С целью верификации и уточнения предполагаемых параметров трехфазного трансформатора была произведена серия расчётных экспериментов в среде моделирования ANSYS.
Рассматривалась магнитная система сухого алюминиевого трансформатора с витым пространственным магнитопроводом. Схема соединения обмоток треугольник – звезда, номинальная мощность 100КВА.
Основными задачами численного эксперимента были:
- Определение характеристик трансформатора в режимах холостого хода, короткого замыкания и номинальном режиме.
- Определение насыщения магнитопровода и магнитного потока одного из стержней в режиме холостого хода с учётом анизотропности трансформаторной стали.
- Определение потерь холостого хода трансформатора.
- Оценить величину полей рассеяния.
- Повторить п. 1-3 для удвоенной мощности нагрузки.
- Повторить п. 1-3 для удвоенного напряжения первичной обмотки.
- Определить тепловое состояние трансформатора для номинального режима работы.
Перераспределение плотности тока в сечениях обмоток
Задача осложнялась необходимостью моделирования специфической шихтовки стального пакета для обеспечения анизотропного поведения магнитного поля в ленточном типе магнитопровода. Для определения установившегося тока холостого хода потребовалось моделировать десятки периодов.
Моделирование магнитного поля в ANSYS Maxwell
- С целью понижения размерности сеточной модели магнитной системы использовалась 1/2 симметричная её часть.
- Анизотропный материал задавался путем введения коэффициентов заполнения стали и указания направления шихтовки.
- Первичная обмотка в некоторых случаях рассматривалась как катушки с сосредоточенными параметрами, но в остальных случаях массивные проводники моделировались для определения добавочных потерь.
- Обмотки ВН и НН были включены должным образом посредством редактора схем с измерительным оборудованием для определения токов и напряжений в различных режимах работы.
- Все необходимые эксперименты были проведены в нестационарном магнитном решателе модуля ANSYS Maxwell 3D.
Напряжение первичной обмотки и наведенное напряжение вторичной обмотки в номинальном режиме.
Решение стационарной тепловой задачи в ANSYS IcePak.
- Подготовка геометрической и сеточной модели. Эквивалентные геометрические и пространственные размеры необходимы для поэлементной передачи потерь из ANSYS Maxwell в ANSYS IcePak
- В модели учитывались теплообмен излучением и естественная конвекция.
- Электромагнитные потери передавались поэлементно с сеточной модели ANSYS Maxwell на сеточную модель ANSYS IcePak. С этой целью был подготовлена магнитная задача без использования граничного условия симметрии.
- В контрольных точках определялись значения установившейся температуры элементов модели. Магнитная и тепловая задача пересчитывались итеративно с внесением поправок на увеличение удельного сопротивления материала.
Сеточная модель ANSYS IcePak
Температура магнитопровода.
Температура обмотки.
Поле скоростей течения при конвекции
Заключение:
Результаты виртуальных экспериментов сравнивались со значениями аналитических расчётов. Расхождения были выявлены в определении электромагнитных добавочных потерь и, соответственно, превышении температуры трансформатора над окружением. Даны рекомендации по снижению добавочных потерь.