Попереднє оптимизационное проектування і проектні дослідження.

Попереднє оптимизационное проектування передбачають вибір вартісних показників для розрахунків критеріїв оптимальності і визначення початкових значень основних керованих перемінних (параметрів) математичної моделі в зоні їхніх оптимальних значень по заданим критеріям. Для цього в математичній моделі належні бути відбиті особливості конструктивного виконання магнитопровода й обмоток трансформатора, а також заданої технічної вимоги (гарантовані функціональні показники), щоМ чи задаються вихідні дані для оптимизационного розрахунку на ПЭВМ.

У якості таких конструктивних і технічних показників служать основні розміри ізоляційних проміжків, технічні рішення по конструктивному виконанню обмоток (типи обмоток і число концентрів), коефіцієнти заповнення обмоток провідниковим матеріалом ( ) і поперечного перетину магнитопровода активною електротехнічною сталлю ( ) , марка застосовуваної електротехнічної сталі і тип обмотувального проводу й інші показники, що характеризують конструктивні особливості трансформатора

Результати попереднього оптимизационного проектування служать вихідними даними для заключного етапу проектування – етапу детального проектування трансформатора.

Послідовність і методика визначення необхідних розрахункових коефіцієнтів і інших вихідних даних для оптимизационных розрахунків і алгоритм оптимизационного розрахунку розглядаються нижче.

2.1. Критерій оптимальності трансформатора і визначення початкових значень керованих перемінних .

Розробки нових трансформаторів виконуються у відповідності з заданими (чи обраними) критеріями, що забезпечують їх необхідними техніко-економічні параметри Ці критерії прийняті називати критеріями оптимальності.

Оптимальним розрахунковим варіантом трансформатора прийнято називати той розрахунковий варіант, у який поряд із задоволенням усіх необхідних технічних вимог забезпечуються найкращі (звичайно мінімальні) значення критеріїв оптимальності.

Критерії оптимальності встановлюються (вибираються) у залежності від значення проектованого трансформатора. Ними можуть служити маса, габарити, вартість, рівень втрат електричної енергії і т.д.

Для трансформаторів загальпромислового застосування використовується згорнутий (спалярный) критерій, у який з визначеними ваговими коефіцієнтами враховується ряд чистих критеріїв, що характеризують витрати на трансформацію електричної енергії У ці витрати входять [2] вартість трансформатора, всі експлуатаційні витрати і капітальні вкладення, обумовлені включенням трансформатора у всіх ланках системи електропостачання від місця установки трансформатора в енергосистемі до електростанції. Ці витрати. Віднесені звичайно до визначеному періоду експлуатації трансформатора в конкретній енергетичній системі прийнято називати приведеними витратами на трансформацію електричної енергії.

Оптимальним по приведеним витратам вважається розрахунковий варіант трансформатора, у який виконуються всі поставлені технічні вимоги, забезпечуються задані технічні характеристики, а приведені витрати мінімальні.

При оптимальному проектуванні трансформаторів економічну оцінку і зіставлення варіантів розрахунку доцільно виконувати вже на тій стадії, коли проектувальнику відомі основні розміри і маси активних матеріалів (електротехнічної сталі магнітної системи і проводу обмоток). Це обумовлено тим, що ряд складових витрат (особливо при заданій величині напруги короткого замикання) практично не змінюються (вартість уведень, відводів, що переключає пристрою, компенсації реактивної потужності і т.д.)

З обліком цих розумінь математична модель приведених витрат на трансформацію електричної енергії (за рік експлуатації трансформатора) може бути представлена в наступній формі:

, (2,1)

де

- умовна приведена маса активних матеріалів трансформатора, кг;

, - маси металу обмоток і стали магнитопровода, кг;

- питома вартість приведеної маси,

, (2,2)

де

К- коефіцієнт, що визначає відношення прейскурантної вартості всього трансформатора (з відводами, уведеннями, баком, арматурою, олією і т.п.) до вартості магнитопровода з обмотками в зібраному виді (зовнішньої частини трансформатора)

Для трансформаторів потужністю до 630 ква класу напруги до 35 кв

- коефіцієнт показывающий, наскільки вартість виготовленого магнитопровода вище вартості його електротехнічної сталі.

, - ціни обмотувального проводу й електротехнічної сталі, (Додаток А)

- відношення вартості 1 кг обмотки і магнитопровода;

де

- коефіцієнт, що показує, наскільки вартість виготовленої обмотки вище вартості провідникового матеріалу, з який вона виготовлена: для алюмінієвого проводу , а для мідного

- коефіцієнт збільшення обмотувальних проводів за рахунок їхньої ізоляції: для алюмінієвого проводу , для мідного проводу

, - утрати відповідно неодруженого ходу і короткого замикання, Ут;

, - питомі витрати на 1 квт утрат неодруженого ходу і короткого замикання за рік,

Для трансформаторів загальпромислового призначення потужністю до 630 ква класів напруги кв можна приймати

;

- коефіцієнт, що враховує вартість

потужності трансформатора, що

- середні питомі втрати в сталі зібраного магнитопровода, ;

- для розглянутих трансформаторів;

- питомі втрати в електротехнічній сталі даної марки для розрахункової індукції в стрижні , вибирається по (Додатку Б);

- середня питома потужність, що намагнічує, для

;

- питома потужність даної марки, що намагнічує, електротехнічної сталі при розрахунковій індукції , ; вибирається по (Додатку

Функція критерію (2,1) має мінімальне значення тільки при визначеному (оптимальному) співвідношенні між масою активних матеріалів і втратами в трансформаторі. Таке співвідношення забезпечуються в оптимальному розрахунковому варіанті трансформатора – з визначеними основними геометричними розмірами (малюнок 2,1) магнітні системи (D – діаметр окружності стрижня магнитопровода, F,H – ширина і висота вікна магнитопровода) і електромагнітними навантаженнями - - індукцією в стрижні магнитопровода, - середньою щільністю струму в обмотках трансформатора.

В оптимальному розрахунковому варіанті будуть оптимальними також відношення втрат короткого замикання і неодруженого ходу і відношення стоимостей обмоток до вартості магнитопровода . Ці показники виражаються так:

,(2,3) і (2,4)

Якщо функцію критерій (2,1) виразити через перемінні і , то можна визначити, що умові мінімальних відповідає величина , обумовлена залежністю:

(2,5)

де

для трансформаторів з циліндричними шаровими обмотками;

- коефіцієнт, що враховує додаткові втрати в обмотках і інших конструктивних елементах трансформатора при номінальному струмі від полів розсіювання

2.2.1 Обмотувальний конструктивний коефіцієнт -

Величина коефіцієнта - відповідає числу поверхонь охолодження обмоток НН і ВН і визначає схему розміщення обмоток. Схем розміщення обмоток характеризується числом концентрів у котушках. У дійсний час у практиці трансформаторобудування використовують дві основні схеми №1 і №2 подовжній розріз обмоток схем 1 і2 приводиться на малюнку 2,2.

Коефіцієнт розраховуються по наступній формі:

, (2,6)

де , - число вертикальних поверхонь охолодження обмоток НН і ВН.

Для трансформаторів потужністю 25 ква рекомендується прийняти схему 1, що відповідає .

При зазначеній схемі обмотки трансформатора мають два концентри і виконуються без охолодних каналів між шарами обмоток. Обмотка НН у схемі 1 звичайно двошарова з ізоляцією між шарами электрокартоном товщиною 0,5 мм.

Котушка НН намотуються на м'якому циліндрі, тому тепловіддача з внутрішньої поверхні цієї котушки погіршується й у розрахунку вона приймається за половинну. Обмотка ВН намотуються на ізоляційному циліндрі на рейках. При виконанні обмоток по схемі 1 вони в сумі мають 3,5 поверхні охолодження. Для всіх інших потужностей трансформаторів до 630 ква включно рекомендується прийняти схему 2, що відповідає величині . При виконанні обмоток по схемі 2 вони складаються з чотирьох концентрів. Обмотки НН і ВН розділені вертикальними охолодними каналами. Внутрішній шар обмотки ВН намотаний безпосередньо на твердому ізоляційному циліндрі й у процесі тепловіддачі не участвует. У схемі 2 обмотки мають 6,5 поверхонь охолодження.

2.2.2. Конструктивні параметри магнітної системи.

У завданні на проект передбачене застосування сучасних сталей марки з товщиною листа мм. Якщо марка стали (при ремонті) невідома, то рекомендується виконати її перевірку шляхом зняття характеристики неодруженого ходу з виміром активної і реактивної потужності, з розрахунком питомих утрат. Якщо марка електротехнічної сталі задана (чи відома) то після вибору попереднього значення індукції в стрижні необхідно по табл. ….... визначити відповідне цієї індукції значення питомих втрат і питомої потужності, що Отримані результати, що враховують додаткові втрати в сталі і наявність немагнітних зазорів у магнитопроводе, не належні перевищувати відповідні дані, приведені в [10], більш чим на 15-25% Для холоднокатаних сталей марок 3404 – 3407 товщиною 0,27 – 0,35 мм рекомендується приймати індукцію в межах 1,64 – 1,7 Тл. Таблиця 2.1 індукція, Що Рекомендується, у стрижнях трансформаторів

Марка стали	Потужність трансформатора в ква
	До 16	25-160	160 і більш
3404,3405,3406, 3407,3408

Рис. 2.2 Радіальна будівля обмоток для схем №1 і №2

Таблиця 2.2 Коефіцієнт заповнення пакетів ( ) для рулонної холоднокатаної сталі з нагревостойким покриттям

Марка стали	Товщина , мм
3404,3405,3406,3407, 3408	0,35	0,97
	0,30	0,96
3405,3406,3407,3408	0,27	0,95

Більше усіх використовуються сталі марок 3404 і 3405 товщиною 0,35; 0,3 і 0,27 мм.

Таблиця 2.2 Порівняльні показники для сталей марок 3404, 3405, 3406 товщиною 0,35; 0,3 і 0,27 мм.

Товщина , мм	Марка стали	Відносні питомі втрати в %	Відносна ціна в %	Відносне число пластин у пакетах рівної товщини
0,35
			104,1
0,30			104,1
		87,5	108,2
0,27		86,5	109,6
		81,3	112,7

Важливим конструктивним показником магнітної системи є коефіцієнт заповнення активною сталлю площі поперечного перетину стрижня магнитопровода

Коефіцієнт визначаються як відношення площі активного перетину стрижня магнитопровода до площі кола діаметром D довкола східчастого перетину стрижня. Коефіцієнт можна виразити так:

, (2,7)

де

- коефіцієнт заповнення пакета електротехнічної сталі активної (чистої) сталлю, значення залежить від товщини аркушів стали, товщини ізоляції сталі і зусилля обпресування стрижня (вибирається по таблиці 2,1);

- коефіцієнт використання площі кола – відношення площі східчастої фігури перетину стрижня до площі описаного кола діаметром D. Величина залежать від числа пакетів у перетині стрижня. Зі збільшенням діаметра стрижня число пакетів (і ) збільшується попередньо його можна визначати по формулі:

, (2,8)

Попереднє значення D (у мм) визначається по емпіричній залежності:

, (2,9)

Форма поперечного перетину ярма в середній частині по розмірам пакетів звичайно повторять перетин стрижня. Крайні пакети в метах поліпшення прессовки ярма ярмовыми балками, більш рівномірного розподілу магнітного потоку і тиску по ширині пакетів в один. Унаслідок цього площа поперечного перетину ярма небагато більше площі перетину стрижня. Це враховується коефіцієнтом посилення перетину ярма який у середньому рівний 1.03

Кількість пакетів стали різної ширини в перетині стрижня визначається числом ступіней ( ) (кутів пакетів) в описаного довкола стрижня кола, обраної по одну сторону якої-небудь з осей симетрії. Величина вибираються в залежності від потужності трансформатора по таблиці 2.3.

Таблиця 2.3

Потужність (ква)		40-100	160-630
Число ступіней у перетині стрижня ( )

Повне число пакетів стали в перетині стрижня

Детальна розробка перетину стрижня і ярма приведена в [1,2,5,10]