Определения параметров силовых трансформаторов методами схемно-полевого моделирования

Abstract

RU: Цель работы. Разработка нового высокоэффективного подхода для определения параметров силового трансформатора в режимах холостого хода и короткого замыкания на основе схемно-полевого моделирования электромагнитных процессов, позволяющего учитывать особенности конструкции, влияние нелинейных свойств проводниковых и ферромагнитных материалов, обладающего высокой точностью, и простотой численной реализации. Методы исследований. Математическое моделирование электромагнитных полей трехфазных трансформаторов с плоскими магнитными системами в режимах холостого хода и короткого замыкания методами теории электромагнитных полей, конечных элементов, теории электрических цепей; обобщение данных моделирования методами линейной и полиномиальной регрессии. Основные результаты. Разработана схемно-полевая модель электромагнитных процессов в силовом трансформаторе для режимов холостого хода и короткого замыкания, позволяющая учитывать влияние особенностей конструкции активной части, нелинейность свойств проводниковых и магнитных материалов. Установлено, что в режиме холостого хода магнитный поток локализуется в стержнях магнитной системы, а в режиме короткого замыкания он вытесняется в области обмоток и главных каналов рассеяния. Особенности конструкции плоских трехфазных магнитных систем обуславливают неравномерное распределение магнитных потоков по стержням и ярмам при симметрии фазных токов намагничивания. Поэтому наибольшие индукции в режиме холостого хода характерны для стержня фазы В, а их действующие значения на 15…18% превышают аналогичные значения в стержнях фаз А и С. В режиме опытного короткого замыкания значения индукции на два порядка ниже по сравнению с режимом холостого хода, а ее распределение симметрично для всех фаз активной части трансформатора. Разработана высокоэффективная методика определения параметров силового трансформатора в режимах холостого хода и короткого замыкания на основе схемно-полевого моделирования электромагнитных процессов. Апробация новой методики для трансформаторов второго и третьего габаритов показала простоту численной реализации и высокую точность, за счет учета особенностей конструкции и влияния нелинейных свойств проводниковых и ферромагнитных материалов. Благодаря данному подходу обеспечивается снижение погрешности при определении параметров холостого хода на 12–16% и короткого замыкания – на 5–8% по сравнению с общеизвестными методиками. Разработана методика корректировки параметров для различных ступеней РПН с использованием уравнений линейной и параболической регрессии, обобщающих нормированные характеристики холостого хода и короткого замыкания для различных серий трансформаторов, которая существенно сокращает затраты времени на этапах конструкторской подготовки производства и значительно повышает точность расчета параметров холостого хода и короткого замыкания. Относительная погрешность методики коррекции параметров для режима холостого хода не превышает 2,82%, а для режима короткого замыкания – 0,7%. Научная новизна. Разработан и реализован новый эффективный подход для определения параметров силового трансформатора в режимах холостого хода и короткого замыкания, на основе схемно-полевого моделирования электромагнитных процессов в силовом трансформаторе с последующей корректировкой методами линейной и полиномиальной регрессии нормированных характеристик холостого хода и короткого замыкания с учетом заданных положений РПН. Он обладает высокой точностью и эффективностью, простотой численной реализации, позволяет учитывать влияние конструктивных параметров, нелинейность электрофизических и магнитных свойств материалов и может применяться для трансформаторов различных серий. Практическая значимость. Применение предложенного подхода для определения параметров трансформатора на основе методов схемно-полевого моделирования и нормирования позволяет снизить погрешность расчета параметров холостого хода и короткого замыкания на 12–16% и 5–8%, соответственно, по сравнению с общеизвестными методиками. UK: Мета роботи. Розробка нового високоефективного підходу для визначення параметрів силового трансформатора в режимах неробочого ходу і короткого замикання на основі схемно-польового моделювання електромагнітних процесів, що має високу точність, простоту чисельної реалізації і дозволяє враховувати особливості конструкції і вплив нелінійних властивостей провідникових і феромагнітних матеріалів. Методи досліджень. Математичне моделювання електромагнітних полів трифазних трансформаторів з плоскими магнітними системами в режимах неробочого ходу і короткого замикання методами теорії електромагнітних полів, скінчених елементів, теорії електричних ланцюгів; узагальнення даних моделювання методами лінійної і поліноміальної регресії. Основні результати. Розроблено схемно-польову модель електромагнітних процесів у силовому трансформаторі для режимів неробочого хода и короткого замикання, що дозволяє враховувати вплив особливостей конструкції активної частини, нелінійність властивостей провідникових і магнітних матеріалів. Встановлено, що в режимі неробочого ходу магнітний потік локалізується в стрижнях магнітної системи, а в режиме короткого замикання він зосереджений в області обмоток і головних каналів розсіювання. Особливості конструкції плоских трифазних магнітних систем обумовлюють нерівномірний розподіл магнітних потоків по стрижнях і ярмах при симетрії фазних струмів намагнічування. Тому найбільші індукції в режимі неробочого ходу характерні для стрижня фази В, а їх діючі значення на 15–18% перевищують аналогічні значення в стрижнях фаз А і С. В режимі дослідного короткого замикання значення індукції на два порядки нижче в порівнянні з режимом неробочого ходу, а її розподіл симетричний для всіх фаз активної частини трансформатору. Розроблено високоефективну методику визначення параметрів силового трансформатора в режимах неробочого ходу і короткого замикання на основі схемно-польового моделювання електромагнітних процесів. Апробація нової методики для трансформаторів другого та третього габаритів показала простоту чисельної реалізації та високу точність, за рахунок врахування особливостей конструкції і впливу нелінійних властивостей провідникових і феромагнітних матеріалів. Завдяки цьому підходу забезпечується зниження похибки при визначенні параметрів неробочого ходу на 12–16% і короткого замикання - на 5–8% в порівнянні з загальновідомими інженерними методиками. Розроблено методику коригування параметрів для різних ступенів РПН з використанням рівнянь лінійної і параболічної регресії, узагальнюючих нормовані характеристики неробочого ходу і короткого замикання для різних серій трансформаторів, яка істотно скорочує витрати часу на етапах конструкторської підготовки виробництва і значно підвищує точність розрахунку параметрів неробочого ходу і короткого замикання. Відносна похибка методики корекції параметрів для режиму неробочого ходу не перевищує 2,82%, а для режиму короткого замикання – 0,7%. Наукова новизна. Розроблено та реалізовано новий ефективний підхід для визначення параметрів силового трансформатора в режимах неробочого ходу і короткого замикання, на основі схемно-польового моделювання електромагнітних процесів в силовому трансформаторі і подальшого корегування методами лінійної і поліноміальної регресії нормованих характеристик неробочого ходу та короткого замикання з урахуванням заданих положень РПН. Він має високу точність і ефективність, простоту чисельної реалізації, дозволяє враховувати вплив конструктивних параметрів, нелінійність електрофізичних і магнітних властивостей матеріалів та може застосовуватися для трансформаторів різних серій. Практична значимість. Застосування запропонованого підходу для визначення параметрів трансформатора на основі методів схемно-польового моделювання та нормування дозволяє знизити похибки розрахунку параметрів неробочого ходу і короткого замикання на 12–16% і 5–8%, відповідно, в порівнянні з загальновідомими інженерними методиками. EN: Purpose of the work. The research of a new highly effective approach for determining power transformer parameters in no-load and short circuit modes, based on the scheme-field modeling of electromagnetic processes which allowing to consider design features, influence of conductor nonlinear properties and ferromagnetic materials, possesses high accuracy and simplicity of numerical realization was developed. Research methods. Mathematical modeling of electromagnetic fields of three-phase transformers with flat magnetic systems in no-load and short-circuit modes by methods of theory electromagnetic fields, finite elements, the theory of electrical circuits; generalization of modeling data by linear and polynomial regression methods. The obtained results. Scheme-field model of electromagnetic processes in power transformer for no-load and short circuit mode are developed, which allowing to consider the influence of design features in the active part, also non-linearity of conductor properties and magnetic materials. It’s established that in no-load mode magnetic flux is localized in the rods of the magnetic system, and in short-circuit mode it is displaced in the windings region and main dispersion channels. The design features of flat three-phase magnetic system causes uneven distribution of magnetic fluxes lengthways rods and yokes by symmetry of the phase magnetization currents. Therefore, the largest values ofmagnetic flux density in no-load mode are characteristic for B phase rod, and their effective values are higher by 15–18% than the analogous values in the rods A and C phases. In experimental short circuit mode, magnetic flux density values are two orders lower in comparison with no-load mode, and its distribution is symmetric for all phases of transformer active part. A highly effective method for determining power transformer parameters in no-load and short circuit modes, which is based on the scheme-field modeling of electromagnetic processes, is researched. Approbation of a new technique for transformers second and third dimensions showed the simplicity of numerical implementation and high accuracy, due to design features and influence of conductor nonlinear properties and ferromagnetic materials. Thanks to this approach is provided the decreasing an error during parameters determination for no-load mode by 12–16% and short circuit mode by 5–8% in comparison with well-known method. The method of parameters correction for various stages of the load control device is researched. This method uses linear and parabolic regression equations, which generalize the standardized no-load and short circuit characteristics for various transformers series. This significantly reduces the time spent at the stages of production design preparation, and significantly increases calculation accuracy of no-load and short circuit parameters. The relative error of the correction parameters method for no-load mode does not exceed 2.82%, and for the short-circuit mode it’s 0.7%. Scientific novelty. A new effective approach for determining power transformer parameters in no-load and short circuit modes is researched and implemented. The approach is based on the scheme-field modeling of electromagnetic processes in the power transformer and subsequent correction by the linear and polynomial regression methods of the standardized no-load and short circuit characteristics with taking into account the set positions of the load control device. This approach has high accuracy and efficiency, simplicity of numerical realization, which allows take into account the influence of design parameters, nonlinearity of electrophysical and magnetic properties of materials, and can be used for transformers of various series. Practical significance. Application of the proposed approach for determining transformer parameters based on the methods of scheme-field sumulation and standardization makes it possible to reduce the error of calculating of no-load and short-circuit parameters by 12–16% and 5–8%, respectively in comparison with wellknown engineering methods.