующий номер материала. Ранее были созданы и
присвоены материалы поверхностям: 1 – для клиньев, 2 – для магнитопровода, 3 – для проводников трёхфазной и круговой обмоток, 4 – воздушный зазор. Аналогичные типы материалов необходимо задать соответствующим объёмам.
Для выполнения этих операций (например, для присвоения соответствующим объёмам материала с номером 2) необходимо будет выполнить следующее:
1. Выбрать поверхности, соответствующие типу материала 2.
В меню пользователя выбирается пункт Select > Entities… Открывается окно Select Entities (рис. 4.7, а), в нём необходимо выбрать в
первой строке Areas, во второй строке – By Attributes; в третьем
блоке указать Material num; в строке ввода написать номер 2; убедиться в том, что активно поле From Full и нажать кнопку Apply.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
в
Рис. 4.7. Диалоговое окно выбора объекта Select Entities
2. Выбрать объёмы, содержащие указанные поверхности. Для
этого в том же окне Select Entities (рис. 4.7, б) указать: в первой
строке – Volums, во второй – Attached to; в третьей – Areas; убедиться в том, что активно поле From Full и нажать кнопку Apply.
3. Выбрать элементы, входящие в выбранные объёмы. Для этого в том же окне Select Entities указать: в первой строке – Elements,
во второй – Attached to; в третьей – Volums; убедиться в том, что
активно поле From Full и нажать кнопку Apply.
4. На данном этапе в выделенных элементах объёмов необходимо модифицировать номер материала с 1 на 2. Выполняется это
с помощью команды
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Move/Modify > Elements > Modify Attrib.
В появившемся окне Modify Elem Attributes (рис. 4.8, а) нажать
кнопку Pick All, так как необходимые элементы уже выбраны.
В следующем окне выбрать в строке Attribute to change – Material MAT, а в New attribute number – 2. Нажать OK.
а
б
Рис. 4.8. Диалоговые окна выбора элементов (а)
и модификации атрибутов элементов (б)
В итоге выбранные элементы изменят значение на материал 2.
Аналогичным образом переопределяются и другие значения
материалов элементов. Элементы материалов 1–4 представлены на
рис. 4.9–4.12 для ТВМП с трапецеидальными и грушевидными
формами пазов.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.1.3. Задание конвекции и нагрузки в трёхмерной модели ТВМП
Как и в случае двумерной модели для трёхмерной модели на
внешних границах ТВМП, за исключением области ТО и КО, необходимо задать конвекцию (коэффициент теплоотдачи). Однако, в отличие от двумерной модели, внешними границами ТВМП будут являться наружные поверхности магнитопроводов, клиньев и вентиляционных каналов, кроме того, параметры конвекции необходимо
установить на все внутренние узлы вентиляционных каналов.
Выполняется эта операция аналогично п. 3.3.7, но предварительно необходимо выделить узлы соответствующих поверхностей и
объемов. Выполнить это можно с помощью комбинации операций
Select Entities и выбора (исключения) созданных ранее компонентов
поверхностей. Команда задания конвекции остаётся прежней:
Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply >
> Thermal > Convection > On nodes.
Параметры конвекции не меняются, в случае рассмотрения режима холостого хода значения коэффициента теплоотдачи соответствуют естественной конвекции (VALI = 10), а при работе под
нагрузкой указать конвекцию, характерную работе с охлаждающими вентиляторами, то есть VALI = 20. Параметр VAL2I, отвечающий за температуру окружающей среды, приравнять 20 (или
другой заданной температуре потока охлаждающего воздуха).
После того как задана конвекция, необходимо определить
нагрузку, а именно интенсивность объёмного тепловыделения в
проводниках ТО и КО. Данный тип нагрузки также определяется
согласно п. 3.3.8, но задают её в трёхмерной модели на узлы, образующие элементы с помощью команды
Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply >
> Thermal > Heat Generat > On Nodes.
После того как все параметры указаны, полученные модели
можно запускать на моделирование с помощью команды
Maim Menu > Solution > Solve > Current LS.
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.2. Результаты моделирования трёхмерных моделей ТВМП
с трапецеидальными и грушевидными формами пазов
Представленная трёхмерная модель также была использована,
как и двумерная, для исследования работы трансформатора с вращающимся магнитным полем в режиме под нагрузкой, когда он работает с полной нагрузкой управляемого выпрямителя (УВ) на
9 пар силовых ключей (СКЛ) транзисторного коммутатора (ТК) в
течение часа с момента запуска. Температура окружающей среды
принималась равной 20 °С. Как и для двумерной модели, во время
работы ТВМП в режиме под полной нагрузкой необходимо включать систему охлаждения, в этом случае надо задать параметр конвекции VALI = 20 (см. п. 3.3).
В результате моделирования ТВМП в режиме работы под
нагрузкой получена картина трёхмерного теплового поля для
ТВМП с трапецеидальной (а) и грушевидной (б) формами пазов
(рис. 4.13–4.18).
Для лучшего представления распределения теплового поля
внутри основных частей ТВМП были произведены замеры в характерных узлах модели. Такие узлы были определены по срезам в
модели ТВМП с шагом 0,05 м, то есть в точках 0; 0,05; 0,1; 0,15;
0,2 м. В соответствии с полученными значениями были построены
графики зависимости распределения температуры внутри наружнего магнитопровода (рис. 4.19), в области пазовых клиньев
(рис. 4.20), в фазах трёхфазной обмотки (рис. 4.21), в секциях круговой обмотки (рис. 4.22), в зубцах внутреннего магнитопровода
(рис. 4.23), а также в ярме внутреннего магнитопровода (рис. 4.24)
для ТВМП с трапецеидальными (1) и грушевидными (2) формами
пазов.
Численные значения приведённых графиков представлены в
табл. 4.1 и 4.2.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т, °С
Рис. 4.19. Графики зависимости распределения
температуры внутри наружного магнитопровода
(1 – ТВМП с трапецеидальными формами пазов, 2 – с грушевидными)
Т, °С
Рис. 4.20. Графики зависимости распределения
температуры в области пазовых клиньев
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т, °С
Рис. 4.21. Графики зависимости распределения температуры
в фазах трёхфазной обмотки
Т, °С
Рис. 4.22. Графики зависимости распределения температуры
в секциях круговой обмотки
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т, °С
Рис. 4.23. Графики зависимости распределения температуры
в зубцах внутреннего магнитопровода
Т, °С
Рис. 4.24. Графики зависимости распределения температуры
в ярме внутреннего магнитопровода
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Анализ приведённых тепловых полей их трёхмерного моделирования показал, что наибольшему нагреву в ТВМП обеих конструкций подвергаются внутренние части устройства, особенно
обмотки и зубцы. Обмотки нагреваются больше вследствие того,
что именно они являются поставщиками выделяемой в виде тепла
энергии в процессе работы ТВМП, а зубцы – так как они располагаются ближе всего к токоведущим частям (обмоткам).
Наличие потока охлаждающего воздуха позволяет уменьшить
температуры на граничных поверхностях, таких как торцы и спинка наружного магнитопровода, что и было видно на трёхмерных
моделях. Температура нагрева спинки внешнего магнитопровода
составила приблизительно 27,5 °С для обоих конструкций ТВМП,
тогда как максимальная температура нагрева внутри ТВМП с трапецеидальными формами пазов составляет 35,8 °С, а с грушевидными формами пазов – 35,2 °С, что говорит о хорошей теплоотдаче ТВМП за счёт применения усиленной конвекции с помощью
воздушной системы охлаждения.
Таким образом, распределение тепла внутри трансформатора
вне зависимости от того, в каких частях производились замеры,
носит параболический характер с пиковым значением в середине
конструкции.
Следует также отметить, что ТВМП с трапецеидальными формами пазов подвержен бóльшему нагреву по сравнению с ТВМП с
грушевидными формами пазов, что связано с большей плотностью
укладки проводника в трапецеидальный паз, а также заранее заложенной повышенной плотностью тока в проводниках трёхфазной
и круговой обмоток.
Так же анализ приведённых графиков показал, что величины
нагрева трёхфазной и круговой обмоток приблизительно равны,
несмотря на то, что потери энергии в круговой обмотке несколько
выше. Вызвано это тем, что учёт выделяемого тепла в обмотках
ТВМП пересчитывается на объём источника выделяемой энергии,
а из модели видно, что объём, занимаемый трёхфазными обмотками, несколько ниже, чем объём круговых обмоток.
Как и в двумерном анализе, трёхмерный анализ конструкции
ТВМП подтвердил, что наименьшему нагреву из магнитной конструкции ТВМП подвергается наружный магнитопровод за счёт
передачи энергии из соседнего внутреннего магнитопровода. Од76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нако разница нагрева наружного магнитопровода по сравнению с
внутренним составляет уже приблизительно 90 %.
Основным достоинством программы ANSYS является то, что
она позволяет получить не только реальную картину двумерного и
трёхмерного теплового поля конструкции, но и количественные
характеристики этого поля в различных частях ТВМП.
Применение трёхмерного анализа при моделировании тепловых
процессов в устройствах позволяет не только лучше понять картину распределения тепловой энергии внутри конструкции, но и выявить наиболее слабые зоны, где может происходить существенный перегрев конструкции.
Использование конечно-элементного расчёта, связанного с тепловым анализом, позволяет моделировать как установившиеся, так
и переходные процессы в различных частях конструкции ТВМП, и
таким образом получать реальную картину его характеристик.
Кроме того, программа ANSYS является надёжным инструментом,
позволяющим проверять корректность аналитических методов
расчёта тепловых характеристик ТВМП.
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведённый тепловой анализ конструкции трансформаторов с
вращающимися магнитными полями показал, что:
1) работая в режиме холостого хода, тепловое поле практически
остаётся неизменным, отклонение составляет десятые доли градуса;
2) наибольшее выделение тепла наблюдается в районе круговой
обмотки, что вызвано особенностью ее расположения и повышенной плотностью тока, принятой изначально в расчётах конструкции;
3) наименьшему нагреву из магнитной конструкции ТВМП подвергается наружный магнитопровод, так как он не содержит обмоток, вносящих дополнительные потери энергии, и, более того, его
наружная поверхность подвергается конвекции (естественной или
принудительной за счёт применения охлаждающих вентиляторов);
4) анализ теплового поля, полученного для 8-часового режима
работы ТВМП, показал, что при полноценном использовании
ТВМП в течение рабочего дня перегрев его магнитной системы не
происходит, а остаётся в пределах допустимых значений, заложенных классом нагревостойкости его элементов;
5) результаты трёхмерного теплового анализа показали, что величины нагрева трёхфазной и круговой обмоток приблизительно
равны, несмотря на то, что потери энергии в круговой обмотке несколько выше, что связано с учётом объёма источника выделяемой
энергии, а у круговой обмотки он больше, чем у трёхфазной;
6) распределение тепла внутри трансформатора вне зависимости от того, в каких частях производились замеры, носит параболический характер с пиковым значением в середине конструкции;
7) ТВМП с трапецеидальными формами пазов подвержен большему нагреву по сравнению с ТВМП с грушевидными формами
пазов, что связано с большей плотностью укладки проводника в
трапецеидальный паз, а также заранее заложенной повышенной
плотностью тока в проводниках трёхфазной и круговой обмоток;
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8) применение трёхмерного анализа при моделировании тепловых процессов в устройствах позволяет не только лучше понять
картину распределения тепловой энергии внутри конструкции, но
и выявить наиболее слабые зоны, где может происходить существенный перегрев конструкции;
9) программа ANSYS является надёжным инструментом позволяющим проверять корректность аналитических методов расчёта
тепловых характеристик ТВМП.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Буль О.Б. Методы расчёта магнитных систем электрических аппаратов. М.: Академия, 2006. 288 с.
2. Буткевич Г.В., Дегтярев В.Г., Сливинская А.Т. Электрические аппараты. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1987.
3. Каплун А.Б., Морозов Е.В., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера. М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.
4. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Высш. шк., 2006. 607 с.
5. Кузьмин И.Ю., Черевко А.И., Лимонникова Е.В. Особенности проектирования трансформаторов с вращающимися магнитными полями:
доклад на XL Ломоносовских чтениях, Северодвинск, 2011.
6. Лимонникова Е.В., Черевко А.И. Двумерная модель магнитопровода ТВМП в программной среде ANSYS: программа № 50200601594, зарегистрирована во ВНТИЦ РФ 11.09. 2006, 28 с.
7. Лимонникова Е.В., Черевко А.И. Исследование электромагнитных
характеристик трансформаторов с вращающимся магнитным полем методом конечных элементов: доклад на IX РНТК «ЭМС–2006». СПб.,
2006. С. 535–538.
8. Решение задач теплообмена. ANSYS 5.7 Thermal Analysis Guard:
пер. с англ. Б.П. Югова. М.: CADFEM, 2001. 110 с.
9. Черевко А.И. Трансформаторы и реакторы с вращающимися магнитными полями: моногр. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2005. 76 с.
10. Чигарёв А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров.
М.: Машиностроение-1, 2004. 512с.
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРИЛОЖЕНИЕ
PCIRC,0.03405,0.0337,5,10
PCIRC,0.03405,0.0337,10,15
PCIRC,0.06075,0.03405,5,9.45
PCIRC,0.06075,0.03405,9.45,10
PCIRC,0.06075,0.03405,10,15
PCIRC,0.0611,0.06075,5,10
PCIRC,0.0611,0.06075,10,15
PCIRC,0.0797,0.0611,5,9.6
PCIRC,0.0797,0.0611,9.6,10
PCIRC,0.0797,0.0611,10,15
PCIRC,0.08005,0.0797,5,10
PCIRC,0.08005,0.0797,10,15
PCIRC,0.08105,0.08005,5,10
PCIRC,0.08105,0.08005,10,15
PCIRC,0.0814,0.08105,5,10
PCIRC,0.0814,0.08105,10,15
PCIRC,0.0901,0.0814,5,9.7
PCIRC,0.0901,0.0814,9.7,10
PCIRC,0.0901,0.0814,10,15
PCIRC,0.09045,0.0901,5,10
PCIRC,0.09045,0.0901,10,15
PCIRC,0.09915,0.09045,5,9.73
PCIRC,0.09915,0.09045,9.73,10
PCIRC,0.09915,0.09045,10,15
PCIRC,0.0995,0.09915,5,10
PCIRC,0.0995,0.09915,10,15
PCIRC,0.101,0.0995,5,10
PCIRC,0.101,0.0995,10,11.43
PCIRC,0.101,0.0995,11.43,15
PCIRC,0.1025,0.101,5,10
PCIRC,0.1025,0.101,10,11.43
PCIRC,0.1025,0.101,11.43,15
PCIRC,0.1045,0.1025,5,10
PCIRC,0.1045,0.1025,10,15
PCIRC,0.1051,0.1045,5,10
PCIRC,0.1051,0.1045,10,15
PCIRC,0.1351,0.1051,5,10
PCIRC,0.1351,0.1051,10,15
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................................................................................................ 3
1. Анализ тепловых явлений, протекающих в ТВМП ................................... 4
2. Методика расчёта энергетических характеристик ..................................... 7
3. Исследование двумерной модели трансформатора с вращающимся
магнитным полем в программе ANSYS.................................................... 12
3.1. Общие сведения о тепловом моделировании
в программе ANSYS ........................................................................... 12
3.2. Описание построения модели ТВМП с трапецеидальными
формами пазов ..................................................................................... 13
3.3. Тепловой анализ двумерной модели ТВМП с трапецеидальными
формами пазов в ANSYS.................................................................... 22
3.4. Описание построения модели ТВМП с грушевидными формами
пазов ...................................................................................................... 32
3.5. Результаты моделирования двумерной модели............................... 38
4. Исследование трёхмерной модели трансформатора
с вращающимся магнитным полем в программе ANSYS ...................... 49
4.1. Описание построения трёхмерных моделей ТВМП
с трапецеидальными и грушевидными формами пазов ................. 49
4.2. Результаты моделирования трёхмерных моделей ТВМП
с трапецеидальными и грушевидными формами пазов ................. 64
Заключение ........................................................................................................ 78
Список литературы ........................................................................................... 80
Приложение ....................................................................................................... 81
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Научное издание
Лимонникова Елена Владимировна
Черевко Александр Иванович
Кузьмин Илья Юрьевич
Музыка Михаил Михайлович
ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
С ВРАЩАЮЩИМИСЯ МАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ
Монография
Редактор Е.А. Зажигина
Оригинал-макет И.И. Свищенковой
Дизайн обложки Е.А. Банниковой
Подписано в печать 07.05.2014. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 4,8. Тираж 100 экз. Заказ № 2207.
Издательский дом ФГАОУ ВПО САФУ
163060, г. Архангельск, ул. Урицкого д. 56
83
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
30
Размер файла
2 409 Кб
Теги
режим, магнитные, вращающимися, трансформатор, 8262, тепловых, работа, монография, полями
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа