close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Результаты НОУ-2015;docx

код для вставкиСкачать
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
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 трансформато­
рах с вращающимися магнитными полями. Представлена методика рас­
чёта энергетических характеристик трансформаторов с вращающимися
магнитными полями, на базе которых осуществлен расчёт трансформа­
тора 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 теп¬
ловых процессов протекающих в них, проанализированы результаты.
Для научных и инженерно-технических работников, а также аспи¬
рантов и студентов электротехнических специальностей.
УДК 621.314.252
ББК 31.2
ISBN 978-5-261-00923-8
© Лимонникова Е.В., Черевко А.И.,
Кузьмин И.Ю., Музыка М.М., 2014
© Северный (Арктический) федеральный
университет имени М. В. Ломоносова, 2014
ПРЕДИСЛОВИЕ
Появление на рынке новых видов трансформаторов с вращаю­
щимися магнитными полями показало большой интерес к представ­
ленной 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 отве¬
тить на вопросы о тепловых режимах работы трансформатора поз¬
воляет математическое моделирование.
В представленной монографии в качестве среды моделирования
тепловых режимов работы трансформаторов с вращающимися маг¬
нитными полями предлагается универсальная программная система
конечно-элементного моделирования A N S Y S . В качестве образцов
исследования выступили две модели трансформаторов с вращаю¬
щимися магнитными полями на 1 8 пазов с трапецеидальной и гру­
шевидной формами пазов, рассчитанные на 6,5 кВт.
1. А Н А Л И З Т Е П Л О В Ы Х Я В Л Е Н И Й , П Р О Т Е К А Ю Щ И Х
В ТВМП
Конструктивно ферромагнитная система трансформатора с вра­
щающимся магнитным полем (ТВМП) состоит из двух магнитопроводов - внешнего и внутреннего (рис.1.1). В пазах внутреннего магнитопровода располагается трёхфазная обмотка (ТО), на входы ко­
торой подаётся трёхфазное синусоидальное напряжение, и круговая
обмотка (КО), с диагональных отводов которой снимается выпрям¬
ленное напряжение. Конструкция внешнего магнитопровода вы¬
полняется в виде кольца, на котором не предусматривается наличия
пазов. Однако даже при наличии общего вида конструкции тепло¬
вые 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 венти¬
ляционные каналы; 7 - паз
В связи с конструктивной особенностью ТВМП, а именно нали­
чием глубоких пазов, в которых располагаются одновременно трёх­
фазная и круговая обмотки, возникают определённые сложности с
теплообменом в трансформаторах подобной конструкции. Каждая
обмотка в результате протекания тока выделяет определённое коли¬
чество энергии вследствие потерь энергии на преодоление сопро­
тивления проводника. Трансформаторы с вращающимся магнитным
полем по строению схожи с асинхронными двигателями и реакто¬
рами 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 транс¬
форматоры с вращающимся магнитным полем, имеющие стацио¬
нарную структуру, такого дополнительного воздушного потока не
имеют. Более того, располагаясь в замкнутой области одновремен­
но, ТО и КО дополнительно усиливают степень нагрева во ВМ, что
вызвано накоплением энергии в зубцах магнитопровода из-за не¬
возможности дополнительного оттока тепла.
Мощность тепловых потоков, выделяемых во внутренних объ¬
ёмах трансформатора, такова, что для их отвода в окружающую
среду необходимо создавать специальные принудительные систе¬
мы охлаждения. Это особенно становится важным с увеличением
мощности трансформатора, что соответственно приводит к увели¬
чению тепловыделения.
Тепловую напряжённость ТВМП можно оценить по мощности
потерь, приходящейся на единицу наружной поверхности транс¬
форматора. Однако полная тепловая схема трансформатора пред¬
ставляет собой сложную многомерную тепловую систему. Темпе¬
ратурные поля в общем случае изменяются по каждому из трёх
пространственных координат и не остаются постоянными с тече¬
нием времени [ 4 ] .
Для описания трёхмерного температурного поля ТВМП можно
использовать уравнение теплового состояния в общем виде
S = d(x, y, z, t),
где S - температура точки тела в заданный момент; x, y, z - про­
странственные координаты; t - время.
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 ча­
стью проектирования трансформатора. На основе данных вычисле¬
ний можно оценить тепловое состояние трансформатора, подобрать
наиболее оптимальную систему охлаждения, при которой превы¬
шение температуры частей трансформатора не будет превосходить
пределов допустимых значений.
Как показывают проведённые ранее исследования в трансформа­
торах с вращающимся магнитным полем с мощностью тепловыделе­
ния менее 200 Вт, принудительная система охлаждения не требуется,
достаточно будет естественного способа охлаждения. Однако с уве­
личением мощности тепловыделения свыше 200...300 Вт возникает
необходимость принудительного охлаждения. В ТВМП, рассчитан¬
ных на мощность до 40 кВт, необходимо будет использовать прину¬
дительную 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 транс­
форматора, - 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 кон¬
вективное охлаждение ТВМП.
Следует отметить, что принудительное охлаждение ТВМП, вы¬
полненное 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 каче¬
стве неё могут применяться водные или даже водородные цирку¬
ляционные системы охлаждения.
2. М Е Т О Д И К А Р А С Ч Ё Т А Э Н Е Р Г Е Т И Ч Е С К И Х
ХАРАКТЕРИСТИК
Для дальнейшего построения тепловых режимов работы ТВМП
в программной среде ANSYS необходимо определить тепловые
потери, происходящие в обмотках. Для этого можно воспользо­
ваться 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:
(2.1)
где к - коэффициент «каппа», учитывающий увеличение магнитных потерь вследствие неравномерности протекания магнитного
потока по сердечнику ТВМП, к «1,5 ; О - масса стали, для ТВМП,
выполненного с пазами трапецеидальной формы, О = 59,722 кг,
грушевидной G = 57,307 кг; Р15/50 = 1,316Вт/кг - удельные маг­
нитные 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.
СТ
СТ
CT
Кроме того, в (2.1) полагается, что при w = 117 - число витков в
фазе ТО и
= 1,239 А - намагничивающий ток, в соответствии с
1
принятыми допущениями он приблизительно равен току холостого
хода, составляющая h{w 1 } определяется исходя из табл. 2.1.
1
Таблица 2.1. Магнитные характеристики пластин для ТВМП
мощностью от 5 до 10 кВт включительно
F
1
,
M1
A
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
HYST
B
'
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
,
Т
л
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. F - величина мдс одной фазы первичной обмотки в
ТВМП; В - амплитуда основной пространственной гармоники магнит­
ной индукции вращающегося магнитного поля в ТВМП, Тл; B
- ам­
плитуда магнитной индукции, перемагничивающей сталь, Тл.
1
М1
HYST
Активное сопротивление фазы ТО,
R =р
1
где Р20 = 1,72 -10
l
130 582
— L - = 1,72-10"
' \ = 0,487 Ом,
Яе/1
4,607 -10"
8
2 0
6
(2.2)
Ом • м - удельное сопротивление меди при темпера­
туре 20 °С; / =130,6 м - длина проводника фазы ТО, определяется в
1
соответствии с [5]; q /1 = 4,6 мм - эффективное сечение проводника ТО
e
по [5].
Электрические потери в ТО в режиме холостого хода могут
быть вычислены по формуле
Р
= mR (1 + K (T - 20)) I
Х Х
2
=
-3
2
= 3 • 0,487 (l + 4,3 -10 (120 - 20))l,239 = 3,2 Вт,
где K = 4,3 -10 K
- коэффициент, учитывающий увеличение
удельного сопротивления меди с ростом температуры обмоток;
Т = 120 °С - рабочая температура обмоток.
-3
-1
Электрические потери в КО в режиме холостого хода равны ну­
лю:
PE2
X
= 0 .
Суммарные активные потери в режиме холостого хода:
P гр
™
X
Х Х
=
м
- •Р' м
XX
X
+
PE
^ •'E1
+^ PE2
E 2 = 4 5 + 3,3 + 0 = 4 8 , 6 Вт;
)ХХ
7") XX , 7") XX , 7") XX
Р
=Р
+P
+ PE2 = 4 7 + 3,3 + 0 = 50,5 Вт.
Х
Х
Х Х
X X
М
(2.4)
X
E
Реактивная мощность холостого хода,
= mU /
X X
g
1
= 3 • 220 • 1,239 = 817,9 ВАр.
ц
(2.5)
Коэффициент мощности при холостом ходе:
ХХ
cos ф
Х Х
=
Р
.
^(Р
Х Х
4
^
2
) + (б
Х Х
)
8
,
6
= ,
= 0,062;
д/48,6 + 817,9
2
2
2
(2.6)
cos ф
Х Х
=
.
д/(
^
) + (б
2
5 0 , 5
Х Х
)
= ,
л/50,5 + 817,9
2
2
= 0,062.
2
Нагрузочная составляющая фазного тока в соответствии с [5]:
I
H
=
U
^ = J °LL.
= 0,348^- = 10,8.
m r\U
3r|- 220
r|
U
d
/
23
(2.7)
1
где U
rf
= 230 В - номинальное выпрямленное напряжение управля­
емого выпрямителя с ТВМП; I = P /U
d
d
d
= 28 А - номинальный
выпрямленный ток (среднее значение) управляемого выпрямителя с
ТВМП при номинальной нагрузке P ; m - число фаз в ТО; ц = 0,9 d
КПД УВ с ТВМП при номинальной нагрузке P и номинальном
выпрямленном напряжении U ; U1 = 220 В - номинальное напря­
жение (действующее значение), прилагаемое к каждой фазе ТО
ТВМП при соединении ТО в «звезду».
d
d
Активная составляющая фазного тока
I
A
= / cos ф
Х Х
ц
+I
H
= 10,92 А.
(2.8)
Первичный ток представляет собой геометрическую сумму
намагничивающей и нагрузочной компонент:
I 1 = VIA + I j = 10,98 А.
(2.9)
Магнитные потери в функции первичного тока
[^fP-] ,
2
Рм =К ОстР,5/50
(2.10)
где h(м>111 - определяется по табл. 2.1 и составляет 2,16.
Таким образом, магнитные потери для ТВМП с грушевидной
формой паза составят Р
идальной формой паза Р
м г р
мт р
= 234,6 Вт, а для ТВМП с трапеце­
= 244,5 Вт.
Электрические потери в ТО в функции первичного тока опре­
деляются согласно закону Джоуля-Ленца:
P
E1
= mR (1 + К(Т-20--1
1
2
= 277,5 Вт.
1
(2.11)
Активное сопротивление секции КО
R =
2
где
= 1,72-10
р
Яе/2
2
-8
3 3 , 4
— - = 0,234Ом,
2,4544-10
(2.12)
-6
-8
= 1,72 - 1 0 О м • м - удельное сопротивление меди при тем­
пературе 20 °С; /2 = 36,8 м - длина проводника секции КО в соот-
ветствии с [ 5 ] ; q f 1 = 4,67 м м - эффективное сечение проводника
2
e
КО [ 5 ] .
Электрические потери в КО в функции выпрямленного тока
Р
Е2
= NR
2
(1 + K(T - 2 0 ) ) ) ^ - !
\
2
j
= 3 4 2 , 4 Вт,
(2.13)
где N = 9 - число пар СКЛ (или число секций КО), на которое по­
строен УВ с ТВМП.
Суммарные потери мощности в ТВМП:
АРтр = Д , т р + РЕ1 + РЕ2 = 8 6 4 , 4 Вт;
АРгр = Рм.гр +
+ PE2 = 854,5 Вт.
.
3. И С С Л Е Д О В А Н И Е Д В У М Е Р Н О Й М О Д Е Л И
ТРАНСФОРМАТОРА С ВРАЩАЮЩИМСЯ
МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В ПРОГРАММЕ ANSYS
3.1. Общие сведения о тепловом моделировании
в программе ANSYS
При решении тепловых задач вычисляются распределения тем­
ператур (температурные поля) и соответствующие (рассматривае­
мой 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 многочислен­
ных инженерных приложениях, включая двигатели внутреннего
сгорания, турбины, теплообменники, насосы и компоненты элек¬
тронных схем. Во многих случаях тепловой расчёт предшествует
расчёту на прочность, что позволяет определить термические
напряжения, т.е. напряжения, обусловленные тепловым расшире¬
нием или сжатием.
Основой теплового анализа в ANSYS является уравнение теп¬
лового баланса, основанное на законе сохранения энергии. Конеч¬
но-элементное решение, получаемое с помощью ANSYS, опреде¬
ляет температуры в узлах, которые затем используются для полу¬
чения других тепловых величин. Программа ANSYS позволяет
рассчитывать все три вида теплообмена: теплопроводность, кон¬
векцию и лучистый теплообмен.
С целью получения сопоставимых результатов были использо¬
ваны 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 ка¬
налов.
3.2. Описание построения модели ТВМП
с трапецеидальными формами пазов
3.2.1. Описание двумерной модели
Конструкция ТВМП состоит из двух магнипроводов - наруж¬
ного и внутреннего (рис. 3.1). Конструкция наружного магнитопровода выполняется в виде кольца, на котором не предусматри¬
ваются пазы. Внутренний магнитопровод содержит глубокие пазы,
в которых производится укладка трёхфазной обмотки, на входы
которого подаётся первичное трёхфазное синусоидальное напря¬
жение, и круговая обмотка, с диагональных отводов которой сни¬
мается выпрямленное напряжение. В ярме внутреннего магнитопровода выполняются вентиляционные каналы для дополнитель¬
ного охлаждения конструкции.
В каждом пазе внутреннего магнитопровода располагаются
двухслойные обмотки, разделённые изоляцией из материала, отно¬
сящегося к плёнкостеклопластам - имидофлекса (рис. 3.2). Изоля¬
ция паза от проводника также выполняется из имидофлекса. Про¬
водники ТО и КО выполнены из набора медных проводов, скручен¬
ных в токоведущую жилу. Для упрощения изображения двумерной
модели токоведущая жила, образующая ТО, принята за единую по¬
верхность 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.
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 магни­
топровода
Высота шлицы во внутреннем магнито­
проводе
Ширина воздушного зазора
Высота наружного ярма
Внешний диаметр наружного магнито­
провода
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 использо­
вались 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 осу­
ществляется 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 обла¬
сти проводника КО и ТО, изоляции, клина и шлицы, то для каждо¬
го 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 фор¬
му и размеры, то удобнее всего было использовать отдельно соз¬
данную геометрию половины паза, зубцовой зоны, части воздушно¬
го зазора и наружного магнитопровода, которая в последствии с по¬
мощью логической операции отражения была использована для
формирования геометрии полного паза. А уже после этого скопиро¬
вана нужное число раз по окружности в зависимости от заданного
числа пазов ТВМП.
Создание сектора окружности выполняется с помощью следу¬
ющей 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).
И Circular Area by Dimensions
[PCIRC] Circular Area by Dimensions
RADl
Outer radius
| 0,0916
RAD2
Optional inner radius
1°
THETAl Starting angle (degrees)
THETA2 Ending angle (degree?)
OK
Apply
| 90
Cancel
Help
1
Рис. 3.3. Диалоговое окно создания
сектора окружности
Аналогичный результат может быть получен с помощью команды
PCIRC, Radl, Rad2, Thetal, Theta2.
Именно данная команда была использована в программе созда­
ния 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 пазо­
вой области, то удобнее всего формировать геометрию паза и зуб­
ца с помощью логической операции «отражение». Выполнить её
можно следующим образом:
1. Определить ось симметрии. Для этого область рабочего пла­
на Work Plane повернуть относительно оси X Y на угол 5° (для
ТАМП на 18 пазов), а относительно оси Y Z на 90°. Данная опера¬
ция выполняется с помощью команды меню
WorkPlane > Offset WP by Increments...
В появившемся окне выставить требуемые параметры относи­
тельно оси X Y - 5,0,0 (3.333,0,0), применить их (Apply), затем от­
носительно оси Y Z - 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.
Offset WP
Lx-J LtxJ
Ш
•Y I
1 z- | •z I
JJ
J
Reflect A r e a s
1
Snaps
X.Y,ZOflsets
(• P i c k
f*
Unp i ck
(* S i n g l e
Г
Bo.
Г
Circle
Г
Г
I
Polygon
Loop
fl+Y|
|Z-(V| •0 *z I
Maximum
=
1107
Minimum
=
1
A r e a No. =
30
J
•
Count.
Ix-ol
I V-01
L i s t of Items
J
J
Г
Min, Ha , I n c
Degrees
X Y . Y Z . Z X Angles
I
|5.0.C|
Global X=
0
Y=
0
Z=
0
I »I
Apply
Reset
Cancel
|
Help
|
|
Pick A l l|
I
|
Dynamic Mode
I-I
Reset
|
Help
|
а
Apply
|
Cancel |
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 поверхно­
сти, которые необходимо отразить, то выделить их все с помощью
кнопки Pick A l l (рис. 3.4, б), а ось зеркала указать Z (рис. 3.4, в).
Нажать кнопку OK.
4. В конце необходимо обязательно вернуться к исходной си¬
стеме координат с помощью команды
WorkPlane > Change Activ C S to > Global Cartesian.
3.2.4. Копирование поверхностей паза и зубцовой зоны
модели ТВМП
Так как поверхности паза имеют одинаковые размеры, то по¬
строить модель всех пазов и зубцовых зон удобнее всего с помо¬
щью операции копирования.
1. Первоначально необходимо перейти к цилиндрической си¬
стеме 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 поверхно¬
сти, которые необходимо отразить, то выделить их все с помощью
кнопки Pick A l l (рис. 3.5, a), далее указать количество копий - 18,
так как построение происходит для ТВМП на 18 пазов, и через ка­
кой угол их размещать - 20° (рис. 3.5, б). Нажать OK.
(* P i c k
С
(* S i n g l e
Г Box
С
Polygon
С
Г
Loop
Unpick
Circle
Count
-
0
Maximum
=
1107
Minimum
-
1
A r e a Ыо. =
(* L i s t of I t e m s
С Min, Ha*
1
K
1 ° 1
Reset
|
Pick A l l
а
Apply
|
Cancel
|
Help
|
б
Рис. 3.5. Окна выделения области для копирования (а) и указания числа
копий и параметров копирования (б)
3. В конце необходимо обязательно вернуться к исходной си¬
стеме координат с помощью команды
WorkPlane > Change Activ CS to > Global Cartesian.
3.2.5. Создание поверхностей магнитопровода
и вентиляционных каналов
Поверхности, описывающие внешний магнитопровод, создают­
ся аналогично п. 3.2.2. Воздушный зазор проще всего сформиро¬
вать 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 опера¬
ция 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 по¬
мощью команды построения поверхности по линиям, описываю¬
щим 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 по¬
верхностей, в результате чего убираются лишние линии и узлы в
области соприкосновения и формируются новые поверхности.
Чтобы сократить итоговую нумерацию узлов, линий и поверхно¬
стей, необходимо выполнить операцию по компрессии номеров
узлов, линий и поверхностей.
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 A l l , чтобы выделить все поверхности для склейки.
Компрессия номеров ключевых точек, линий и поверхностей
выполняется с помощью команды:
Main Menu > Preprocessor > Numbering Ctrl > Compress Numbers.
Glue Areas
(• P i c k
С
С
Unpick
Single
Г Box
Polygon
С
Circle
Г loop
Count
=
Ha^imum
=
Minimum. =
•
г
г
A r e a No. =
(• L i s t of Items
С Min, Нал , I n c
1
K
1 ° 1
Reset
|
Pick A l l |
а
Apply
|
Cancel
|
Help
|
б
Рис. 3.6. Диалоговое окно склейки поверхностей (а)
и компрессии номеров (б)
В открывшемся окне (рис. 3.6, б) необходимо указать, для ка¬
ких 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.
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 опреде¬
лить материалы, из которых выполнены поверхности, входящие в
двумерную модель ТВМП, и их свойства, необходимые для тепло¬
вого анализа: теплопроводность, теплоёмкость и плотность. В ма¬
териале 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).
Рис. 3.8. Диалоговое окно выбора тепловых характеристик
Материал 1 - изоляция пазов, клинья, межслойная изоляция.
Для данных материалов применяются следующие параметры:
плотность Density р = 1700 кг/м ; теплоёмкость Specific Heat
С = 1500 Дж/(кгК); теплопроводность Thermal conduct (isotropic)
Х = 0,39 Д ж / ( м К ) .
3
2
Материал 2 - параметры магнитопроводов. Для электротехниче¬
ской стали принимаются следующие параметры: плотность Density
р = 7770 кг/м ; теплоёмкость Specific Heat С = 426 Дж/(кгК); теп­
лопроводность Thermal conduct (isotropic) А, = 15 Дж/(м К).
3
2
Материал 3 - параметры проводников ТО и КО. Так как об­
ласть пазов, в которые уложены ТО и КО, заняты не целиком мед¬
ным проводником, а уложены с определённой плотностью, причём
плотность укладки проводников с трапецеидальной и грушевид­
ной формами паза отличается, то получение тепловых параметров
данных обмоток необходимо рассмотреть подробнее (см. п. 3.3.3).
Материал 4 - воздух. Для данных материалов применяются сле¬
дующие параметры: плотность Density р =1,2041 кг/м ; теплоём¬
кость Specific Heat С = 1005 Дж/(кгК); теплопроводность Thermal
conduct (isotropic) А, = 0,026 Дж/(м К).
3
2
3.3.3. Определение параметров трёхфазной и круговой обмоток
для ТВМП с трапецеидальными формами пазов
Особенности укладки проводников при намотке и наличии изо­
ляции проводников обусловливают неоднородность тела катушки
(металл проводника, изоляционный покров проводника, проме­
жутки 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 замеща­
ющем теле катушки. При этом сложную действительную картину
путей теплового потока в толще катушки заменяют упрощенной,
когда тепловой поток проходит через однородное тело с коэффи­
циентом теплопроводности X3 (коэффициент теплопроводности
замещающего тела катушки). Расчет величины X3 лучше всего
производить на основе опытных данных. Для проводников, изоли¬
рованных различными изоляционными материалами, с разными
толщинами изоляции и размерами поперечного сечения проводни¬
ка коэффициенты теплопроводности X3 замещающего тела ка­
тушки будут различными. Кроме того, большое влияние на вели­
чину X3 оказывают пропитка толщи катушки изоляционными ла¬
ками и качество намотки (плотность намотки, рядность). Коэффи¬
циент теплопроводности X3 замещающего тела для непропитанных катушек, намотанных медными проводниками, круглого сечения при рядовой намотке может быть выражен следующей эмпи¬
рической формулой:
где Х - коэффициент теплопроводности изоляции обмоточного
и
провода; Х - коэффициент теплопроводности воздуха; d - диа­
метр проводника; 5 - толщина изоляции на проводнике.
в
Для пропитанных катушек рекомендуется другая эмпирическая
формула:
где Х - средний коэффициент теплопроводности изоляции про­
водника и пропиточного лака, заполняющего промежутки между
соседними проводниками.
и
Значения коэффициентов теплопроводности изоляции различ­
ных проводников сведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2. Коэффициенты теплопроводности изоляции
различных обмоточных проводников
Марка
провода
Теплопровод­
ность изоля­
ции провода,
Вт/(см -°С)
Диапазон
температур
при опы­
тах
Марка
провода
0,00122
0,00129
0,00157
50-140
50-140
150-350
ПСД
ПБД
ПЭЛ
2
ПЭВ
ПЭТВ
ПСДК
Теплопровод¬
ность изоля­
ции провода,
Вт/(см -°С)
Диапазон
температур
при опы¬
тах
0,00222
0,00130
0,00080
100-250
50-140
50-140
2
В соответствии с указанной формулой можно определить тепло­
проводность для ТО и КО:
= 1,45^12,9 • 0 , 0 2 6 ^ - 0 0 5 L . + 1 J - 1 , 5 7 • 0,026 = 4 , 2 1 9 ,
2
где Х = 12,9 В т / ( м К ) - коэффициент теплопроводности изоляции
обмоточного провода; Х = 0,026 В т / ( м К ) - коэффициент тепло­
проводности воздуха; d = 1,36 мм - диаметр проводника; 5 =
= 0,055 мм - толщина изоляции на проводнике.
и
2
в
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 за­
дать как р б = 0 , 7 5 р = 6 7 2 0 кг/м , где р = 8960 кг/м - плотность
меди.
о
м
м
Теплоёмкость укладки в ТВМП с трапецеидальными формами
пазов также можно определить как усреднённое значение с учётом
плотности
укладки
медного
провода
в паз, то
есть
= 0,75См + 0,25Св = 540 Дж/(мК), где См = 386 Дж/(кгК) теплоёмкость меди, С = 1005 Дж/(кгК) - теплоёмкость воздуха.
в
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 вы¬
делить поверхности с одинаковыми типами элементов и материа¬
лов:
1) поверхности, соответствующие пазовой изоляции, шлицам,
клиньям внутреннего магнитопровода - тип элементов 1, тип мате¬
риала 1;
2) поверхности, соответствующие магнитопроводам, - тип эле¬
ментов 1, тип материала 2;
3) поверхности, соответствующие проводнику КО или ТО, - тип
элементов 2, тип материала 3;
4) поверхности, соответствующие воздушному зазору, вентиля¬
ционным каналам, - тип элементов 1, тип материала 4.
3.3.5. Разбиение на элементы
Перед разбиением поверхности на элементы необходимо от¬
крыть окно MeshTool (рис. 3.9, а), для этого необходимо восполь¬
зоваться 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 прямо¬
угольные элементы; далее производим последовательное свобод¬
ное разбиение поверхностей на элементы. На рис. 3.9, б и пред-
ставлен фрагмент сечения модели с сеткой конечных элементов.
Параметры модели ТВМП с трапецеидальной формой паза соста¬
вили: 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 следу¬
ющие объекты:
1. Элементы проводника фаз ТО-ТО;
2. Элементы проводника секций КО-КО.
Перед выполнением расчёта необходимо указать единицы из¬
мерения 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 вентилято¬
ров - принудительная система охлаждения (данный метод следует
применять в случае тепловыделения больше 200...300 Вт) [5]. За¬
дание коэффициента теплоотдачи выполняется по команде
Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply >
> Thermal > Convection > On nodes.
Диалоговое окно задания коэффициента теплоотдачи (конвек¬
ции) представлено на рис. 3.10.
[SF] Apply Film Coef on nodes
|o„,,,„,.„ ,
U
If Constantvsluethen:
VAU Film coefficient
10
[SF] Apply Bulk Temp or nodes
(constant value
If Constantvaluethen:
VAL2I Bulk temperature
|2°l
— 1
Рис. 3.10. Диалоговое окно задания
коэффициента теплоотдачи
В данном окне коэффициент теплоотдачи выставляется в стро­
ке V A L I , и он может принимать значение от 10 (естественная кон­
векция) до 150 и выше в случае применения принудительного
охлаждения в зависимости от способа. Параметр V A L 2 I 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 тепловыделе­
ния Heat General В этом случае интенсивность объемного тепло­
выделения рассматривается как «массовая нагрузка» и представля¬
ет собой тепло, выделяющееся внутри элемента вследствие проте¬
кания электрического тока. Размерность объемного тепловыделе¬
ния есть количество тепла, отнесённое к единице времени и к еди¬
нице 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
В случае исследования режима холостого хода интенсивность
объёмного тепловыделения задаётся только для фаз ТО, а при ис­
следовании режимов работы под нагрузкой тепловыделение ука­
зывается для ТО и КО.
Для нахождения значений объемного тепловыделения необхо¬
димо потери, вычисленные для обмоток в разных режимах, приве¬
сти к общему объёму проводника:
- для режима холостого хода в ТО
p x x . 3600
=
3,2. 3 6 0 0 = 11560
=
Дж,
для КО
Q™
= РЕ2 .3600 = 0 ,
Х
так в в этом режиме КО отключена;
- для режима работы под нагрузкой соответственно:
Q
Q
T O
K O
=p
= P
E 1
E2
. 3600 = 277,5. 3600 = 998900
. 3600 = 342,4. 3600 = 1233000
Дж,
Дж.
Для расчётов необходимо вычисленное тепловыделение приве¬
сти 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:
= 160,6
QTO сек
Q
xx
= ^ш.=0,
Q
а в режиме работы под нагрузкой:
Q
L
= 13870
Дж;
Q
L
= 17120
Дж.
QTO сек = 7 2
QKOсек = 7 2
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 тепло­
вые величины при стационарных граничных условиях. Стационар­
ные 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 пери¬
ода 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 соответство¬
вать тепловыделению в модели на конец периода. В случае необ¬
ходимости просмотра поэтапного нагрева исследуемой модели
рекомендуется использовать переходный анализ - Transient. По­
следний вид анализа Substructuring применяется для вычисления
совместных задач, что позволяет рассчитывать тепловые эффекты
вместе с другими явлениями.
С
Transient
С Substructuring
OK
J
Cancel
|
Help
|
Рис. 3.12. Диалоговое окно задания типа анализа
Расчёт созданной модели запускается с помощью строки меню
Maim Menu > Solution > Solve > Current L S .
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 распола¬
гаются 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 изоб¬
ражения двумерной модели токоведущая жила, образующая ТО,
принята за единую поверхность с одинаковыми свойствами и па¬
раметрами. Изоляция ТО от КО осуществляется с помощью мягко¬
го клина, выполненного из сложенного в несколько слоёв имидофлекса.
Рис. 3.13. Двумерная модель ТВМП с грушевидной формой паза
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
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 использо­
вались 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 осуществ¬
ляется заданием начального и конечного радиусов, а также началь¬
ного 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 обла¬
сти проводника КО и ТО, изоляции, клина и шлицы, то для каждо­
го 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;
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 ло¬
гической 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 рисова¬
ния, то для его создания использовалась последовательность опе¬
раций рисования секторов окружности в рабочей плоскости, по¬
строение отрезков, соединяющих две точки, и формирование по¬
верхности по периметру, ограниченному линиями.
После завершения построения паза необходимо выполнить ко¬
пирование его по кругу, данный процесс подробно был рассмот¬
рен в п. 3.2.4.
Далее производится построение зубцов воздушного зазора, ярм
внешнего и внутреннего магнитопроводов, а также вентиляцион¬
ных 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, элек¬
тротехнической стали и воздуху соответственно, остаются такими
же, как и для случая ТВМП с трапецеидальными пазами, измене¬
ния 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.
Рис. 3.15. Геометрия магнитопровода ТВМП
с грушевидной формой паза на 18 пазов
Материал 3 - проводниковая область ТО и КО: плотность Densi­
ty р = 5824кг/м ; теплоёмкость Specific Heat С = 603 Дж/(кгК);
теплопроводность Thermal conduct (isotropic) А, = 4,219 Дж/(м К).
3
2
3.4.4. Тепловой анализ в двумерной модели ТВМП в ANSYS
Определение типов элементов и материалов выполняется ана¬
логично 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 ко¬
нечных элементов. Параметры модели ТВМП на 18 пазов состави¬
ли: 1149 точек, 1759 линий, 613 поверхностей, 101485 узлов сетки,
33592 элемента сетки.
После конечно-элементного разбиения модели необходимо со¬
здать компоненты обмоток, объединяющие систему фаз ТО и сек¬
ций КО, как и в п. 3.3.6.
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 2 0 (ТВМП работает с включенной
системой воздушного охлаждения). Температура окружающей
среды остаётся прежней, равной 2 0 °С.
Нагрузку, которую необходимо подать на поверхности обмо¬
ток, вычисляем исходя из общего числа поверхностей модели,
приходящихся на ТО - 7 2 и КО - 90.
Значения объёмного тепловыделения вычисляются аналогично
п. 3.3.8 и составляют те же значения:
- в режиме холостого хода для ТО
= 11560 Дж, а для КО
QKO = 0 , так как в этом режиме КО отключена;
- в режиме работы под нагрузкой эти же параметры составят
Q
T O
= 9 9 8 9 0 0 Дж, Q
K O
= 1 2 3 3 0 0 0 Дж.
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:
QTOсек
6
=
1 0,
6
Г) ХХ
йсОсек =
^
=
0
Д
ж
,
а в режиме работы под нагрузкой:
QTO сек = 7 2 = 13870 Дж,
Q
Q
KOсек
=
L
=
1 3 7 0 0
Д
ж
.
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). Темпе­
ратура окружающей среды принималась равной 20 °С.
Необходимо отметить, что при моделировании системы в режи¬
ме 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 допол¬
нительно необходимо включать принудительное охлаждение в виде
вентилятора, так как потери мощности (при которых для охлажде¬
ния будет ещё хватать естественной вентиляции) в трансформаторе
составят больше 200 Вт. Вследствие необходимости принимать во
внимание дополнительную систему охлаждения, в модели увеличи­
ваем параметр конвекции (см. п. 3.3.7) V A L I до 20, что соответству­
ет включенному вентилятору, подающему струю воздуха на систе­
му ТВМП со скоростью приблизительно 4.. .5 м/с. Однако в режиме
холостого хода потери на ТО не превышают и 5 Вт, поэтому коэф­
фициент теплоотдачи (конвекция) V A L I оставляем равным 10. Дан­
ное значение параметра задаёт естественное движение воздуха во¬
круг ТВМП в пределах 0 , 5 . 1 м/с, что характерно для производ¬
ственных помещений. В случае полного отсутствия движения воз¬
духа, например, если преобразователь с ТВМП будет находиться в
замкнутых помещениях с низкой степенью вентиляции, коэффици¬
ент теплоотдачи необходимо будет уменьшить до 5 и ниже.
В результате моделирования в режиме холостого хода получен¬
ная картина теплового поля для ТВМП с трапецеидальной и гру¬
шевидной формами пазов представлена на рис. 3.17, а суммарного
вектора теплового потока - на рис. 3.18. Тогда как результаты мо¬
делирования 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 рабо¬
ты трансформатора приведены в табл. 3.4.
Однако немаловажным является, как поведёт себя ТВМП в
плане тепловых характеристик спустя 8 часов беспрерывной рабо¬
ты. В связи с этим разработанная модель была проверена с учётом
выделяемой и компенсированной за счёт теплоотвода с воздушно¬
го 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 век¬
тор теплового потока соответственно для ТВМП с трапецеидаль¬
ными и грушевидными формами пазов. Численные значения дан¬
ных 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 по¬
тери мощности в трансформаторе в режиме холостого хода незна¬
чительны.
Рис. 3.19. Тепловое ноле (°С) ТВМП е трапецеидальной (а) и грушевидной (б)
формами пазов в режиме работы под нагрузкой
Рис. 3,21. Тепловое поле (°С) ТВМП с трапецеидальной (а) и грушевидной (б)
формами пазов спустя 8 часов работы под нагрузкой
a
.an
Рие. 3.22. Суммарный вектор теплового потока в ТВМП е трапецеидальной (а)
и грушевидной (б) формами пазов спустя 8 часов в режиме работы под нагрузкой
3.4. Значения температуры в основных узловых точках моделей ТВМП через час работы, °С
Режим работы ТВМП
Режим работы ТВМП
с трапецеидальными пазами
с грушевидными парами
Расположение узловой точки
Холостой ход
Под нагрузкой
Холостой ход
Под нагрузкой
Центр ярма ВМ
20,113
37,615
20,088
34,694
Вентиляционный канал
20,030
22,084
20,029
22,328
20,089
35,009
Нижняя зубцовая зона ВМ
20,116
38,176
37.691
Верхняя зубцовая зона ВМ
20,119
20,090
34,674
20.089
38,572
35,047
Круговая обмотка
20,117
Трйхфазпая обмотка
20,124
38,282
20,091
34,786
Клин
20,118
36,840
20,086
33,344
Воздушный зазор
20,102
33,454
20,082
32,504
Середина ярма НМ
20,089
30.332
20,066
28,528
30,169
Внешняя поверхность НМ
20,088
20,065
28,283
Таблица
3.5. Значения температуры в основных узловых точках моделей ТВМП через 8 часов работы
под нагрузкой, °С
Режим работы ТВМП
Режим работы ТВМП
Расположение узловой точки
с трапецеидальными пазами
с грушевидными пазами
Центр ярма ВМ
97,282
94,565
Вентиляционный канал
32,246
28,823
Нижняя зубцовая зона ВМ
99,516
96,823
Верхняя зубцовая зона ВМ
97,756
95,422
Круговая обмотка
100,16
97,707
Трехфазная обмотка
98,773
96,766
Клин
90,194
91,898
Воздушный зазор
85,819
77,577
Середина ярма ИМ
65,037
64,216
Внешняя поверхность НМ
63,746
63,517
Таблица
^1
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 энер¬
гии. 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 подвер¬
гается дополнительному нагреву.
Трёхфазная обмотка обладает лучшими геометрическими ха¬
рактеристиками, так как она располагается в самом верху пазовой
зоны в непосредственной близости от воздушного зазора, что поз¬
воляет несколько увеличить отток выделяемой тепловой энергии.
Более того, в ТО изначально закладывается плотность тока ниже,
чем в КО.
Наименьшему нагреву из магнитной конструкции ТВМП под¬
вергается наружный магнитопровод. В его конструкции отсут¬
ствуют обмотки, которые могли бы внести дополнительные потери
энергии и усилить нагрев. Тем не менее нагрев НМ осуществляет¬
ся за счёт передачи энергии из соседнего внутреннего магнитопровода, который подвергается наибольшему нагреву от присутству¬
ющих в нём обмоток. Но величина такого нагрева НМ не так зна¬
чительная по сравнению с ВМ ТВМП и составляет приблизитель¬
но 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, зало¬
женных классом нагревостойкости его элементов. Данные резуль¬
таты подтверждают предварительные расчёты ТВМП, предложен¬
ные в методике [5], что свидетельствует о хорошем качестве рас¬
смотренного трансформатора в плане тепловых режимов работы.
4. И С С Л Е Д О В А Н И Е Т Р Ё Х М Е Р Н О Й М О Д Е Л И
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 A N ­
SYS разработаны функции, позволяющие создать трёхмерную мо¬
дель 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 па¬
зов для двумерной модели ТВМП с трапецеидальными и груше¬
видными 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 фигу¬
рировали уже данные виды изоляции (рис. 4.1).
а
б
Рис. 4.1. Укрупнённые пазы ТВМП с трапецеидальными (а)
и грушевидными (б) формами пазов
Данное укрупнение позволило сократить количество критиче­
ских поверхностей и несколько укрупнить сетку двумерной моде­
ли. Выполнялись данные действия для того, чтобы сократить ко­
личество критических поверхностей, а впоследствии и объёмов,
размеры сторон которых меньше или примерно равны критиче­
ским (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 по­
верхностей переприсвоить атрибуты - тип материала; данную опе­
рацию необходимо выполнять, так как после логического сложе¬
ния поверхностей предыдущие типы материалов заново устанав¬
ливаются по умолчанию равными первому материалу и первому
типу элементов. Но если тип элементов в модели был задан только
один, следовательно, не было необходимости его менять, то мате¬
риалов в модели трансформатора введено 4, причём первый номер
соответствовал изоляции проводника, пазов и клиньям. В преобра¬
зованной модели изоляцию пазов, проводника и междуслойную
исключили. Остались только клинья, которым задавался тип эле­
ментов 1. Присвоение номера материала для изменённых поверх¬
ностей выполнялось аналогично п. 3.3.4 с помощью команды
Main Menu > Meshing > Mesh Attributes > Picked Areas.
Далее необходимо было изменить или заново определить пара¬
метры разбиения модели на конечные элементы, так как после ло¬
гической операции сложения все предыдущие настройки для объ¬
единённых элементов стираются. Для этого необходимо восполь¬
зоваться пунктом меню
Main Menu > Meshing > Mesh Tool
для вызова окна настройки параметров и разбиения на конечные
элементы Mesh Tool. Так, например, для настройки плотности уз¬
лов 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 трапеце¬
идальными формами пазов составили: 538 точек, 1047 линий,
516 поверхностей, 32327 узлов сетки, 10800 элементов сетки.
Параметры обновлённой двумерной модели ТВМП с груше¬
видными формами пазов составили: 1040 точек, 1370 линий,
334 поверхности, 37345 узлов сетки, 12364 элемента сетки.
По окончании разбиения модели на конечные элементы необ¬
ходимо 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.
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 конеч­
ных элементов, сформировать трёхмерную модель методом вытя­
гивания поверхности вдоль линии, первоначально необходимо по­
строить линию, вдоль которой будет происходить вытягивание.
Построение лини происходит в два этапа:
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 точ¬
ки: (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. Нажимает­
ся 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 необ¬
ходимо создать новый тип элементов, соответствующий принято¬
му типу элементов для двумерной модели. Так как двумерная мо¬
дель была разбита типами элементов PLANE77, то соответствую­
щий ему трёхмерный конечный элемент - это SOLID90. Выбор
элемента аналогичен п. 3.3.1 (рис. 4.4).
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 со¬
здано, при вытягивании поверхности в объём формирующиеся ко¬
нечные элементы вместе с объёмом будут иметь указанный тип
элементов - SOLID90.
По окончании всех приведённых ранее действий можно при¬
ступать непосредственно к вытягиванию двумерной модели в объ¬
ём. 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 дан­
ном окне необходимо нажать кнопку Pick All,
так как выбираются все поверхности для вытя¬
гивания.
Рис. 4.5. Диалоговое окно выбора поверхностей
для вытягивания и линий, вдоль которых выполня¬
ется вытягивание
После этой операции появляется второе окно, аналогичное пер¬
вому, только теперь необходимо указать линию, вдоль которой бу¬
дет 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 трапеце¬
идальными и грушевидными формами пазов, полученные в резуль¬
тате всех вышеперечисленных действий представлены на рис. 4.6.
Параметры трёхмерной модели ТВМП с трапецеидальными
формами пазов составили: 1076 точек, 2629 линий, 2076 поверхно­
сти, 516 объёмов, 894147 узлов сетки, 226800 элементов сетки.
Параметры трёхмерной модели ТВМП с грушевидными фор¬
мами пазов составили: 1088 точек, 2257 линий, 1526 поверхностей,
333 объёма, 1034065 узлов сетки, 259644 элемента сетки.
Полученные модели трёхмерных элементов имеют по умолча¬
нию 2-й тип элементов, так как он единственный подходит для
трёхмерной модели, и 1-й тип материалов. Для дальнейшего моде¬
лирования тепловых процессов всем элементам необходимо при¬
своить соответствующий номер материала. Ранее были созданы и
присвоены материалы поверхностям: 1 - для клиньев, 2 - для магнитопровода, 3 - для проводников трёхфазной и круговой обмо­
ток, 4 - воздушный зазор. Аналогичные типы материалов необхо¬
димо задать соответствующим объёмам.
Для выполнения этих операций (например, для присвоения со­
ответствующим объёмам материала с номером 2) необходимо бу¬
дет выполнить следующее:
1. Выбрать поверхности, соответствующие типу материала 2.
В меню пользователя выбирается пункт Select > Entities... Откры­
вается 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; убе­
диться в том, что активно поле From Full и нажать кнопку Apply.
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; убе­
диться в том, что активно поле From Full и нажать кнопку Apply.
3. Выбрать элементы, входящие в выбранные объёмы. Для это¬
го 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 необхо¬
димо модифицировать номер материала с 1 на 2. Выполняется это
с помощью команды
Main Menu > Preprocessor > Modeling > Move/Modify > Ele­
ments > 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 - Mate­
rial 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.
Рис. 4.10. Элементы модели, соответствующие магнию про водам ТВМП с трапецеидальными (а)
и грушевидными (б) формами пазов
Рис. 4.11. Элементы модели, соответствующие области ТО и КО в ТВМП с трапецеидальными (а)
и грушевидными (б) формами пазов
Рис. 4.12. Элементы модели, соответствующие воздушному зазору и вентиляционным каналам в ТВМП
с трапецеидальными (я) и грушевидными (б) формами пазов
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, необ¬
ходимо задать конвекцию (коэффициент теплоотдачи). Однако, в от¬
личие от двумерной модели, внешними границами ТВМП будут яв¬
ляться наружные поверхности магнитопроводов, клиньев и вентиля¬
ционных каналов, кроме того, параметры конвекции необходимо
установить на все внутренние узлы вентиляционных каналов.
Выполняется эта операция аналогично п. 3.3.7, но предваритель¬
но 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 ре¬
жима холостого хода значения коэффициента теплоотдачи соот¬
ветствуют естественной конвекции (VALI = 10), а при работе под
нагрузкой указать конвекцию, характерную работе с охлаждаю¬
щими вентиляторами, то есть V A L I = 20. Параметр VAL2I, отве¬
чающий 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, обра¬
зующие 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.
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 вра¬
щающимся магнитным полем в режиме под нагрузкой, когда он ра¬
ботает 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 вклю¬
чать систему охлаждения, в этом случае надо задать параметр кон¬
векции V A L I = 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 ха¬
рактерных 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 кру¬
говой 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.
ON
ON
ON
00
а
б
Рис. 4.16. Распределение температуры в зубцах внутреннего магнито про вода
Рис. 4.19. Графики зависимости распределения
температуры внутри наружного магнитопровода
(1 - ТВМП с трапецеидальными формами пазов, 2 - с грушевидными)
Т, °С
30,5
-I
1
1
1
о
0,05
с:
о,15
Рис. 4.20. Графики зависимости распределения
температуры в области пазовых клиньев
1
а,г1,
м
3^,9
3^,8
2 к
С. 15
С,2
Рис. 4.21. Графики зависимости распределения температуры
в фазах трёхфазной обмотки
М
34,2
-I
,
,
,
О
0,05
С.1
0,15
1
0,2
I,
м
Рис. 4.23. Графики зависимости распределения температуры
в зубцах внутреннего магнитопровода
Таблица 4.1. Значения температуры в основных узловых точках моделей ТВМП
с трапецеидальными t юрмами пазов с шагом 0,05 м, °С
Точка замера, м
Расположение узловой точки
0
0,05
0,1
Наружный магнитопровод
27,693
27,986
28,056
Клин
31,993
34,017
34,483
Фазы ТО
35,154
35,017
35,238
Секции КО
34,681
35,191
35,381
Зубцы внутреннего магнитопровода
34,959
35,814
35,6
Ярмо внутреннего магнитопровода
34,256
35,075
35,136
0,15
27,986
34,017
35,166
35,166
35,6
34,996
0,2
27,644
32,07
34,923
34,689
34,959
34,354
Та(тща 4.2. Значения температуры в основных узловых точках моделей ТВМП
е грушевидными формами пазов е шагом 0,05 м, "С
Расположение узловой точки
Наружный магнитопровод
Клин
Фазы ТО
Секции КО
Зубцы внутреннего магнитопровода
Ярмо внутреннего магнитопровода
^1
0
27,848
30,787
34,827
34,367
34,605
33,473
0,05
28,086
33,869
35,034
34,899
35,158
34,278
Точка замера, м
0,1
28,138
34,395
35,107
35,181
35,188
34,586
0,15
28,012
33,869
34,965
34,937
34,952
34,18
0,2
27,683
30,787
34,654
34,488
34,334
33,477
Анализ приведённых тепловых полей их трёхмерного модели­
рования показал, что наибольшему нагреву в ТВМП обеих кон­
струкций 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 распола­
гаются ближе всего к токоведущим частям (обмоткам).
Наличие потока охлаждающего воздуха позволяет уменьшить
температуры на граничных поверхностях, таких как торцы и спин¬
ка 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 тра¬
пецеидальными формами пазов составляет 35,8 °С, а с грушевид­
ными формами пазов - 35,2 °С, что говорит о хорошей теплоотда¬
че 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 фор¬
мами 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 зало¬
женной 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 обмотка¬
ми, несколько ниже, чем объём круговых обмоток.
Как и в двумерном анализе, трёхмерный анализ конструкции
ТВМП подтвердил, что наименьшему нагреву из магнитной кон¬
струкции ТВМП подвергается наружный магнитопровод за счёт
передачи энергии из соседнего внутреннего магнитопровода. Од-
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 карти¬
ну распределения тепловой энергии внутри конструкции, но и вы¬
явить наиболее слабые зоны, где может происходить существен¬
ный перегрев конструкции.
Использование конечно-элементного расчёта, связанного с теп¬
ловым 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.
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 повышен¬
ной плотностью тока, принятой изначально в расчётах конструкции;
3) наименьшему нагреву из магнитной конструкции ТВМП под¬
вергается наружный магнитопровод, так как он не содержит обмо¬
ток, 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, заложен¬
ных классом нагревостойкости его элементов;
5) результаты трёхмерного теплового анализа показали, что ве¬
личины нагрева трёхфазной и круговой обмоток приблизительно
равны, несмотря на то, что потери энергии в круговой обмотке не¬
сколько выше, что связано с учётом объёма источника выделяемой
энергии, а у круговой обмотки он больше, чем у трёхфазной;
6) распределение тепла внутри трансформатора вне зависимо¬
сти от того, в каких частях производились замеры, носит парабо¬
лический характер с пиковым значением в середине конструкции;
7) ТВМП с трапецеидальными формами пазов подвержен боль¬
шему 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;
8) применение трёхмерного анализа при моделировании тепло¬
вых процессов в устройствах позволяет не только лучше понять
картину распределения тепловой энергии внутри конструкции, но
и выявить наиболее слабые зоны, где может происходить суще¬
ственный перегрев конструкции;
9) программа A N S Y S является надёжным инструментом позво¬
ляющим проверять корректность аналитических методов расчёта
тепловых характеристик ТВМП.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Буль О.Б. Методы расчёта магнитных систем электрических аппа­
ратов. М.: Академия, 2006. 288 с.
2. Буткевич Г.В., Дегтярев В.Г., Сливинская А.Т. Электрические аппа­
раты. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1987.
3. Каплун А.Б., Морозов Е.В., Олферьева М.А. ANSYS в руках инже­
нера. 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 про­
ектирования трансформаторов с вращающимися магнитными полями:
доклад на XL Ломоносовских чтениях, Северодвинск, 2011.
6. Лимонникова Е.В., Черевко А.И. Двумерная модель магнитопрово­
да ТВМП в программной среде ANSYS: программа № 50200601594, заре­
гистрирована во ВНТИЦ РФ 11.09. 2006, 28 с.
7. Лимонникова Е.В., Черевко А.И. Исследование электромагнитных
характеристик трансформаторов с вращающимся магнитным полем ме¬
тодом 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 маг¬
нитными 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.
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
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
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 60x84/16.
Усл. печ. л. 4,8. Тираж 100 экз. Заказ № 2207.
Издательский дом ФГАОУ ВПО САФУ
163060, г. Архангельск, ул. Урицкого д. 56
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа