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.
|
|
A, матрица типов элементов T и матрица номиналов N. Фрагмент системы генерации и расчета ЭСЗ тепловой цепи распределительного трансформатора в среде Excel представлен на рис. 3.15. После формирования перечисленных матриц они передаются в процессор библиотеки моделирования электрических цепей ECLib где происходят соответствующие перестановки и преобразования матриц к виду, подходящего для решения системы уравнений (см. 2). Рис. 3.15. Фрагмент системы генерации и расчета ЭСЗ тепловой цепи трансформатора 97 Электрические величины (токи в ветвях схемы и распределение потенциалов в узлах, полученные в результате решения системы уравнений ЭСЗ, с помощью масштабных коэффициентов (равных единице) преобразуются в тепловые величины (тепловые потоки в ветвях и распределение температур в узлах рассматриваемой схемы замещения) и выводятся в графическом и табличном виде. 3.2.3. Параметрическая генерация и численное исследование тепловой модели трансформатора в полевой постановке Тепловые модели в полевой постановке позволяют проектировщику решить целый ряд исследовательских задач, которые недоступны для решения другими средствами. К таким задачам, например, относятся Анализ движения охлаждающей жидкости в каналах масляного трансформатора (в сухих трансформаторах – воздуха. 2. Распределение температуры на поверхностях элементов. 3. Визуализация результатов в трехмерной постановке. 4. Определение среднего и локального коэффициента теплоотдачи сна- гретой поверхности. 5. Определение зон ламинарного и турбулентного течения охлаждающей среды и др. Решение такого рода исследовательских задач возможно с помощью программных средств Solidworks Flow simulation [104]. Математический аппарат Flow Simulation основывается на решении систем дифференциальных уравнений (1.2) - (1.8). Для дискретизации дифференциальных уравнений во Flow simulation используется метод конечных объемов. Параметрическая генерация тепловой модели трансформатора в полевой постановке основывается на взаимодействии нескольких сред программирования и моделирования MS Excel, Solidworks и Flow simulation. 98 MS Excel позволяет систематизировать данные, полученные входе расчета трансформатора, необходимые для параметрической генерации полевой модели трансформатора для исследования теплового состояния. Это значительно упрощает процесс моделирования, однако возможности пакета So- lidWorks [104] дают возможность автоматизировать весь процесс создания трехмерной модели. Процесс организации автоматизированного визуального моделирования представлен на рис. 3.16. Процесс автоматизации моделирования трансформатора начинается сформирования таблицы параметров. Таблица параметров служит для подстановки массива значений из документа Microsoft Excel в переменные модели. Эти значения могут быть как численными (например, величины размеров, таки логическими (элемент погашен/не погашен. Рис. 3.16. Структура организации параметрической генерации и исследования полевой модели трансформатора Сохраняется таблица параметров в документе модели, а создаваться может как с помощью инструментов SolidWorks, таки вручную в виде отдельного файла Microsoft Excel. Импорт таблицы параметров производится возможностями SolidWorks API (SW API). SolidWorks API — это интерфейс, позволяющий разрабатывать пользовательские приложения для системы SolidWorks. интерфейс содержит функции, которые можно вызывать из программ Microsoft Visual Basic, VBA (Microsoft Excel, Word, Access и т.д.), Microsoft Visual C++ или из MS Excel База данных Макрос VBA Solidworks SW API Уравнения модели модель трансформатора Тепловое исследование Flow simulation 99 файлов-макросов SolidWorks. Эти функции предоставляют программисту прямой доступ к функциональным возможностям SolidWorks. Фрагмент таблицы параметров для магнитопровода трансформатора представлен на рис. Рис. Фрагмент таблицы параметров SolidWorks API можно использовать для решения различных задач. Наиболее популярными областями применения приложений SolidWorks API являются интеграция SolidWorks с другими Windows CAD/CAM/CAE- приложениями, Microsoft Office, Windows API; разработка специализированных модулей, добавляющих к базовым возможностям SolidWorks дополнительную функциональность. В общем случае любая модель в SolidWorks является параметрической. Понятие параметризации можно понимать в следующем ключе. Сточки зрения математики, конструкция изделия описывается геометрическими примитивами (точками, линиями, кривыми и т.д.), которые в свою очередь характеризуются параметрами координатами, размерами, углами, допусками и т.п. Эти параметры могут быть выражены с помощью обычных переменных, рассчитаны по формулам или выбраны из баз данных. Таким образом, любая конструкция может быть полностью изменена путем изменения значений одной или нескольких управляющих переменных. Существует несколько вариантов работы с параметрами модели, один ихних создание математических зависимостей, то есть уравнений, под которыми понимаются математические соотношения между геометрическими размерами модели, заданное с помощью имен размеров в качестве переменных. Все зависимости формируются в диалоговом окне Уравнения рис. 3.18), которое вызывается непосредственно из среды SolidWorks. 100 Рис. 3.18. Список уравнений для построения модели магнитопровода трансформатора Рис. 3.19. Полевая модель трансформатора ТСЛ-630 Результаты построения и расчета модели могут быть выведены в графическом, табличном виде, а также в виде распределения температурного поля по поверхности исследуемого объекта (рис. 3.19 – 3.20). 101 Рис. Результаты теплового расчета полевой модели ТСЛ-1000/10 Данный метод целесообразно применять при разработке и исследовании новых конструкций трансформаторов. 3.3. Тепловой расчет трансформатора с использованием уточненной математической модели на основе схем замещения На основе результатов расчета потерь, полученных на основе расчета распределения тока в обмотках трансформатора (см. 2) с использованием библиотеки ECLib, получены распределения температур в концентрах фольговых обмоток масляных трансформаторов, приведенные в табл. 3.4 – 3.6 и на рис. 3.21 – 3.22. Следует отметить, что экспериментальное получение кривых распределения температуры в центрах тепловыделений концентров фольговых обмоток масляных трансформаторов герметичного исполнения является сложной дорогостоящей задачей, т.к. требует использования специальных высокотемпературных сенсоров. Это связано стем, что в качестве межслоевой изоляции в обмотках НН масляных трансформаторов используется бумага Krempel с запекаемым слоем эпоксидной смолы. Этот слой запекается в специальных печах при температуре 140 – 150 С. 102 Кроме того, для экспериментального определения распределения температуры в обмотках НН масляных трансформаторов необходима разработка специальной конструкции бака масляного трансформатора, которая позволит провести измерительные кабели к обмоткам НН из ленты при сохранении герметичности. В связи с этим для верификации расчетных распределений температур в обмотках трансформатора необходимо найти расчетное среднее превышение температуры обмоток НН над температурой охлаждающей среды и сравнивать его с результатами тепловых испытаний, проводимых по [1]. Точность измерений зависит от класса точности измерительных приборов, а также от точности метода измерений сопротивления обмоток [1]. Следует сказать, что в данном разделе в рассмотрение берется обмотка НН, как наиболее нагретая относительно других частей трансформатора, хотя предлагаемый метод может быть применен к тепловому расчету обмоток ВН. Таблица 3.5. Результаты расчета распределения температур в центрах тепловыделений обмоток НН трансформатора ТМГ-630/10 № концентра № секции Концентр №1 Концентр №2 Концентр №3 1 47,63 44,64 46,79 2 46,67 43,74 44,28 3 44,87 41,23 43,49 4 44,40 39,66 42,71 5 44,40 38,93 41,98 6 44,61 38,96 42,01 7 45,96 39,63 42,68 8 51,49 47,63 50,68 9 59,72 55,15 58,20 10 77,63 71,40 71,51 11 117,51 102,62 107,51 Среднее превышение температуры в концентрах 56,81 51,24 53,80 Среднее превышение температуры, С 53,95 103 Рис. 3.21. Результаты расчета распределения температуры в секциях ОНН трансформатора ТМГ-630/10. Таблица 3.6. Результаты расчета распределения температуры в центрах тепловыделений обмоток НН ТМГ-1000/10 № концентра № секции Концентр №1 Концентр №2 1 49,24 51,39 2 48,34 48,88 3 45,83 48,09 4 44,26 47,31 5 43,53 46,58 6 43,56 46,61 7 44,23 47,28 8 52,23 55,28 9 59,75 62,80 10 76,00 76,11 11 107,22 112,11 Среднее превышение температуры в концентрах 55,84 58,40 Среднее превышение температуры, С 57,12 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 110,00 120,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Распределение температуры в секциях ОН Н , °С Номера секций ТМГ-630/10 Концентр №1 Концентр №2 Концентр №3 104 Рис. Результаты расчета распределения температуры в секциях ОНН трансформатора ТМГ-1000/10 Сравнение результатов расчета распределения температуры по высоте концентра ОНН, граничащего с главным каналом с помощью цепных моделей на основе схем замещения и полевых моделей представлено на рис. Как было сказано выше, модели на основе эмпирических методик не дают картины распределения температуры по высоте обмоток и других частей трансформатора, а дают только среднее превышение температуры над температурой охлаждающей среды. 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 110,00 120,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Распределение температуры в секциях ОН Н , ° С Номера секций ТМГ-1000/10 Концентр №1 Концентр Рис. 3.24. Расчет распределения температуры по высоте наружного концентра обмоток НН, граничащего с главным каналом ТМГ- 1000/10, на основе разработанных цепных и полевых моделей Рис. 3.23. Расчет распределения температуры по высоте наружного концентра обмоток НН, граничащего с главным каналом ТМГ- 630/10, на основе разработанных цепных и полевых моделей 105 Особое внимание здесь необходимо уделить оценке времени теплового расчета с использованием предлагаемых моделей для теплового расчета на основе схем замещения и времени теплового расчета с использованием полевых моделей, а также на основе эмпирических методик (см. табл. 3.7) Таблица 3.7. Оценка времени теплового расчета с использованием различных моделей Тип Расчетное время, ч Модели на основе схем замещения Полевые модели ТМГ-400/10 Е 17,12 ТМГ-630/10 Е 12,34 ТМГ-1000/10 Е 15,87 ТМГ-1600/10 11,12 Е 16,87 Среднее время расчета, ч Е 15,55 106 ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ 1. Разработанный метод параметрической генерации и теплового расчета ЭСЗ тепловых процессов позволяют повысить эффективность проектирования трансформаторов путем значительного увеличения скорости вычислений при обеспечении точности, соответствующей полевым моделям. Поэтому дальнейшее создание быстродействующих подсистем теплового анализа в САПР распределительных трансформаторов с высокой точностью расчетов, которые могут использоваться при оптимизации трансформаторов, является перспективной задачей. 2. Разработанный метод теплового расчета трансформатора с использованием разветвленных ЭСЗ опирается на факт изоморфизма уравнений, описывающие явления различной природы. Это позволяет в дальнейшем распространить разработанный метод, например, на гидродинамические и аэродинамические расчеты системы охлаждения трансформатора. 3. Разработанный метод отличается от известных методов, основанных на электротепловой аналогии, тем, что выводит эти методы на новый уровень автоматизации, осуществляемой путем гибкого программирования численного эксперимента с использованием универсальных средств моделирования электрических цепей. 4. Использование разработанных моделей позволяет не только оценивать численно тепловое состояние обмоток трансформатора, но осуществлять анализ проектных решений и формулировать рекомендации по совершенствованию конструкции трансформатора. В частности, анализ таблиц 3.4 – 3.5 показывает, что распределение температуры в центрах тепловыделений кон- центров обмоток носит нелинейный характер. Наиболее перегретым является участок, соответствующий верхней секции наружного концентра обмотки НН, граничащего с главным каналом. В качестве рекомендаций предлагается уменьшить число витков наружного концентра обмотки НН. 107 4. РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО АНАЛИЗА В САПР ТРАНСФОРМАТОРОВ 4.1. Структура и принцип работы системы теплового анализа в САПР трансформаторов Разработанные уточненные модели и методы теплового расчета являются основой для создания многоуровневой системы теплового анализа в САПР трансформаторов, которая была использована в тепловом расчете распределительных трансформаторов типа ТСЛ и ТМГ 2 и 3 габарита мощности, выпускаемых ООО «Трансформер». Рабочее название системы – SHAPT (Sys- tem Heat transfer Analysis of Power Transformers) Структура SHAPT базируется на трех расчетных уровнях 1. Первый уровень – расчет на основе моделей по инженерным методикам. Проводится для определения предварительной температуры масла в системе охлаждения для ускоренного оптимизационного расчета. 2. Второй уровень – тепловой расчет на основе разработанных уточненных тепловых моделей на основе разветвленных электрических схем замещения. Является ядром теплового расчета для использования в системах оптимизации. Третий уровень – тепловой расчет полевой модели активной части трансформатора. На третьем уровне осуществляется виртуальный эксперимент, призванный заменить тепловые испытания опытного образца. Проводится в случае разработки новых серий трансформаторов в целях снижения затратна изготовление опытных образцов. Структура SHAPT и взаимосвязь с другими подсистемами САПР сухих и масляных трансформаторов представлены на рис. 4.1 ирис Рис. 4.1 Структура подсистемы теплового расчета масляного трансформатора Алгоритм работы подсистемы теплового расчета масляного трансформатора В результате поверочного расчета определяется геометрические размеры активной части и бака трансформатора и соответствующие потери. Напер- вом уровнена основе инженерных методик проводится предварительный расчет превышений температур обмоток над температурой масла. Так как температура масла заранее неизвестна, то проектировщику следует определить еѐ предварительное значение как результат расчета системы охлаждения по инженерным методикам. Рассчитанные превышения температур обмоток передаются в подсистему расчета системы охлаждения (ПРСО) (как было сказано выше, технология расчета системы охлаждения основана на инженерных методиках) (стрелка 1, рис. 4.1). В ПРСО производится уточненный расчет температуры масла, которая передается в блок 1 уровня SHAPT, где снова проводится расчет превышения температуры обмоток над температурой масла, уже с использованием расчетных значений температуры Пс теплового расчета системы охлаждения типа М на основе инженерных методик Пс теплового расчета обмоток масляного трансформатора на основе РД Пс теплового расчета активной части масляного трансформатора на основе ЭСЗ Пс теплового расчета активной части масляного трансформатора на основе полевых моделей 1 уровень Пс оптимизации конструкции трансформатора уровень 3 уровень 5 6 6 4 6 6 6 6 3 2 1 109 масла (стрелка 2, рис. 4.1). Цикл 1-2-1 повторяется до тех пор, пока разница между заданным значением температуры масла и рассчитанным не достигнет 0,5 С. После предварительного расчета системы охлаждения данные передаются в подсистему оптимизации конструкции (ПОК) (стрелка 3, рис. ПОК варьирует параметры конструкции трансформатора в целях поиска оптимального решения и формирует новые параметры конструкции. Эти новые параметры попадают в блок 2 уровня SHAPT, где происходит уточненный тепловой расчет активной части на основе электрических схем замещения стрелка 4, рис. 4.1). Рассчитанные уточненные превышения температур активной части передаются в ПРСО (стрелка 5, рис. 4.1). Цикл 3-4-5-3 повторяется до тех пор, пока не будут удовлетворены все граничные условия задачи оптимизации, в том числе и ограничения превышения температур. При исследовании принципиально новых конструкций трансформаторов используется блок 3 уровняв котором решается исследовательская задача теплового расчета активной части в полевой постановке. После нахождения оптимального решения по рассчитанным оптимальным параметрам (стрелка 6, рис. 4.1) строится тепловая модель активной части в полевой постановке и проводится соответствующий тепловой расчет. Ожидается, что точность расчета го иго уровней достаточно близки и расчет го уровня больше связан с более наглядной визуализацией распределения температурного поляна поверхности активной части трансформатора и учета особенностей новой конструкции. Алгоритм работы подсистемы теплового расчета сухого трансформатора Принцип работы SHAPT в части теплового расчета сухого трансформатора аналогичен описанному для масляных трансформаторов. Разница заключается лишь в том, что в данном случае отсутствует ПРСО, так как усу- хих трансформаторов одна система охлаждения. Следует отметить, что в более общем случае имеет место производство трансформаторов в защищенном исполнении (в металлическом кожухе) и с принудительной вентиляцией воздуха. Для теплового и вентиляционного расчетов таких трансформаторов в основном используются полевые модели. Объектом настоящей диссертации являются трансформаторы с естественным охлаждением. Рис. 4.2. Структура подсистемы теплового расчета сухого трансформатора 4.2. Интеграция системы теплового анализа в САПР трансформаторов САПР распределительных трансформаторов представляет собой совокупность программных средств, разработанных на основе методик проектного и поверочного расчета трансформаторов. Интеграция системы теплового анализа SHAPT в САПР трансформаторов заключается в написании соответствующего программного кода в подсистеме поверочного расчета САПР трансформаторов. Листинг программного кода в файле PPR.m (подпрограмма поверочного расчета) приведен в приложении настоящей диссертации. Пс теплового расчета обмоток сухого трансформатора на основе РД Пс теплового расчета активной части сухого трансформатора на основе ЭСЗ Пс теплового расчета активной части сухого трансформатора на основе полевых моделей 1 уровень Пс оптимизации конструкции трансформатора уровень 3 уровень 3 6 6 2 4 6 6 6 1 111 |