Подход к определению токов холостого хода силовых трехфазных трансформаторов с плоскими стержневыми магнитными системами

Abstract

RU: Цель работы. Разработать новый эффективный подхода для определения параметров холостого хода посредством реализации комбинации схемной и пространственной математической модели нестационарных электромагнитных полей в трехфазных трансформаторах с учетом конструктивного строения активной части, нелинейности магнитных свойств электротехнических сталей, обеспечивающего высокую точность и вычислительную эффективность. Методы исследования. Исследования проводились с использованием методов теории электромагнитного поля, теории электрических цепей, теории силовых трансформаторов, математической физики, метода конечных элементов, методов регрессионного и гармонического анализа. Полученные результаты. Проведены теоретические исследования электромагнитных процессов на основе численной реализации трехмерной математической модели силового трехфазного трансформатора в режиме холостого хода. Предложен подход для повышения эффективности полевого моделирования режима холостого хода, который заключается в сокращении размеров расчетной области и переходу к 2D моделям. Он позволяет сократить затраты вычислительных ресурсов более, чем в 2,8 раз, временных ресурсов более, чем в 250 раз, при средневзвешенной невязке не более 3,6%. Определены закономерности распределения индукции и энергии магнитного поля для активной части трансформатора в режиме холостого хода, установлены их количественные соотношения для стержней различных фаз, определяющие соотношения токов и сопротивлений прямой и обратной последовательности трансформатора. Реализован новый подход определения параметров холостого хода трехфазных трансформаторов с плоскими стержневыми магнитными системами на базе методов схемного и 3D моделирования, гармонического анализа и симметричных составляющих. Он характеризуется высокой эффективностью численной реализации и точностью для переходных процессов включения трехфазного трансформатора без нагрузки. Установлено, что система фазных токов u1093 холостого хода характеризуется несинусоидальностью и несимметричностью. В гармоническом составе этих токов преобладают 1-я, 5-я и 7-я гармоники. На основе метода симметричных составлявших определены параметры прямой и обратной последовательности фаз первой гармоники холостого хода и предложена корректирующая методика, уточняющая традиционный инженерный подход. Использование коррекции параметров для исследованных соотношений токов прямой и обратной последовательности, повышает точность расчета токов холостого хода на 12–14% и потерь холостого хода на 9–11% по сравнению с общеизвестными инженерными методиками проектирования. Научна новизна. Предложен подход для повышения эффективности полевого моделирования режима холостого хода, который заключается в сокращении размеров расчетной области и переходу к 2D моделям. Реализован новый подход определения параметров холостого хода трехфазных трансформаторов с плоскими стержневыми магнитными системами на базе методов схемного и 3D моделирования, гармонического анализа и симметричных составляющих. Он характеризуется высокой эффективностью численной реализации и точностью для переходных процессов включения трехфазного трансформатора без нагрузки. Практическая ценность. Предложенные в работе подходы и методики позволяют сократить затраты вычислительных ресурсов более, чем в 2,8 раз, временных ресурсов более, чем в 250 раз, при средневзвешенной невязке не более 3,6% и повысить точность расчета токов холостого хода на 12–14% и потерь холостого хода на 9–11% по сравнению с общеизвестными инженерными методиками проектирования. UK: Мета роботи. Розробити новий ефективний підходу для визначення параметрів неробочого ходу за допомогою реалізації комбінації схемної і просторової математичної моделі нестаціонарних електромагнітних полів в трифазних трансформаторах з урахуванням конструктивної будови активної частини, нелінійності магнітних властивостей електротехнічних сталей, що забезпечує високу точність і обчислювальну ефективність. Методи дослідження. Дослідження проводились з використанням методів теорії електромагнітного поля, теорії електричних кіл, теорії силових трансформаторів, математичної фізики, методу скінченних елементів, методів регресійного та гармонійного аналізу. Отримані результати. Проведено теоретичні дослідження електромагнітних процесів на основі чисельної реалізації трьохвимірної математичної моделі силового трифазного трансформатора в режимі неробочого ходу. Запропоновано підхід для підвищення ефективності польового моделювання режиму неробочого ходу, який полягає в скороченні розмірів розрахункової області і переходу до 2D моделей. Він дозволяє скоротити витрати обчислювальних ресурсів більше, ніж в 2,8 раз, часових ресурсів більше, ніж в 250 разів, при середньо зваженій нев’язці не більше 3,6%. Визначено закономірності розподілу індукції і енергії магнітного поля для активної частини трансформатора в режимі неробочого ходу, встановлені їх кількісні співвідношення для стрижнів різних фаз, що визначають співвідношення струмів і опорів прямої і зворотної послідовності трансформатора. Реалізовано новий підхід визначення параметрів неробочого ходу трифазних трансформаторів з плоскими стрижневими магнітними системами на базі методів схемного і 3D моделювання, гармонійного аналізу і симетричних складових. Він характеризується високою ефективністю чисельної реалізації і точністю для перехідних процесів включення трифазного трансформатора без навантаження. Встановлено, що система фазних струмів неробочого ходу характеризується несинусоїдністю та несиметричністю. У гармонійному складі цих струмів переважають 1-я, 5-я і 7-я гармоніки, але при цьому домінує перша гармонійна складова. На основі методу симетричних складових визначені u1087 параметри прямої і зворотної послідовності фаз першої гармоніки неробочого ходу і запропонована коригуюча методика, уточнююча традиційний інженерний підхід. Використання корекції параметрів для досліджених співвідношень струмів прямої і зворотної послідовності, підвищує точність розрахунку струмів неробочого ходу на 12-14% і втрат неробочого ходу на 9-11% в порівнянні з загальновідомими інженерними методиками проектування. Наукова новизна. Запропоновано підхід для підвищення ефективності польового моделювання режиму неробочого ходу, який полягає в скороченні розмірів розрахункової області і переходу до 2D моделей. Реалізовано новий підхід визначення параметрів неробочого ходу трифазних трансформаторів з плоскими стрижневими магнітними системами на базі методів схемного і 3D моделювання, гармонійного аналізу і симетричних складових. Він характеризується високою ефективністю чисельної реалізації і точністю для перехідних процесів включення трифазного трансформатора без навантаження. Практична цінність. Запропоновані в роботі підходи та методики дозволяють скоротити витрати обчислювальних ресурсів більше, ніж в 2,8 раз, часових ресурсів більше, ніж в 250 разів, при середньозваженій нев’язці не більше 3,6% і підвищити точність розрахунку струмів неробочого ходу на 12-14% і втрат неробочого ходу на 9-11% в порівнянні з загально-відомими інженерними методиками проектування. EN: Purpose. Development a new effective approach for determining the open-circuited transformer parameters by implementing a combination of a schematic and spatial mathematical model of nonstationary electromagnetic fields in three-phase transformers, taking into account the constructive structure of the active part, the nonlinearity of the magnetic properties of electrical steels providing high accuracy and computational efficiency. Methods. The researches were carried out using the methods of the electromagnetic field theory, the theory of electrical circuits, the theory of power transformers, mathematical physics, the finite element method, regression analysis methods. Results. Theoretical researches of electromagnetic processes based on numerical realization of a threedimensional mathematical model of a power three-phase transformer in open-circuited operation are carried out. An approach is proposed for improving the field simulation efficiency of the open-circuited operation, which consists in reducing the dimension of the computational domain and the transition to 2D models. It allow reducing the computing resources cost more than 2.8 times, time resources more than 250 times at a weighted average discrepancy of not more than 3.6%. The regularities of the distribution of flux density and the energy of the magnetic field for the active part of the transformer in open-circuited operation are determined. Their quantitative ratio value for the rods of different phases, which determining the ratio of the currents and resistances of the forward and reverse sequences of the transformer are calculated. A new approach to determine the open-circuited parameters of three-phase transformers with flat rod magnetic systems, based on the methods of circuit and 3D modeling, harmonic analysis and symmetrical components is realized. It characterized by high efficiency of numerical realization and accuracy for transient processes in switching moment of the three-phase transformer without loads. System of phase idle currents, characterized by non-sinusoidality and asymmetry, is proved. The harmonic composition of these currents is dominated by the 1st, 5th and 7th harmonics, but the first harmonic component predominates. The parameters of the forward and reverse sequence of the phases of the first harmonic for open-circuited operation, based on symmetrical components method were determinated. A corrective technique, which clarifies the traditional engineering approach, is proposed. The use of parameter correction for the researched ratios of the currents of the forward and reverse sequences will been increase the accuracy of calculation of the idle current by 12-14% and the idle losses by 9-11% in comparison with the generally known engineering design techniques. Originality. An approach is proposed for improving the efficiency of field simulation of the open-circuited operation, which consists in reducing the dimension of the computational domain and the transition to 2D models. A new approach of determination of the open-circuited parameters of three-phase transformers with flat rod magnetic systems based on the methods of circuit and 3D modeling, harmonic analysis and symmetrical components is realized. It characterized by high efficiency of numerical realization and accuracy for transient processes in switching moment of the three-phase transformer without loads. Practical value. The approaches and techniques allows to reduce the cost of computing resources by more than 2.8 times, time resources more than 250 times, with a weighted average discrepancy of not more than 3.6%, and increasing the accuracy of calculation of idle currents by 12-14% and losses of idling by 9-11% in comparison with the well-known engineering methods of designing.