Разработана математическая модель проектирования магнитных систем, изготавливаемых по методу шихтовки Step-Lap, силовых транс форма торов различных габаритов, которая позволяет сократить время на подготовку как конструкторской, так и технологической документации.
К л ю ч е в ы е с л о в а: силовые трансформаторы; магнитные системы; проектирование; математические модели
В настоящее время в энергетике страны наблюдается значительный рост объемов реконструкции действующих и строительство новых подстанций, что вызывает повышенную потребность в производстве трансформаторов и автотрансформаторов высших классов напряжения средней и большой мощности [1]. К электротехническому оборудованию подстанций нового поколения предъявляются высокие международные требования:
• пониженные (по сравнению со значениями ГОСТа) величины потерь короткого замыкания и холостого хода;
• применение высоконадежных высоковольтных вводов с твердой RIР-изоляцией;
• увеличенное количество встроенных трансформаторов тока (до 5-6) на сторонах высшего напряжения (ВН) и среднего напряжения (СН);
• применение расщепленной обмотки низкого напряжения (ВН) с возможностью подключения потребителей различных классов напряжения (6, 10 и 20 кВ):
• применение высоконадежных устройств регулирования напряжения под нагрузкой (РПН):
• применение систем охлаждения типа М или Д с пластинчатыми плоскоштампованными радиаторами оцинкованными методом горячего погружения;
• повышенние надежности конструкции активной части, исключение необходимости подпрессовки обмоток и магнитопровода во время всего срока службы трансформатора;
• изготовление шкафов управления, сигнализации, клеммных коробок из оцинкованных или нержавеющих материалов;
• оснащение датчиками и приборами контроля влаго- и газосодержания, а также автоматизированными системами мониторинга состояния;
• оснащение современными контрольно-измерительными термоиндикаторами с аналоговыми выходами;
• применение защитных реле трансформатора и РПН (газового и струйного исполнения) с двумя парами сигнальных и отключающих контактов;
• высокая степень готовности к монтажу поставляемого оборудования, позволяющая значительно сократить сроки ввода трансформатора в эксплуатацию.
Вышеперечисленные требования могут быть удовлетворены только в случае применения высококачественных комплектующих и материалов, а также новых технологий при изготовлении узлов и деталей силового трансформатора.
Под новыми технологиями подразумевается использование современного вспомогательного оборудования и станков с компьютерным и Микропроцессорным управлением.
Одной из передовых и наиболее совершенных технологий является технология изготовления магнитной системы по методу шихтовки Step-Lap. Магнитная система является основой любого трансформатора, от качества изготовления которой зависят такие основные энергетические показатели трансформатора, как ток и потери холостого хода, уровень шума [2]. Данная технология позволяет улучшить качество изготовления и сборки магнитной системы, исключить из технологического цикла такую операцию, как перешихтовка верхнего ярма при насадке обмоток. Силовые трансформаторы. в которых была применена шихтовка типа Step-Lap по статистическим данным имеют пониженные потери и ток холостого хода на 5-10 %, а в некоторых случаях и на 20%.Конструкция магнитной системы не является сложной, но содержит множество компонентов. Магнитная система собирается из слоев электротехнической ста ли (обычно едва листа). В терминологии Step-Lap слой называется шагом, несколько шагов с постоянным смещением перекрытия 7-15 мм образуют цикл, не сколько циклов с одинаковой шириной листа электротехнической стали образуют пакет. Набор магнитной системы из пакетов с разной шириной пластин позволяет вписывать сечение стержня в окружность.
Новая технология безусловно имеет ряд преимуществ, но она приводит и к некоторым ограничениям в конструкции магнитной системы. Для удобства сборки магнитной системы требуется постоянное число шагов во всех циклах каждого из пакетов. Это приводит к необходимости формирования величины толщины пакетов кратной толщине одного цикла, следовательно, изменяется и геометрия сечения стержня. Возможны варианты изготовления сечений с нецелым числом циклов, с так называемым «остатком шагов», что позволяет изготавливать сечение с пакетами требуемой толщины.
Вариант изготовления сечения с нецелым числом циклов требует особого контроля в процессе сборки магнитной системы, поэтому широкое распространение получил вариант с целым числом циклов в пакете.
В настоящее время на всех российских предприятиях наблюдается модернизация технологии производства магнитной системы на основе метода шихтовки Stер-1ар, что, в свою очередь, способствует модернизации целого ряда моделей трансформаторов, а это приводит к изменению метода проектирования и изготовления магнитной системы.
Данная модернизация требует проведения новых расчетов и графических построений для получения максимальной совместимости с существующими конструкциями остова. Процесс расчета не является сложным, скорее он носит рутинный характер. Расчет параметров листов электротехнической стали проводится по алгоритму с достаточно небольшим количеством вариаций, поэтому легко автоматизируется.
Для автоматизации расчетов разработана электронная модель магнитной системы. Для эффективной работы модели организована объектно - ориентировочная структура на базе классов языка программирования С++. В объектно-ориентированном программировании (ОПП) объект представляет особую структуру данных, сформированную в соответствии с определенными правилами, согласно которым данные внутри организовываются на логическом уровне, что делает группировку данных максимально приближенной к структуре моделируемого объекта. С этой точки зрения ООП можно определить как модель программирования, базирующуюся на моделировании взаимодействия объектов реального мира [3].
В основе организации модели магнитной системы был выбран принцип ООП. Главное преимущество заключается в том, что при работе с классами можно без ограничений изменять или добавлять элементы класса, переписывать его функции при сохранении списка параметров и типа возвращаемого значения. Следовательно, принятый подход при создании модели проектирования обеспечивает простоту и безопасность корректировки данных, исправления, обновления и замены фрагментов класса в процессе работы.
Программа для ЭВМ работает с основным объектом класса «Конструктор», который содержит набор функций для работы с магнитной системой и ее составляющими.
Описанная электронная модель магнитной системы имеет ряд преимуществ, позволяющих достаточно просто и в широких пределах изменять конфигурацию магнитной системы, для этих целей внутри класса «Конструктор» заложен ряд алгоритмов для работы с сечением стержня:
• генерация сечения стержня с максимальным заполнением окружности по заданным граничным условиям;
• использование существующих сечений стержня по стандартам предприятия;
• редактирование параметров пакетов (ширины, толщины, местоположения охлаждающего канала);
• работа с сечением путем удаления и добавления циклов в пакеты.
Модель также имеет множество внешних представлений, которые реализуются с помощью экспортных функций. Функции экспорта позволяют выполнять графические построения для формирования чертежа магнитной системы в 2D формате. Графические построения включают в себя эскизное представление схемы шихтовки с обозначением типа пластин, сечения стержня, с простановкой размеров, таблицы с параметрами раскроя пластин электротехнической стали. Получаемые графические построения являются заготовкой для электронного чертежа. Чертеж в настоящее время используется для контроля параметров и определения технологических возможностей. Для дальнейшего участия в проектировании активной части трансформатора предусмотрена функция экспорта параметров магнитной системы в трехмерную модель программного пакета Pro/Engineer. Трехмерная модель магнитной системы является параметрической, и после загрузки в нее экспортных данных перестраивается и принимает соответствующую "геометрическую" конфигурацию.
Поскольку автоматическая линия раскроя электротехнической стали управляется промышленным компьютером с помощью специального программного обеспечения, которое поддерживает импорт и экспорт данных, в модели магнитной системы реализован алгоритм экс порта, формирующий пакетную программу реза для проектируемой магнитной системы. Пакетная программа реза импортируется в программное обеспечение станка, обеспечивая организацию схемы непрерывного движения информации: рождение —обработка — производство.
Модель магнитной системы обладает рядом преимуществ, позволяющих сократить время на подготовку как конструкторской, так и технологической документации.
Применение разработан ной математической модели на ООО «Тольяттинский Трансформатор» при проектировании магнитных систем силовых трансформаторов различных габаритов показало высокую эффективность предлагаемого метода проектирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бахарев Н.П. Формирование профессиональных компетенций инженера элекромеханика в рамках Практико - ориентированной подготовки студентов / Проблемы университетского образования. Компетентный подход в образовании: сб. мат. 111 Всеросс. научн.-методич. конф. / под ред. ГН. Тараносовой. — Тольятти: ТГУ, 2007. Т1 -с. 38-42.
2. Силовые трансформаторы. Справочная книга / Под ред. Сд. Лизунова, АК. Лоханина. — М,: Энергоиздат, 2004. —616 с.
3. Кацман Ю.Я. Моделирование: Учеб. пас. / Том. политехн. ун-т. — Томск. 2003. —91 с.
