ПРИМЕНЕНИЕ ANSYS MAXWELL ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ СЕРДЕЧНИКА ТРАНСФОРМАТОРА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока [1]. Трансформаторы широко используются в промышленности для различных целей и являются одним из важней­ших элементов каждой электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем пяти-, шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах. В этих же трансформаторах возникает основная масса потерь энергии, оплачи­ваемых по наиболее дорогой цене. Поэтому выбор правильной конструкции магнитопровода трансформатора и способ его изготовления позволит уменьшить потери энергии и, значит, сэкономить на тарифе на электроэнергию.

В результате теоретических исследований трансформаторов с различной конструкцией магнитопроводов выявлено, что выбор того или иного типа магнитной системы связан с выбором схемы магнитной цепи трансформатора, наиболее подходящей для заданных условий. Собранные впереплет плоские шихтованные магнитные системы благодаря простой и дешевой конструкции крепления и стяжки, а также относительной простоте сборки получили наиболее широкое распространение. В современном трансформаторостроении эти системы применяются для большинства силовых трансформаторов до самых мощ­ных включительно. Однако, при переходе магнитного потока из одного листа электротехнической стали в другой, увеличиваются потери.

Для минимизации потерь и получения наилучших характеристик по физическим и электромагнитным показателям, благодаря уменьшению толщины воздушного зазора до толщины ленты магнитопровода трансформатора, целесообразно стыковку половин сердечника при сборке производить не в одной плоскости, как в разрезной технологии, а «по косой», т. е. стык между половинами сердечника должен быть не прямым, а равномерно распределенным по стержням и ярмам магнитопровода.

Технология изготовления магнитопроводов Unicore предполагает повышение качества продукции за счет применения новых методов, осуществляющих комплексный подход к решению задачи. Технология Unicore наиболее полно соответствует повышенным требованиям, предъявляемым к изделию, позволяет сэкономить на сборке и полностью исключить ряд трудоемких операций.

Суть данной технологии в том, что при изготовлении воздействие на ленту магнитопровода производится локально, в нескольких узлах по длине ленты сердечника. Использование компьютерного управления позволяет с высокой точностью рассчитать, изготовить и комплектовать все элементы будущего магнитопровода на одном рабочем месте, одним оператором. Стыковка половин магнитопровода при сборке выполняется не в одной плоскости (как в традиционной технологии), что вызывает значительные потери и усложнение конструкции, а по косой, то есть стык между «половинами» равномерно распределен по стержням магнитопровода. Такая ступенчатая конструкция соединения обеспечивает распределение зазоров в сердечнике по длине стержня, что, в свою очередь, ведет к резкому снижению потерь в магнитопроводе и улучшает его характеристики.

Магнитный поток не «упирается» в препятствие в виде воздушного зазора, а огибает его, используя соседние несущие ленты (дорожки). Такая конструкция магнитопровода, где толщина зазора равна толщине ленты, имеет минимальные потери и наилучшие характеристики по физическим и метрологическим показателям (рис. 1).

Unicore-магнитопроводы имеют высокие магнитопроводящие характеристики, позволяющие найти необходимый компромисс между потерями в магните и временем его сборки. Сама технология предоставляет возможность заранее рассчитать время изготовления будущего изделия, расход стали на одно изделие и производительность на основе стандартных расчетов программы. Таким образом, технология позволяет еще на этапе проектирования оптимизировать будущую продукцию по техническим характеристикам и производственным затратам [2].

Рисунок 1. Принцип соединения деталей магнитопровода при сборке

С целью исследования влияния конструкции сердечника трансформатора на распределение магнитной индукции было проведено компьютерное моделирование магнитной системы однофазного стержневого трансформатора методом конечных элементов в среде Ansys Maxwell. В качестве материала магнитопровода выбрана сталь 1010, со значением проводимости 2000000 См/м. На рис. 2 показаны результаты моделирования однофазного стержневого магнитопровода трансформатора. При iw=300А витков, значение магнитной индукции, практически по всему магнитопроводу равно 1,5 Тл, лишь в углах наблюдается падение индукции до 0,1 Тл.

а

б

Рисунок 2. Результаты моделирования однонофазного стержневого магнитопровода трансформатора: а — распределение магнитной индукции; б — направление вектора магнитной индукции

На рис. 3 показаны результаты моделирования трехфазного стержневого магнитопровода трансформатора. Видно, что намагничивание магнитопровода происходит несимметрично. Фаза В, из-за воздействия соседних фаз намагничивается до значения 2 Тл. Крайние фазы А и С имеют значение магнитной индукции 1 Тл, т. е. в 2 раза меньше.

а

б

Рисунок 3. Результаты компьютерного моделирования трехфазного стержневого магнитопровода трансформатора: а — распределение магнитной индукции; б — направление вектора магнитной индукции

Результаты исследования показывают, что распределение магнитной индукции в сердечниках различной конструкции неравномерно. Направление вектора магнитной индукции трансформатора зависит от конструкции магнитопровода. Компьютерное моделирование позволяет оптимизировать конструктивные параметры, сократить расход меди на обмотки и расход стали на сердечник.

Список литературы:
1.    ГОСТ 16110-82. Трансформаторы силовые. Термины и определения.
2.    Морозов Ю.В. Новая технология Unicore для изготовления магнитопроводов / Ю.В. Морозов // Компоненты и технологии. — 2006. — № 8.