Расчёт вторичной обмотки однофазного трансформатора

Многофункциональные керамикоподобные покрытия на металлы вентильной группы (Al, Mg, Ta, Ti, Zr, Be) методами МДО (микродуговое оксидирование) и ТЭХО (термоэлектрохимическое оксидирование) обеспечивают хорошую электрическую изоляцию проводников для обмоток трансформаторов, дросселей, электрических машин. Термостойкость покрытия до 2000 ^оС позволяет разрабатывать аппараты с высокими плотностями токов в рабочих обмотках, что обеспечивает возможность длительной работы устройств со значительными перегрузками, стойкости к к.з., в то же время масса изделия оказывается меньше по сравнении с аналогами.

Для моделирования была предложена магнитная система сухого алюминиевого трансформатора с керамической изоляцией обмоточных проводов для контактной сварки. С целью верификации полученных в эксперименте результатов и уточнения предполагаемых параметров при оптимизации трансформатора была произведена серия расчётов в среде моделирования ANSYS.

Основными задачами численного эксперимента были:

1. Подготовить виртуальную модель трансформатора для проведения виртуальных экспериментов, проверки случая работы трансформатора с измененной топологией вторичной обмотки.
2. Повторить натурный эксперимент, провести опыт работы трансформатора на минимальную нагрузку для определения максимально-возможного тока вторичной обмотки.
3. Определить распределение магнитного поля и токов во вторичной обмотке в зависимости от количества параллельных витков при плотностях тока i в первичной обмотке 10, 20, 30 А/мм2 с целью нахождения максимально возможного тока во вторичной обмотке.

Задача осложнялась необходимостью использования специфической шихтовки стального пакет для обеспечения анизотропного поведения магнитного поля в ленточном типе магнитопровода.

Моделирование магнитного поля в ANSYS Maxwell

1. С целью понижения размерности сеточной модели магнитной системы использовалась ¼ симметричная её часть.
2. Первичная обмотка моделируется как катушка с сосредоточенными параметрами.
3. Катушечные группы, объединённые в параллельные ветви, включены посредством редактора схем с измерительным оборудованием для определения тока короткого замыкания и падения напряжения на обмотке.
4. Нестационарный магнитный расчёт позволил определить значение токов в каждом элементарном проводнике параллельных ветвей вторичной обмотки. На этом этапе было важно учесть эффект вытеснения тока в массивных проводниках и перераспределение тока между параллельными ветвями обмотки из-за существенных полей рассеяния, что значительно сказывается на величине общих потерь.
5. Для опыта работы трансформатора на минимальную нагрузку определены значения падения напряжения и максимального тока вторичной обмотки.

Заключение:

Подготовленная численная модель была проверена путём сравнения результатов моделирования с натурным экспериментом, по электрическим величинам вторичной обмотки различия составили не более 5%. Хорошее согласование результатов указывает на правильность использованных методик моделирования для такого класса задач.

Виртуальная модель в дальнейшем была использована для проверки случая работы трансформатора с измененной топологией вторичной обмотки.