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;

Н_ср – средняя высота обмотки, мм ;

D_об.вн – внутренний диаметр обмотки НН, мм;

U_к – напряжение КЗ, % ;

А₁₂ – изоляционное расстояние между обмотками НН и ВН, мм;

TR - тип регулирования напряжения;

а также данные обмоток ВН и НН:

I_ф – фазный ток обмотки, А;

d_об – плотность тока в обмотке, А/мм²;

U_ф – фазное напряжение обмотки, В;

W - число витков обмотки;

МR - марка провода;

t_пр – толщина изоляции провода на две стороны, мм;

n_k – число концентров;

b_q – размер охлаждающего канала между концентрами, мм.

Технологическими данными служат:

S_{э 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.

S_{в кр d} – предельное сечение витка обмотки из круглого проведения (в программе есть возможность отключать совместное применение прямоугольного и круглого провода), мм²;

DS_э – 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 (U_k).

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 n_сл, с заданной высотой витка А_пр, с регламентированным допуском по высоте обмотки DН_к,% и заполнением последнего слоя Dn_сл,% (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 DН_к,%;

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 cos ₂ при разных коэффициентах нагрузки : U = (cos ₂).

Рис.3.16 – Окно изменение вторичного напряжения от нагрузки ( ) при разном характере нагрузки (cos ₂): U = ( ).

3. Рис.3.17 – Окно характеристики КПД трансформатора при разных cos ₂.