СУДОСТРОЕНИЕ 5'2015
О ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЯХ В ТРАНСФОРМАТОРЕ С РАЗДЕЛЯЕМЫМ СЕРДЕЧНИКОМ
А. О. Гринёва, М. В. Тепляков, канд. техн. наук, М. Д. Хазиева (ООО «НПЦ «СЭС», e-mail: ses@npcses.ru)
Актуальность беспроводной передачи электроэнергии подтверждается большим количеством публикаций и оформленных патентов. Специалисты ООО «НПЦ «СЭС» в течение 2013—2015 гг. также исследовали данную проблему с целью получения практического устройства. Требовалось создать комплекс, обеспечивающий передачу электроэнергии от корабельной электростанции (3х380 В, 50 Гц) для подзарядки батареи из литий-ионных аккумуляторов напряжением около 65 В. Главная задача, которую при этом необходимо было решить, это создание трансформатора с раздельными магнитопро-водами, первичной и вторичной обмотками, которые могут обеспечивать передачу электроэнергии при сближении электромагнитных систем по линии разъёма (рис. 1).
Исследовали трансформатор, состоящий из двух 11-образных сердечников, на каждом из которых находились индивидуальные обмотки (первичная и вторичная). Сердечники с обмотками сближали друг с другом по плоскости торцов, соответствующих поперечному сечению магнитопроводов, включали схему и замеряли электрические характеристики. Для эксперимента был использован трансформатор со следующими параметрами: рас-
Рис. 1. Трансформатор с разъёмным магнитопроводом:
1 и 2 — сердечники первичной и вторичной обмоток; 3 и 4 — первичная и вторичная обмотки трансформатора
чётная мощность Р около 15 кВ А; f = 20 кГц; и1 = 520 В; и2 = 70 В, зазор 1 мм. При этом следует учесть, что величина зазора 1 мм принималась в качестве расчётной, а в эксперименте и в эксплуатации она могла отличаться от расчётной в несколько раз.
В процессе работы любой трансформатор теряет часть преобразуемой энергии. Эти потери идут на нагревание магнитопро-вода, первичной и вторичной обмоток и разделяются на электрические и магнитные.
Электрические потери в обмотках, вызванные нагрузочными токами в них, рассчитываются по формуле
P = 12R + 12R
э 11 2 2'
(1)
где Рэ — суммарная мощность электрических потерь; 11 и К1 — сила тока и активное сопротивление первичной обмотки; 12 и К2 — сила тока и активное сопротивление вторичной обмотки соответственно.
Магнитные потери возникают вследствие перемагничивания магнитопровода переменным магнитным полем. Частота перемагничивания определяется частотой протекающего по обмоткам тока. Магнитные потери обусловлены:
— потерями на гистерезис, пропорциональными площади петли гистерезиса и связанными с затратой энергии на преодоление остаточного магнетизма;
— вихревыми токами, возникающими в материале магнитопровода-сердечника под действием переменного магнитного поля. Эти токи поглощают электрическую энергию, превращая ее в тепло и нагревая маг-нитопровод, в котором они возникают;
— последействием, иначе говоря, магнитной вязкостью.
В низкочастотных трансформаторах потери на последействие относительно малы по сравнению с остальными, поэтому магнитные потери складываются из первых двух составляющих, которые называют потерями в стали и обозначают Рст. Они определяются выражением [1]:
Рст = pGc.
(2)
где р — коэффициент удельных потерь, зависящий от материала сердечника, его конструк-
судостроение 5 2015 СУД0З05 050РУД03АНЖ5
тивных особенностей, частоты и максимальной магнитной индукции, Вт/кг; G — масса магнитопровода, кг.
В эксперименте тепло-отвод от нагретых частей трансформатора осуществлялся естественной конвекцией воздуха в лабораторном помещении и излучением. Непосредственно в процессе работы трансформатора на нагрузку через равные промежутки времени пирометром измеряли температуру (таблица). Общая картина теплового поля на элементах трансформатора, полученная с помощью тепловизора типа Fluke на последних минутах эксперимента, представлена на рис. 2.
В начале эксперимента рост траектории графика (рис. 3) происходит достаточно резко за счёт теплоёмкости составных частей трансформатора, так как теплоотдача отсутствует. Далее температура повышается до определённого значения, при котором большая часть выделяемого тепла отдаётся в окружающую среду. Из графиков очевидно, что сердечники первичной и вторичной обмоток трансформатора разогреваются приблизительно одинаково, как и их обмотки. На 90-й минуте эксперимента температуры обмоток и сердечника не стабилизировались, для них продолжился так называемый период неустановившегося теплового состояния. Достигнутая к этому моменту темпера-
перегрева для заданной нагрузки; Т — постоянная времени.
В общем виде при наличии некоторого начального перегрева Тн выражение для кривой нагрева имеет вид
Т, = Туст(1 - е",/Т> + Тне"'/Т .(4)
Постоянная времени обмотки
Г = ■
'о
Pk
с..°мТ0
P,
Киз, (5)
Рис. 2. Тепловизионное изображение работы трансформатора:
1 и 2 — сердечники первичной и вторичной обмоток соответственно; 3 — зазор между половинками трансформатора; 4 и 5 — первичная и вторичная обмотки соответственно
где см = 6,6 (Вт-мин)/(кг-°С) — удельная теплоёмкость меди; См — масса меди, кг; Киз — 1,2...1,25 — коэффициент, учитывающий теплоёмкость витковой изоляции.
Для общего случая для постоянной времени масло-наполненного трансформатора справедливо выражение
!свт
!Р
0,12(6+ с.+ 2да) + 0,5в
' 1 м с ' 3 б' ' м<
где ^ G, G6
(6)
Данные замеров температуры элемен тов трансформатора под нагрузкой
Температура, °С
Время замера, мин Провод обмотки трансформатора Сердечник обмотки трансформатора
первич- вторич- первич- вторич-
ной ной ной ной
0 34 38,9 42,9 39,4
10 54 49 77,5 80
20 64 63 94,9 91,1
30 64 66 100 102
40 68 69 106 105
50 69 70 112 107
60 72 73 117 112
70 78 77 122 120
80 78 75 125 122
90 80 76 128 128
Рис. 3. Изменение температур различный частей трансформатора:
Тпп, Тпв — соответственно температура провода первичной и вторичной обмотки трансформатора; Тсп, Тсв — соответственно температура сердечников первичной и вторичной обмоток трансформатора
тура приблизилась к критической для магнитопровода, поэтому эксперимент был прекращён, а для определения конечной температуры можно воспользоваться графической экстраполяцией. График роста показывает, что температура стремится к установившимся значениям, однако может выйти за предельные величины, допустимые для материала сердечника, поэтому следует выполнить технические мероприятия по ограничению тепловыделения в сердечнике либо увеличить интенсивность охлаждения электромагнитной системы.
Согласно [2], уравнение экспоненциальной кривой (при отсутствии начального перегрева):
м -6, Смсс — соответственно масса меди, стали, бака и масла, кг.
Очевидно, что в последнем математическом выражении для нашего случая массой бака и массой масла следует пренебречь.
Заключение. Трансформатор с разделяемым сердечником зарекомендовал себя как устройство, в данном случае практически не уступающее по свойствам классическому трансформатору. Проблема обеспечения оптимальных тепловых режимов конструктивных элементов трансформатора может быть решена за счёт их принудительного охлаждения. Существует возможность использования для этих целей обдува вентилятором, что широко применяется во многих устройствах подобного типа (сварочные трансформаторы, выпрямители).
т,= V(1 - е"'/Т> '
(3)
где т — перегрев в момент времени t; т ст — установившееся значение
Литература
1. Китаев В. Е. Трансформаторы. Учеб. пособие для проф.-техн. учеб. заведений и подгот. рабочих на производстве. Изд. 3-е, испр. М.: Высшая школа, 1974.
2. Дымков А. М. Расчёт и конструирование трансформаторов. Учебник для техникумов. М.: Высшая школа, 1971.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.