Способ определения оптимальной толщины листов магнитопровода трансформатора Российский патент 2021 года по МПК H01F3/04 G01B7/06 

Описание патента на изобретение RU2752353C1

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для уменьшения потерь холостого хода трансформаторов.

В настоящее время перед заводами-изготовителями трансформаторов стоит задача создания трансформаторов, в которых потери холостого хода должны быть снижены в зависимости от номинальной мощности на 33-45% [СТО 34.01-3.2-011-2017 Трансформаторы силовые распределительные 6-10 кВ мощностью 63-2500 кВА. Требования к уровню потерь холосто хода и короткого замыкания. Стандарт организации ПАО «Россети». - 2017. URL: http://www.rosseti.ru/investment/standart/corp_standart/doc/CTO_34.01-3.2-011-2017.pdf]. Данные требования вступили в силу в 2020 году.

Известна формула определения толщины листов магнитопровода трансформаторов [Цыкин Г.С. Трансформаторы низкой частоты. Связьиздат, 1955, страница 225, формула XIII.5], полученная из условия допустимого падения проницаемости листовых магнитных материалов из-за вытеснения магнитного потока к поверхности листа вихревыми токами. Согласно этой формуле, толщина листа (мм) не должна превышать

где ρ - удельное электросопротивление, Ом⋅см,

μ - магнитная проницаемость материала,

ƒ - частота, Гц.

При этом автор подчеркивает, что на практике желательно применять для сердечника материал в два-три раза меньшей толщины, чем дает данная формула. Вторая расчетная формула получена на основании геометрических данных сердечника и проницаемости материала [см. там же, формула XIII.8]

где δз - толщина зазора между отдельными пластинами;

В, H - размеры сторон сердечника;

р=μ/μκ - отношение проницаемости материала к его кажущейся проницаемости, определенное через геометрические размеры пластин и зазоров;

κ - коэффициент, зависящий от соотношения размеров пластины (для Ш-образных пластин κ=0,2-0,25).

Известные формулы получены на основе допустимой проницаемости материала листов, ограничивают толщину листов только по верхнему пределу и являются весьма неточными.

Известен способ определения оптимальной толщины листов магнитопровода трансформатора, заключающийся в сборке магнитопровода из листов различной толщины, измерении потерь в магнитопроводе посредством опыта холостого хода и выбор листов с толщиной, при которой потери минимальны.

Данный способ является неточным, т.к. применяется для четырех позиций толщины листов: 0,20 мм, 0,35 мм, 0,50 мм и 1,00 мм, регламентированных в РФ. В то же время оптимальная толщина листа может принимать промежуточное значение. Например, электротехническая изотропная лента, согласно ТУ 14-1-4657-89, выпускается на 14 позициях (от 0,05 до 1,5 мм), а электротехнический лист, согласно ГОСТ 3836-83, - на 26 позициях (от 0,1 до 3,9 мм).

Изобретение решает задачу повышения точности и снижения трудоемкости определения толщины листов (пластин) магнитопровода, при которой потери в нем (потери холостого хода) минимальны.

Техническим результатом от использования изобретения является возможность снижения магнитных потерь в трансформаторе за счет оптимизации толщины листов (пластин) магнитопровода на основании результатов четырех измерений и расчета по выведенной формуле.

Это достигается тем, что в способе определения оптимальной толщины листов (пластин) магнитопровода трансформатора, заключающемся в сборке магнитопровода из листов различной толщины, измерении потерь в магнитопроводе посредством опыта холостого хода и выбор толщины листов, при которой потери минимальны, согласно изобретению, проводят измерение потерь в магнитопроводе опытом холостого хода на двух частотах для двух значений толщины листов, а оптимальную толщину листов при работе трансформатора на частоте ƒ1 определяют по формуле

где Р11 - потери в магнитопроводе с толщиной листов δ1 при частоте ƒ1;

Р21 - потери в магнитопроводе с толщиной листов δ1 при частоте ƒ2;

Р12 - потери в магнитопроводе с толщиной листов δ2 при частоте ƒ1;

Р22 - потери в магнитопроводе с толщиной листов δ2 при частоте ƒ2;

κ - коэффициент отношения частот ƒ21.

Заявляемый способ определения оптимальной толщины листов (пластин) магнитопровода трансформатора отличается расчетом конкретного значения толщины листов по формуле, включающей результаты измерения потерь в сердечнике магнитопровода на двух частотах для двух значений толщины листов.

Формула, связывающая значение оптимальной толщины листов с четырьмя измеренными значениями потерь в стали и толщины листов, а также с отношением частот, на которых проводились измерения, выведена автором впервые.

На чертеже представлены зависимости потерь в магнитопроводе от толщины листов, из которых он набран: Р1 - полные потери в магнитопроводе на частоте ƒ1; Г1 - потери на гистерезис на частоте ƒ1; Г2 - потери на гистерезис на частоте ƒ2; B1 - потери на вихревые токи на частоте ƒ1; В2 - потери на вихревые токи на частоте ƒ2.

На чертеже отражено то, что при определенной толщине листов значения линии Г2 в κ раз превышают значения линии Г1, а значения кривой В2 в κ2 раз превышают значения кривой В1, т.к. потери на гистерезис пропорциональны первой степени частоты, на которой проводят опыт холостого хода, а потери на вихревые токи - второй степени.

Чем меньше толщина листов (пластин) магнитопровода, тем больше коэрцитивная сила, площадь петли и потери на гистерезис [см., например, Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы. - Л. Энергоатомиздат, 1985. - 304 с., страница 272,]. Кроме того, в процессе доводки до требуемой толщины пластин на холодных листах их толщина уменьшается, сталь уплотняется, что также приводит к росту потерь на гистерезис [Цыкин Г.С. Трансформаторы низкой частоты. Связьиздат, 1955, страница 229].

Для толщин более 0,1 мм зависимость потерь на гистерезис Рг от толщины листов δ можно выразить в виде линейной функции

где а - коэффициент, определяющий начальные потери на гистерезис, Вт;

b - коэффициент наклона прямой, Вт/мм.

Потери на вихревые токи Рв зависят от квадрата толщины листов магнитопровода [см., например, Общая электротехника: под. ред. А.Т. Блашкина. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 392 с., страница 198]

где с - коэффициент квадратичной функции, Вт/мм2.

Зависимость полных потерь в стали Р1 на частоте ƒ1 от толщины листов, из которых набран магнитопровод

где Рг1 - потери на гистерезис на частоте ƒ1;

Рг1 - потери на вихревые токи на частоте ƒ1;

Оптимальное значение толщины листов δопт, при котором суммарные потери в магнитопроводе минимальны, найдем через производную Р1, приравняв ее нулю

Коэффициент наклона линии Г1 (см. чертеж)

Коэффициент квадратичной функции

Подставим (5), (6) в (4), получим оптимальное значение толщины листов на частоте ƒ1

где Рг11 - потери на гистерезис на частоте ƒ1 для толщины листов δ1;

Рг12 - потери на гистерезис на частоте ƒ1 для толщины листов δ2;

Рв11 - потери на вихревые токи на частоте ƒ1 для толщины листов δ1;

Данные потери определяем по результатам четырех опытов холостого хода по выражениям [Плотников С.М., Маркеленко B.C. Определение потерь на вихревые токи и на гистерезис трансформатора // Наука и образование: актуальные исследования и разработки: материалы I Всерос. заочной науч.-практ. конф. - Чита: ЗабГУ, 2018, стр. 62.]

где Р11 - потери в магнитопроводе с толщиной листов δ1 при частоте ƒ1;

Р21 - потери в магнитопроводе с толщиной листов δ1 при частоте ƒ2;

Р12 - потери в магнитопроводе с толщиной листов δ2 при частоте ƒ1;

Р22 - потери в магнитопроводе с толщиной листов δ2 при частоте ƒ2;

κ - коэффициент отношения частот ƒ12.

Подставим (8), (9), (10) в (7), получим расчетную формулу оптимальной толщины листов магнитопровода по критерию минимума потерь в нем

Заявляемый способ определения оптимальной толщины листов (пластин), при которой потери в магнитопроводе минимальны, отличается расчетом толщины листов по результатам четырех опытов холостого хода: двух опытов на двух частотах для листов одной толщины и двух опытов на тех же частотах для листов другой толщины.

Формула, связывающая значение оптимальной толщины листов с четырьмя измеренными значениями потерь в магнитопроводе (в стали), толщиной листов и отношением частот, на которых проводились измерения, выведена автором впервые.

Способ осуществляют следующим образом.

Для трансформатора, магнитопровод которого собран из листов толщиной δ1, проводят опыт холостого хода на частоте ƒ1, с помощью ваттметра измеряют потери холостого хода Р11. Затем изменяют частоту подводимого напряжения до значения ƒ2, которое на 5…100% отличается от значения ƒ1, и измеряют потери холостого хода Р21. Затем листы толщиной δ1 в магнитопроводе заменяют на листы толщиной δ2 и повторяют оба опыта холостого хода на частотах ƒ1 и ƒ2, измеряя с помощью ваттметра потери холостого хода соответственно Р12 и Р22. Далее вычисляют оптимальную толщину листов магнитопровода по выражению (11).

Осуществление способа рассмотрим на примере однофазного трансформатора OCM1-1,6 М мощностью 1600 ВА.

В опыте холостого хода, проведенном на однофазном трансформаторе OCM1-1,6 М мощностью 1600 ВА, были зафиксированы следующие показания ваттметра (тип Д5105, класс точности 0,1, диапазон частот 45-500 Гц): потери холостого хода на частоте 50 Гц для сердечника из листов толщиной δ1=0,35 мм составили Р11=20 Вт, потери на частоте 60 Гц-Р21=25,4 Вт.

Потери на гистерезис на частоте 50 Гц для толщины листов 0,35 мм определены по формуле (8)

Потери на вихревые токи на частоте 50 Гц для толщины 0,35 мм определены по формуле (10)

Для сердечника из листов толщиной δ2=0,5 мм на частоте 50 Гц потери холостого хода составили Р12=24,2 Вт, на частоте 60 Гц-Р22=32 Вт. При этом выбрана большая толщина листов, т.к. магнитопровод тех же размеров из более толстых листов собирать легче, чем из тонких, а для определения наклона линии Рг(δ) толщина листов значения не имеет.

Потери на гистерезис на частоте 50 Гц для толщины листов 0,5 мм определены по формуле (9)

Для частоты 50 Гц оптимальная толщина листов:

Коэффициент, определяющий начальные потери на гистерезис на частоте ƒ1 в выражении (1) (теоретическая величина, т.к. при толщинах менее 0,08 мм зависимость Рг(δ) становится нелинейной)

Полные потери в стали на частоте 50 Гц для толщины листов 0,161 мм, согласно (3):

При данной толщине листов потери в стали составляют 17,78 Вт, что на 12% меньше, чем при толщине листов 0,35 мм, и на 30% меньше, чем при толщине листов 0,5 мм. Данное значение является минимальным для всех остальных толщин листов магнитопровода.

Разнообразие толщин производимых в настоящее время лент и листов, позволяет перейти на толщину листов наиболее близкую к оптимальной. Изобретение позволяет повысить точность и снизить трудоемкость определения оптимальной толщины листов сердечника магнитопровода, при которой магнитные потери в трансформаторе будут минимальны.

Похожие патенты RU2752353C1

название год авторы номер документа
Способ определения магнитных потерь в стали магнитопровода 2020
  • Плотников Сергей Михайлович
RU2750134C1
Способ определения показателя степени магнитной индукции в аномальных потерях сердечника трансформатора 2023
  • Плотников Сергей Михайлович
  • Щеголева Татьяна Владимировна
RU2815818C1
Способ определения магнитных потерь в трансформаторе 2020
  • Плотников Сергей Михайлович
RU2755053C1
Способ определения потерь на вихревые токи в стали магнитопровода трансформатора 2021
  • Плотников Сергей Михайлович
RU2788080C1
Способ определения показателя степени магнитной индукции в потерях на гистерезис для стали сердечника трансформатора 2021
  • Плотников Сергей Михайлович
RU2764780C1
Способ определения потерь на вихревые токи в магнитопроводе трансформатора 2021
  • Плотников Сергей Михайлович
RU2781946C1
Способ определения магнитных потерь в трансформаторе 2022
  • Плотников Сергей Михайлович
RU2796600C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ ЧЕЛОВЕКА 2007
  • Новиков Игорь Алексеевич
RU2342071C2
Способ диагностики технического состояния газотурбинного двигателя 2023
  • Зеликин Юрий Маркович
  • Инюкин Алексей Александрович
  • Королев Виктор Владимирович
  • Синицын Андрей Геннадьевич
  • Урусов Алексей Вякифович
RU2813716C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЗАТВОРА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МАШИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО 2011
  • Павийе Робер
  • Штайнхильбер Армин
RU2546346C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 752 353 C1

Реферат патента 2021 года Способ определения оптимальной толщины листов магнитопровода трансформатора

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для уменьшения потерь холостого хода трансформаторов. Техническим результатом является возможность снижения магнитных потерь в трансформаторе за счет оптимизации толщины листов магнитопровода на основании результатов четырех измерений и расчета по выведенной формуле. Способ определения оптимальной толщины листов магнитопровода трансформатора заключается в измерении в опыте холостого хода потерь в магнитопроводе на двух частотах, для двух значений толщины листов и расчет оптимального значения толщины листов по формуле, содержащей значения этих толщин, значения измеренных потерь и отношение частот. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 752 353 C1

Способ определения оптимальной толщины листов (пластин) магнитопровода трансформатора, заключающийся в сборке магнитопровода из листов различной толщины, измерении потерь в магнитопроводе посредством опыта холостого хода и выбор толщины листов, при которой потери минимальны, отличающийся тем, что проводят измерение потерь в магнитопроводе опытом холостого хода на двух частотах для двух значений толщины листов, а оптимальную толщину листов при работе трансформатора на частоте ƒ1 определяют по формуле

где Р11 - потери в магнитопроводе с толщиной листов δ1 на частоте ƒ1;

Р21 - потери в магнитопроводе с толщиной листов δ1 на частоте ƒ2;

Р12 - потери в магнитопроводе с толщиной листов δ2 на частоте ƒ1;

Р22 - потери в магнитопроводе с толщиной листов δ2 на частоте ƒ2;

κ - коэффициент отношения частот ƒ21.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2021 года RU2752353C1

ЦЫКИН Г.С
"Трансформаторы низкой частоты", СВЯЗЬ-ИЗДАТ, 1955, с.225
ПЛОТНИКОВ С.М., МАРКЕЛЕНКО В.С
"Определение потерь на вихревые токи и на гистерезис трансформатора"// Наука и образование: Актуальные исследования и разработки, Материалы Первой Всероссийской заочной научной практической конференции, Чита, ЗабГУ, 2018, с.62
Устройство для измерения толщины листа 1988
  • Лузенков Владимир Николаевич
  • Гуменчук Лидия Михайловна
  • Смирнов Владимир Сергеевич
  • Пилясов Вениамин Александрович
SU1610262A1

RU 2 752 353 C1

Авторы

Плотников Сергей Михайлович

Даты

2021-07-26Публикация

2020-09-03Подача