Способ определения магнитных потерь в трансформаторе Российский патент 2021 года по МПК H01F27/24 G01R33/12 G01R31/62 G01R35/02 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для уменьшения магнитных потерь (потерь холостого хода) в трансформаторах и других электрических машинах.

Известен способ определения потерь в трансформаторе и устройство для его осуществления, включающий измерение температуры трансформатора и вычисление потери активной электроэнергии в трансформаторе [Патент РФ 2563331, G01R 35/02, опубл. 20.09.2015, Бюл. №26].

Известен способ определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме [Патент РФ 2304787, G01R 21/00, опубл. 20.08.2007, Бюл. №23].

Известен способ измерения потерь и тока холостого хода силовых трансформаторов в полевых условиях [Патент РФ 2533530, G01R 31/06, опубл. 20.11.2014, Бюл. №32].

Известные способы не позволяют определить потери на вихревые токи и потери на гистерезис в магнитопроводе трансформатора.

Известна формула потерь на вихревые токи, включающая амплитуду и коэффициент формы кривой магнитной индукции, частоту ее изменения, толщину, плотность и удельное электрическое сопротивление материала пластин магнитопровода [Круг К.А. Основы электротехники. - М.-Л.: ОНТИ, 1936. - 867 с], и формула потерь на гистерезис, включающая амплитуду магнитной индукции, частоту ее изменения, коэрцитивную силу и плотность материала пластин магнитопровода [Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. М.: Энергия, 1974. - 239 с].

В [Тимофеев И.А. Удельные потери в ферромагнетике // Современные проблемы науки и образования. - 2007. - №6-1] отмечается, что результат вычислений по данным формулам может быть занижен на четыре порядка.

Известны также формулы потерь на вихревые токи и на гистерезис, включающие коэффициенты, определяемые из опыта, максимальное значение индукции в магнитопроводе, частоту ее изменения и толщину листов стали магнитопровода [см., например, Общая электротехника / под ред. А.Т. Блажкина. Л.: Энергатомиздат, 1986. - 592 с, страница 197, 198].

Расчет по известным формулам связан с трудоемкими измерениями и вычислениями нескольких величин, которые невозможно провести с высокой точностью.

Известен способ тестирования трансформатора, включающий измерение потерь в магнитопроводе опытом холостого хода на двух частотах, расчет соответствующих потерям коэффициентов и вычисление сопротивления переменному току [Европейская заявка на патент ЕР 1398644 A1, G01R 35/02, Verfahren zum Testen eines Transformators und entsprechende Testvorrichtung, опубл. 17.03.2004, пункт 8 формулы].

Известный способ не предназначен для определения потерь на вихревые токи и потери на гистерезис в трансформаторе.

Известен метод измерения низкочастотной характеристики ферромагнитного элемента без нагрузки [патент Китая CN 106249068А, G01R 31/00, G01R 35/12, опубл. 21.12.2016], включающий измерение полных потерь в стали на двух частотах (абзац 0015) и вычисление коэффициентов, входящих в потери на гистерезис и на вихревые токи, однако сами потери не определены.

Известен низкочастотный способ измерения потерь в сердечнике ферромагнитного элемента [патент Китая CN 105929250А, G01R 27/26, опубл. 07.09.2016], включающий измерение потерь в стали на m частотах (абзац 0033), однако отдельные потери, входящие в полные потери в стали, здесь также не определены.

Известен способ определения потерь на вихревые токи и на гистерезис в трансформаторе, заключающийся в измерении потерь в магнитопроводе опытом холостого хода на двух значениях частот, расчет соответствующих потерям коэффициентов и вычисление потерь на вихревые токи и гистерезис.При этом считается, что потери на гистерезис Р_г=c₁⋅ƒ, а потери на вихревые токи Р_в=c₂⋅ƒ², коэффициент с₁ рассчитывается как точка пересечения продолжения зависимости P_г.в/ƒ=ϕ(ƒ) с осью ординат, а коэффициент с₂ - как наклон этой прямолинейной зависимости. Здесь Р_г.в - полные потери в магнитопроводе, ƒ - частота [Чечерников В.И. Магнитные измерения. М.: МГУ, 1969. - 288 с, страница 163].

Известный способ трудоемок, связан со сложными экспериментальным определением коэффициентов с₁, с₂ и графическим построением, в результате которых снижается точность результатов.

Изобретение решает задачу упрощения и повышения точности вычислений потерь на вихревые токи и на гистерезис.

Техническим результатом от использования изобретения является возможность определения потерь на вихревые токи и на гистерезис в магнитопроводе по результату измерения и одному из паспортных значений трансформатора, что позволит оптимально конструировать материал листов и боле эффективно снизить потери в стали трансформаторов и других электрических машин.

Это достигается тем, что в способе определения магнитных потерь в трансформаторе, включающем измерение потерь в стали опытом холостого хода на двух частотах, расчет соответствующих потерям коэффициентов и вычисление магнитных потерь, опыт холостого хода проводят при номинальной частоте и пониженном напряжении, потери на гистерезис для номинального напряжения вычисляют по формуле

а потери на вихревые токи для номинального напряжения - по формуле

где Р_хх - номинальное значение потерь холостого хода;

Р_п - потери в магнитопроводе при пониженном напряжении;

k - отношение пониженного напряжения к номинальному напряжению.

Заявляемый способ определения потерь на вихревые токи и на гистерезис в трансформаторе отличается расчетом данных потерь по измеренному значению потерь в стали при пониженном напряжении, паспортному значению потерь холостого хода и отношению пониженного и номинального напряжений без каких-либо графических построений. Заявляемый способ не является математическим методам, так как в нем используется результат конкретного измерения.

Формулы, непосредственно связывающие значение потерь на вихревые токи и на гистерезис с измеренным значением потерь в стали при пониженном напряжении, паспортным значением потерь холостого хода и отношением пониженного и номинального напряжений, выведены автором впервые.

Способ осуществляют на стандартной частоте 50 Гц следующим образом.

При разомкнутой обмотке (обмотках) низкого напряжения (опыт холостого хода) обмотку высокого напряжения трансформатора включают на пониженное напряжение U_п=(0,5…0,98)U_н на стандартной частоте 50 Гц, где U_н - номинальное первичное напряжение. С помощью ваттметра измеряют мощность Р_п в обмотке низкого напряжения, затем вычисляют потери на гистерезис для номинального напряжения по формуле

и потери на вихревые токи для номинального напряжения - по формуле

где Р_хх - номинальное значение потерь холостого хода;

Р_п - потери в магнитопроводе при пониженном напряжении;

k=U_п/U_н - отношение пониженного напряжения к номинальному напряжению.

Формулы (1), (2) получены на основании того, что потери в стали магнитопровода (потери холостого хода) состоят из потерь на вихревые токи и на гистерезис

причем потери на гистерезис Р_г для большинства магнитомягких материалов зависят от магнитной индукции в степени 1,6, а потери на вихревые токи Р_в - от магнитной индукции в квадрате [см., например,

1) Najgebauer M. Models for Prediction of Energy Loss in Soft Magnetic Materials // Conference: XII International PhD Workshop OWD 2010 At: Wisla, Poland, pp.487-482, формула (2);

2) Ibrahim M., Pillay P. Core loss prediction in electrical machine laminations considering skin effect and minor hysteresis loops // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2012, pp.1-8. DOI: 10.1109/ECCE.2012.6342536, формула (1);

3) Parthasaradhy P., Ranganayakulu S.V. Hysteresis and eddy current losses of magnetic material by Epstein frame method-novel approach // The International Journal Of Engineering And Science (IJES). 2014. pp.85-93, формула (2)].

Таким образом, при постоянстве частоты перемагничивания имеют место соотношения Р_г=Вm^1,6, Р_в=В_m², где В_m - максимальное значение магнитной индукции.

Магнитная индукция пропорциональна приложенному первичному напряжению [см., например, Иванов М.И., Равдоник B.C. Электротехника. - М.: Высш. шк., 1984. - 375 с, страница 100], поэтому при уменьшении напряжения в момент измерения полных потерь в k раз потери на гистерезис уменьшатся в k^1,6 раз, а потери на вихревые токи - в k² раз. При пониженном в к раз первичном напряжении U_п относительно номинального первичного напряжения U_н суммарные потери а стали магнитопровода равны

где

Решив систему уравнений (3) и (4) с двумя неизвестными Р_в и Р_г, получим формулы (1), (2).

Пример осуществления способа.

Для однофазного трансформатора ОСМ1-1,6М мощностью 1600 ВА с номинальным первичным напряжением U_н=220 В и номинальными (паспортными) потерями холостого хода Р_хх=20 Вт в опыте холостого хода, проведенном на частоте 50 Гц при пониженном первичном напряжении U_п=198 В, было зафиксировано показание ваттметра (тип Д5105, класс точности 0,1): Р_п=16,6 Вт. Коэффициент k=U_п/U_н=198/220=0,9. Потери на гистерезис определены по формуле (1)

потери на вихревые токи определены по формуле (2)

Попытка снижения потерь на вихревые токи, например, за счет уменьшения толщины пластин магнитопровода, приводит к увеличению потерь на гистерезис и наоборот, поэтому уточненные данные о соотношении обоих видов потерь позволят более эффективно корректировать состав материала или геометрию листов магнитопровода с целью снижения магнитных потерь в трансформаторах и других электрических машинах.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при определении двух компонентов потерь в стали трансформатора. Техническим результатом является возможность определения потерь на вихревые токи и на гистерезис в трансформаторе на основании несложного измерения и расчета. Способ определения магнитных потерь в трансформаторе включает измерение потерь в стали опытом холостого хода при номинальной частоте и пониженном напряжении и расчет потерь на вихревые токи и на гистерезис по паспортному значению потерь холостого хода, измеренному значению потерь в стали и коэффициенту отношения пониженного и номинального напряжения.

Способ определения магнитных потерь в трансформаторе, включающий измерение потерь в стали опытом холостого хода на двух частотах, расчет соответствующих потерям коэффициентов и вычисление магнитных потерь, отличающийся тем, что опыт холостого хода проводят при номинальной частоте и пониженном напряжении, потери на гистерезис для номинального напряжения вычисляют по формуле

а потери на вихревые токи для номинального напряжения - по формуле

где Р_xx - номинальное значение потерь холостого хода;

Р_п - потери в магнитопроводе при пониженном напряжении;

k - отношение пониженного напряжения к номинальному напряжению.