Реферат диссертация 152 стр, 75 рис, 19 табл, 116 библ. Ключевые слова. Тепловой анализ, параметрическая генерация цепных моделей, электрические схемы замещения, неоднородность магнитного поля, распределительные трансформаторы, системы инженерного анализа cae системы.
 Скачать 6.09 Mb.
|
|
2 РЕФЕРАТ Диссертация 152 стр, 75 рис, 19 табл, 116 библ. Ключевые слова. Тепловой анализ, параметрическая генерация цепных моделей, электрические схемы замещения, неоднородность магнитного поля, распределительные трансформаторы, системы инженерного анализа (CAE- системы. Целью работы является повышение эффективности проектирования распределительных трансформаторов путем разработки и использования комбинированных моделей и методов теплового анализа в САПР трансформаторов. Объектами исследования являются распределительные трансформаторы сухого и масляного исполнения. Предметом исследования являютсятепловые процессы в активной части распределительных трансформаторов масляного и сухого исполнения. Приведен анализ моделей и методов теплового расчета активной части распределительных трансформаторов, разработаны математические модели для расчета потерь в обмотках трансформатора с учетом неравномерного распределения тока и модели для теплового расчета на основе разветвленных электрических схем замещения. Разработан метод параметрической генерации цепных моделей активной части распределительного трансформатора. Приведено описание структуры и функциональных возможностей разработанного программного комплекса, позволяющего производить тепловой расчет активной части распределительного трансформатора с различной степенью точности, быстродействия и визуализации результатов. Даны практические рекомендации по применению разработанного программного комплекса в процессе автоматизированного проектирования распределительного трансформатора. 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТОВ В САПР РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ 1.1. Инструментальная база для температурного анализа распределительных трансформаторов. 12 1.2. Математические методы моделирования тепловых процессов в трансформаторах. 16 1.2.1. Аналитический и численный методы решения задач сложного теплообмена в трансформаторах 1.2.2. Моделирование тепловых процессов в трансформаторах на основе электротепловой аналогии. 24 1.3. Обзор эмпирических методик теплового расчета распределительных трансформаторов 1.3.1. Методы расчета потерь энергии в трансформаторе. 29 1.3.2. Эмпирические методики для теплового расчета трансформаторов 31 1.4. Теоретическое обоснование компонентного состава и структуры подсистемы теплового анализа в САПР распределительных трансформаторов ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ И МЕТОДА РАСЧЕТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ОБМОТКАХ ТРАНСФОРМАТОРА 2.1. Разработка математической модели для расчета распределения потерь энергии в обмотках трансформатора 40 2.2. Разработка алгоритмов формирования и решения системы уравнений электрической цепи методом переменных состояния. 48 2.3. Разработка метода параметрической генерации и численного исследования цепных моделей. 61 2.4. Разработка метода расчета потерь в обмотках трансформатора с использованием комбинированной модели. 66 ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ 4 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ И МЕТОДА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ТРАНСФОРМАТОРА. 74 3.1. Разработка тепловой модели распределительного трансформатора на основе разветвленных электрических схем замещения 3.1.1. Структура многоуровневой математической модели для теплового расчета трансформатора. 74 3.1.2. Разработка уточненной тепловой модели обмоток трансформатора в среде Simulink…………………………………...…………… 76 3.1.3. Разработка уточненной тепловой модели обмоток с использованием библиотеки моделирования электрических цепей 79 3.1.4. Расчет параметров уточненной математической модели для теплового расчета трансформатора 82 3.1.4.1 Расчет тепловых сопротивлений теплопроводности 82 3.1.4.2. Расчет коэффициента теплоотдачи в сухих трансформаторах с учетом нелинейности. 85 3.1.4.3. Расчет коэффициента теплоотдачи в масляных трансформаторах с учетом нелинейности. 88 3.1.4.4. Расчет тепловых сопротивлений теплоотдачи излучением. 90 3.2. Разработка метода теплового расчета на основе уточненной математической модели трансформатора 91 3.2.1. Основные положения метода теплового расчета на основе уточненной математической модели трансформатора на основе разветвленных электрических схем замещения. 91 3.2.2. Параметрическая генерация и расчет цепной модели теплового состояния трансформатора. 92 3.2.3. Параметрическая генерация и численное исследование тепловой модели трансформатора в полевой постановке. 97 3.3. Тепловой расчет трансформатора с использованием уточненной математической модели трансформатора на основе схем замещения. 101 ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ. 106 4. РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО АНАЛИЗА В САПР ТРАНСФОРМАТОРОВ 4.1. Структура и принцип работы системы теплового анализа в САПР трансформаторов 4.2. Интеграция системы теплового анализа в САПР трансформаторов 5 4.3. Апробация системы теплового анализа в САПР трансформаторов 4.3.1. Тепловой расчет сухих трансформаторов слитой изоляцией типа ТСЛ 400 – 1600 кВА класса напряжения 10 кВ 113 4.3.2. Тепловой расчет герметичных масляных трансформаторов типа ТМГ 400 – 1600 кВА класса напряжения 10 кВ 120 ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ БИБЛИОГРАФИЯ ПРИЛОЖЕНИЯ 6 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. Для современного проектирования электротехнического оборудования, в частности, распределительных трансформаторов характерно требование постоянного повышения точности и скорости расчетов, а также снижение трудозатрат проектировщиков. Технологии проектирования трансформаторов в СССР были развиты до уровня, при котором реальный срок службы трансформатора составлял 40-50 лет, при стандартизованном сроке 25 лет. Такого рода результаты были достигнуты благодаря тому, что развитие нормативной базы для промышленного проектирования в трансформаторостроении в советское время носило системный характер. Центрами разработок являлись Всесоюзный институт трансформаторостроения (ВИТ) (г. Запорожье, Всесоюзный научно- исследовательский институт электромеханики (г. Москва, а также специализированные конструкторские бюро (СКБ) трансформаторных заводов. Результаты разработок методик проектирования оформлялись в виде руководящих технических материалов (РТМ), которые после апробации и корректировки на производственных предприятиях по выпуску трансформаторов, переходили в разряд руководящих документов (РД). Методики на основе РД были основным инструментом проектировщика трансформаторов вплоть до концах годов. После образования СНГ и перехода России в рыночную экономику развитие нормативной базы для промышленного проектирования трансформаторов перестало быть системным процессом. Разработка моделей и методов проектирования трансформаторов на государственном уровне прекратилась. Отработка появляющихся новых конструкторско-технологических решений в трансформаторах на эмпирическом уровне стало дорогостоящим затратным мероприятием. В тоже время в условиях мелкосерийного и штучного производства, особенно при проектировании специальных видов трансформаторов, необходимо одновременно повышать точность и скорость проектирования в связи со сжатыми сроками выполнения заказа. С учетом сказанного выше это приводит к необходимости использования при проектировании инструментов инженерного анализа на основе метода конечных элементов (систем, таких как ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, COSMOS, MARC и др. Такие системы позволяют рассчитать проектируемое устройство с учетом особенностей конструкции, неучтенных в РД. Однако полевые модели отличаются крайне низким быстродействием, что не позволяет использовать их при оптимизации трансформатора. Следует отметить, что наиболее важную роль при принятии проектных решений играют результаты тепловых расчетов трансформаторов. В связи с этим является актуальной задача разработки универсальных моделей и методов теплового анализа в САПР распределительных трансформаторов, позволяющих учесть особенности современных конструкций трансформаторов в процессе поиска оптимального решения. Диссертационная работа выполнялась в Ивановском государственном энергетическом университете. Цель работы заключается в повышении эффективности проектирования распределительных трансформаторов путем разработки и использования моделей и методов теплового анализа в САПР трансформаторов. Задачи, решаемые в диссертации 1. Разработка универсальной библиотеки моделирования электрических цепей. 2. Разработка уточненной математической модели для расчета потерь в обмотках трансформатора с учетом положения отдельных проводников и их частей в неоднородном магнитном поле. 3. Разработка уточненной математической модели теплового состояния трансформатора в стационарном режиме на основе электротепловой аналогии. Разработка программных средств для параметрической генерации электрических схем замещения физических процессов в трансформаторе. 5. Адаптация разработанных программных средств к использованию в САПР трансформаторов. 6. Разработка подсистемы теплового анализа САПР трансформаторов с возможностью проведения оптимизации трансформатора с использованием уточненной тепловой модели. 7. Интеграция подсистемы теплового анализа в САПР трансформаторов. Соответствие паспорту специальности. Работа соответствует паспорту специальности в части формулы специальности 05.13.12: Системы автоматизации проектирования – специальность, занимающаяся проблемами создания и повышения эффективности функционирования систем автоматизированного проектирования, управления качеством проектных работ на основе использования современных методов моделирования и инженерного анализа ... интеграции САПР в общую архитектуру автоматизированной проектно-производственной среды. Специальность включает принципы и методы, отличающиеся тем, что они содержат разработку и исследования научных основ проектирования, построения и функционирования интегрированных интерактивных комплексов анализа и синтеза проектных решений и систем создания проектной ... документации на изготовление, испытание и эксплуатацию сложных технических объектов, образцов новой техники и технологий. В части области исследования специальности 05.13.12 – пункту 1: Методология автоматизированного проектирования в технике, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР»; пункту 2: Разработка научных основ создания систем автоматизации проектирования ...»; пункту 3: Разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений пункту 4: 9 Разработка принципиально новых методов и средств взаимодействия проектировщик система. Объект и предмет исследования Объектом исследования является распределительный трансформатор. Предметом исследования являются численные модели тепловых процессов, протекающих в активной части распределительного трансформатора в стационарных режимах. Методы исследования Поставленные задачи решались с использованием положений теории теплопроводности и теории пограничного слоя, математического аппарата метода конечных элементов для расчета электромагнитного поля, формализованных методов расчета электрических цепей, моделирования на основе положений теории подобия, а также с использованием экспериментальных методов исследования. Научная новизна 1. Разработан метод параметрической генерации и численного исследования цепных моделей, отличающийся возможностью автоматизации процесса построения разветвленной электрической схемы физических процессов и организации численного эксперимента по заданному алгоритму и позволяющий осуществлять многократную перегенерацию цепных моделей на этапе оптимизации проекта. 2. Разработана модель и метод расчета потерь в обмотках трансформатора на основе комбинации модели магнитного поля и модели электрической цепи, отличающиеся возможностью учета положения отдельных проводников и их частей в неоднородном магнитном поле и связанных с этим эффектов неравномерности распределения тока. 3. Разработана модель и метод расчета теплового состояния распределительного трансформатора на основе электротепловой аналогии, отличающиеся возможностью автоматического построения и исследования разветвленных электрических схем замещения тепловых процессов с различной степенью детализации расчетной схемы, позволяющей достичь точности 10 расчета, характерной для полевых задач при большем быстродействии за счет учета характерных симметрий. Практическая ценность результатов 1. Разработана версия библиотеки моделирования электрических цепей, функционирующая в среде MatLab. 2. Разработаны алгоритмы и программные средства для создания подсистем расчета потерь распределительных трансформаторов на основе математических процессоров Excel и MatLab. Разработаны алгоритмы и программные средства для создания подсистем теплового расчета САПР распределительных трансформаторов на основе математических процессоров Excel и MatLab. Разработана подсистема теплового анализа распределительных трансформаторов, позволяющая выполнять расчеты с высоким уровнем точности при высоком быстродействии. Разработаны параметрические генераторы цепных моделей физических процессов, значительно снижающие трудоемкость проектирования. Проведены тепловые расчеты распределительных трансформаторов 400-1600 кВА класса напряжения 10 кВ. Получены достоверные результаты теплового расчета, подтвержденные тепловыми испытаниями. Разработанные программные средства могут быть использованы в производственном проектировании, в научных исследованиях, а также учебных целях. По результатам работы получен акт внедрения в производственный процесс в ООО «Трансформер» (г. Подольск) и акт внедрения в учебный процесс на кафедре Электромеханики ИГЭУ (г. Иваново. Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в разработке, отладке и адаптации к САПР распределительных трансформаторов универсальной библиотеки моделирования электрических цепей, в разработке параметрически генерируемых математических моделей для расчета распределения потерь в обмотках с учетом эффекта вытеснения тока и теплового расчета активной части распределительного трансформатора разработке методов параметрической генерации и численного исследования моделей разработке многоуровневой системы теплового анализа распределительного трансформатора проведении численных и натурных экспериментов и разработке рекомендаций по совершенствованию моделей распределительных трансформаторов. Апробация работы Результаты работы докладывались на конференциях на международной научно-технической конференции Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергострое- нии» (Бенардосовские чтения, г. Иваново, ИГЭУ, 2011, 2013, 2015 гг.), на международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (г. Москва, МЭИ, 2012, 2014, 2015 гг.), на региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов Энергия (г. Иваново, ИГЭУ, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.). Публикации По результатам работы опубликовано 1 научное издание, 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 13 тезисов докладов на конференциях, получено 1 свидетельство на программный продукт. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований и 4 приложения. Диссертация изложена на 152 страницах, включая основную часть, список литературы и приложения, а также содержит 75 иллюстраций и 19 таблиц. 12 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТОВ В САПР РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ 1.1. Инструментальная база для температурного анализа распределительных трансформаторов В современных условиях становится очевидным, что российская промышленность способна перейти в стадию устойчивого роста только в том случае, если предприятия смогут значительно повысить качество выпускаемой продукции. Качество продукции напрямую связано с уровнем технических решений, которые принимаются на этапе создания продукции, а также всестороннего инженерного анализа. Инженерный анализ включает в себя комплекс вычислений для получения информации по параметрам, которые характеризуют состояние оборудования. Среди таких параметров наиболее ответственными сложным является температурное поле изделия. В частности, для распределительных трансформаторов в 1930 г. Монтзингером определена зависимость между сроком службы и температурой изоляционных материалов [21]: mθ L De (1.1) где L – срок службы, годы θ – температура, Си коэффициенты, зависящие от свойств материала. Точный тепловой расчет трансформатора направленна создание моделей, имеющих минимальный вес, минимальные энергетические потребности и, как следствие, минимальные стоимость и эксплуатационные затраты. В России процесс использования инструментов инженерного анализа (Computer Aided Engineering – CAE) характеризуется применением зарубежных систем. К таким системам относятся системы конечноэле- ментного (КЭ) анализа ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, COSMOS, MARC и 13 другие. Компания Siemens предлагает ПО, которые представляет собой комплекс программных средств для проведения инженерного анализа, автоматизированного проектирования, производства и контроля жизненного цикла оборудования Siemens PLM Software. система для анализа теплового состояния носит название NX Thermal. NX Thermal моделирует явления теплопроводности, конвекции и излучения в сложных деталях и больших сборках, используя технологию на основе метода конечных объемов. Существенным препятствием для продвижения этих продуктов нарос- сийском рынке является то, что они не локализованы и достаточно дороги. Усугубляет положение перечисленного программного обеспечения (ПО) на российском рынке введение антироссийских санкций со стороны европейских и американского правительств. Высокая стоимость, характерная для программных продуктов такого уровня, обоснована тем, что разработка ПО в области САЕ-анализа является довольно затратным мероприятием. Такие системы требуют от разработчика знаний и навыков не только в области программирования, но и математического моделирования, численных методов, теплопередачи и т.п. Примером автономной САЕ-системы отечественного производства служит APM WinMachine (разработчик – НТЦ АРМ) [100]. Подсистемой теплового анализа является APM TDA (APM Thermic Dynamic Analysis). APM TDA позволяет моделировать температурные поля в условиях стационарных и нестационарных режимов теплообмена методом конечных элементов. Стоит сказать, что случаи применения APM TDA к тепловому расчету распределительных трансформаторов в литературе не встречаются. Другим примером отечественной САЕ-системы служит популярная разработка ООО ТОР РФ, г. Санкт-Петербург) – ELCUT. Модуль Теплопередача позволяет решать задачи теплового исследования в осесимметричном и плоскопараллельной постановке и обладает широким спектром возможностей учета различных свойств нелинейных и анизотропных распределенных, линейных и точечных источников тепла источников тепла, как результата электрических потерь и др. В ряде организаций РФ (ХК «Электрозавод», г. Москва ООО «Толья- тинский Трансформатор, г. Тольятти и др) и стран СНГ (ОАО Запорожский трансформаторный завод, г. Запорожье, Украина ОАО Минский электротехнический заводим. Козлова», г. Минск, Республика Беларусь) разрабатываются и постоянно совершенствуются системы автоматизированного проектирования (САПР) и компьютерные программы для выполнения соответствующих расчетов и конструирования новых распределительных и силовых трансформаторов. В частности, в качестве программно-методического обеспечения для расчета трансформаторов в ПАО «ВИТ» разработана система САПР-ТОН [62]. В состав системы входят 19 пакетов прикладных программ моделирования электромагнитных, электростатических, тепловых и механических полей и процессов в трансформаторах. Пакеты прикладных программ могут функционировать как в комплексном, таки в автономном (без связи с другими программами системы) режиме. На Минском электротехническом заводе имени В.П. Козлова разработана и внедрена в промышленную эксплуатацию САПР силовых трансформаторов мощностью 25-630 кВА напряжением до 35 кВ, которая предназначена для автоматизации расчетного проектирования силовых масляных трансформаторов общего назначения. Условное название САПР-ПРОТОН [60]. Данная САПР охватывает широкий круг конструктивных решений, применяемых в существующих и перспективных сериях распределительных трансформаторов. Трансформаторы имеют плоскошихтованную или витую пространственную магнитную систему, слоевые цилиндрические обмотки из медного или алюминиевого провода круглого или прямоугольного сечения или фольги и, масляную систему охлаждения с естественной циркуляцией, бак гладкий (с радиаторами или без них) или гофрированный. Гофрированные баки могут иметь три исполнения герметичные полным заполнением маслом, герметичные с воздушной подушкой, с расширителем [60]. Разработка эмпирических методик на основе РД – это аккумуляция опыта, проведения серий испытаний физических образцов, широкомасштабная научно-исследовательская работа. Вместе стем, в е годы прошлого века, когда разработки эмпирических методик на системном уровне были прекращены, получила развитие технология намотки обмоток НН распределительных трансформаторов из алюминиевой и медной ленты, применение при шихтовке магнитной системы технологии Step-Lap, применение изоляционных материалов с классами нагревостойкости F, H и выше, изготовление баков с гофрированными панелями и т.п. Это было простимулировано требованиями к оптимизации конструкции трансформаторов и снижению материальных затрат. В настоящее время в распоряжении инженеров-проектировщиков трансформаторов конструкторских отделов отдельных трансформаторных заводов нет методик, которые учитывали бы особенности новых конструкций трансформаторов. Надежда на современные САЕ-системы также зачастую себя не оправдывает, так как конечно-элементный расчет физических полей требует значительного расчетного времени, измеряемого часами. Особенно это актуально при решении задач оптимизации, требующих расчета множество вариантов. Кроме того, постановка задачи расчета физических полей без учета особенностей, характерных для современных конструкций трансформаторов, зачастую оказывается некорректной, что приводит к необходимости сложных модификаций математического аппарата расчетных моделей. В связи с этим разработка быстродействующих математических моделей трансформаторов и методов их исследования, которые будут учитывать особенности современных конструкций трансформаторов, является актуальной задачей. 16 |