Определение потерь в стали и оптимизация толщины листов магнитопровода трансформатора

В настоящее время перед заводами – изготовителями трансформаторов поставлена задача создания энергоэффективных аппаратов с понижением потерь в стали до 44 %. Для ее реализации необходимы соответствующие теоретические разработки. Со снижением вихретоковых потерь, например, за счет уменьшения толщины листов магнитопровода, одновременно возрастают потери на гистерезис. Аналогичный эффект дает изменение размеров кристаллического зерна стали, термомагнитная обработка и другие технологические меры. В связи с этим точное определение составляющих суммарных потерь в стали представляет собой актуальную проблему, решение которой позволило бы минимизировать суммарные потери. В статье проанализированы выражения, определяющие удельные потери на вихревые токи и на гистерезис через параметры магнитопровода, и установлено, что данная методика слишком сложна для инженерных расчетов. Поскольку потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, а потери на гистерезис – частоте в первой степени, с использованием ваттметрического метода получены простые расчетные выражения потерь на вихревые токи и на гистерезис. Исходя из того, что зависимость потерь на перемагничивание от толщины пластин магнитопровода является спадающей линейной функцией, а потерь на вихревые токи – восходящей параболической функцией, найдено выражение оптимальной толщины пластин, при которой полные потери в стали минимальны. Данная информация позволит более эффективно минимизировать полные потери в стали за счет варьирования конструктивных параметров и материала магнитопровода. Показано, что паспортные потери холостого хода трансформаторов, изготовленных разными производителями, отличаются более чем на 30 % и могут быть округлены и занижены, поэтому данный параметр целесообразно получать в результате эксперимента (опыта холостого хода).

1. Жежеленко, И. В. Основные направления повышения эффективности производства, передачи и распределения электрической энергии / И. В. Жежеленко // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Т. 61, № 1. С. 28–35. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-1-28-35.

2. СТО 34.01-3.2-011–2017 Трансформаторы силовые распределительные 6–10 кВ мощностью 63–2500 кВА. Требования к уровню потерь холосто хода и короткого замыкания [Электронный ресурс]: стандарт организации ПАО «Россети». 2017. Режим доступа: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293734/4293734162.pdf.

3. Анищенко, В. А. Влияние перегрузочной способности маслонаполненных трансформаторов на пропускную способность электрической сети / В. А. Анищенко, И. В. Гороховик // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Т. 61, № 4. С. 310–320. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-4-310-320.

4. Najafi, А. Comparison of Core Loss and Magnetic Flux Distribution in Amorphous and Silicon Steel Core Transformers / А. Najafi, I. Iskender // Electrical Engineering. 2018. Vol. 100, Iss. 2. Р. 1125–1131. https://doi.org/10.1007/s00202-017-0574-7.

5. Heydari, А. Electromagnetic-Mechanical-Thermal Amorphous Core Transformer Simulation Compare to Conventional Transformers Using FEM / А. Heydari, M. A. Taghikhani // Modares Mechanical Engineering. 2018. Vol. 18, Iss. 3. Р. 95–106.

6. Tatevosyan, A. S. The Study of the Electrical Steel and Amorphous Ferromagnets Magnetic Properties / A. S. Tatevosyan, А. А. Tatevosyan, N. V. Zaharova // Procedia Engineering. 2016. Vol. 152. P. 727–734. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.681.

7. Effect of Normalizing Annealing Temperature on Precipitates and Texture of Nb-Cr-Bearing Decarburized Grain-Oriented Silicon Steels / Y. Liu [et al.] // Metals. 2019. Vol. 9, Iss. 4. Р. 457–462. https://doi.org/10.3390/met9040457.

8. Костинский, С. С. Обзор состояния отрасли трансформаторного производства и тенденций развития конструкции силовых трансформаторов / С. С. Костинский // Изв. высш. учеб. заведений. Проблемы энергетики. 2018. Т. 20, № 1–2. С. 14–32. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2018-20-1-2-14-32.

9. Hybrid Laminated Iron Core Models Based on Isotropic and Anisotropic Silicon Steels / W. Guan [et al.] // IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices (ASEMD). Tianjin, 2018. P. 1–2. https://doi.org/10.1109/ASEMD.2018.8559039.

10. Flux and Loss Distribution in Iron Cores With Hybrid T-Joint / W. Guan [et al.] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2019. Vol. 29, Iss. 2. P. 1–4. Art No 0602104. https://doi.org/10.1109/TASC.2019.2894947.

11. Круг, К. А. Основы электротехники / К. А. Круг. М.–Л.: ОНТИ, 1936. 890 с.

12. Тимофеев, И. А. Удельные потери в ферромагнетике [Электронный ресурс] / И. А. Тимофеев // Современные проблемы науки и образования. 2007. № 6, ч. 1. С. 136–142. Режим доступа: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=753. Дата доступа: 05.04.2020.

13. Мишин, Д. Д. Магнитные материалы / Д. Д. Мишин. М.: Высш. шк., 1991. 384 с.

14. Дружинин, В. В. Магнитные свойства электротехнической стали / В. В. Дружинин. М.: Энергия, 1974. 239 с.

15. Общая электротехника / под. ред. А. Т. Блашкина. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 392 с.

16. Чечерников, В. И. Магнитные измерения / В. И. Чечерников. М.: МГУ, 1969. 228 с.

17. Verfahren zum Testen eines Transformators und Entsprechende Testvorrichtung: European Patent 1398644А1, MKI G01R 35/02 / D. Jurzitza. Publ. date 17.03.2004.

18. Богородицкий, Н. П. Электротехнические материалы / Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 304 с.

19. Plotnikov, S. M. Minimization of Losses in the Magnetic Circuit Due to Optimal Thickness of Plates / S. M. Plotnikov, V. O. Kolmakov // Journal of Advanced Research in Technical Science. 2020. Iss. 19. P. 39–42. https://doi.org/10.26160/2474-5901-2020-19-39-42.

20. Цыкин, Г. С. Трансформаторы низкой частоты / Г. С. Цыкин. М.: Связьиздат, 1955. 424 с.

21. Способ определения оптимальной толщины листов магнитопровода трансформатора: пат. № 2752353 Рос. Федерация / С. М. Плотников. Опубл. 26.07.2021.