Предварительное оптимизационное проектирование и проектные исследования

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 этапестуденты 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 этапена 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.

Задание на проектирование.

1.1 Полная номинальная мощность трансформатора - , кВ·А.

Рассматриваются трансформаторы со следующей шкалой мощностей: 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500 кВ·А

1.2 Число фаз - m .

1.3 Частота – f, Гц.

1.4 Номинальные линейные высшие и низшие напряжения обмоток U_л1 и U_л2, (В) для указанных трансформаторов приняты:

- для обмоток ВН – 35, 20, 10 и 6 кВ;

- для обмоток НН – 0,69, 0,4 и 0,23 кВ. Могут быть заданы и нестандартные величины напряжений обмоток.

1.5 Схема и группы соединений обмоток.

Стандартными схемами и группами соединений для трехфазных

трансформаторов являются:

; ; .

1.6 Напряжение короткого замыкания - , %.

1.7 Материал обмоток – алюминий, медь.

1.8 Материал магнитной системы– электротехническая сталь марок 3404, 3405, 3406, 3407, 3408 толщиной 0,27, 0,3 или 0,35 мм с термостойким магниефосфатным покрытием.

1.9 Критерий оптимальности.

В качестве обобщенного критерия обычно используют приведенные затраты на трансформацию электроэнергии (Зп), либо критерий капитализированных затрат (Зк). В качестве критериев могут быть заданы также минимум массы активных материалов, минимум расхода проводниковых или магнитных материалов, минимум потерь энергии, минимум стоимости трансформатора, максимальный коэффициент заполнения обмоток проводниковым материалом и т.д.

1.10 Проектные исследования.

Выполнение проектных исследований (проектного анализа) необходимо для более глубокого изучения студентами методики автоматизированного синтеза электромагнитных преобразователей (ЕМП) и влияния технико-экономических требований, проектных ограничений, параметров и критериев на свойства силовых трансформаторов.

В зависимости от постановки задачи на проектирование трансформатора (курсовой проект, дипломный проект, изучение методов оптимизации, лабораторная работа) или целей проектных исследований может быть необходимым решение следующих задач проектного анализа:

– исследование влияния цен применяемых электротехнической стали и обмоточных проводов на размеры и параметры трансформатора;

– исследование влияния отношения потерь короткого замыкания к потерям холостого хода ( ) на размеры и параметры оптимального трансформатора;

– исследование влияния отношения стоимостей системы обмоток и магнитной системы (x) на оптимальные значения электромагнитных нагрузок и потерь;

– определение зависимости геометрических размеров и параметров трансформатора от величины напряжения короткого замыкания, от класса напряжения, от класса нагревостойкости изоляции и т.д.

Предварительное оптимизационное проектирование и проектные исследования

Предварительное оптимизационное проектирование предусматривает выбор стоимостных показателей для расчетов критериев оптимальности и определения начальных значений основных управляемых переменных (параметров) математической модели в зоне их оптимальных значений по заданным критериям. Для этого в математической модели должны быть отражены особенности конструктивного исполнения МС и обмоток трансформатора, конструктивные показатели, а также заданные технические требования (гарантированные функциональные показатели), которые задаются как исходные данные для оптимизационного расчета на ПЭВМ.

В качестве таких конструктивных и технических показателей служат основные размеры изоляционных промежутков, технические решения по конструктивному исполнению МС и обмоток (типы обмоток и число концентров), коэффициенты заполнения обмоток проводниковым материалом ( ) и поперечного сечения МС активной электротехнической сталью ( ) , марка применяемой электротехнической стали, тип обмоточного провода и другие показатели, характеризующие конструктивные особенности трансформатора.

Результаты предварительного оптимизационного проектирования служат исходными данными для проектных исследований и заключительного этапа проектирования – этапа детального проектирования трансформатора.

Последовательность и методика определения необходимых расчетных коэффициентов и других исходных данных для оптимизационных расчетов и алгоритм оптимизационного расчета рассматриваются ниже.