RU2788080C1 - Способ определения потерь на вихревые токи в стали магнитопровода трансформатора - Google Patents
Способ определения потерь на вихревые токи в стали магнитопровода трансформатора Download PDFInfo
- Publication number
- RU2788080C1 RU2788080C1 RU2021130059A RU2021130059A RU2788080C1 RU 2788080 C1 RU2788080 C1 RU 2788080C1 RU 2021130059 A RU2021130059 A RU 2021130059A RU 2021130059 A RU2021130059 A RU 2021130059A RU 2788080 C1 RU2788080 C1 RU 2788080C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- losses
- temperature
- magnetic circuit
- eddy current
- steel
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic Effects 0.000 title claims abstract description 54
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 18
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 230000002547 anomalous Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 230000005294 ferromagnetic Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 229910000565 Non-oriented electrical steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 229910000529 magnetic ferrite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005417 remagnetization Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к электротехнике. Техническим результатом является возможность определения вихретоковых классических и аномальных потерь в магнитопроводе трансформатора при рабочей температуре на основании опытов и расчетов без сложного частотного преобразователя. Способ определения потерь на вихревые токи в магнитопроводе трансформатора включает три измерения полных потерь в стали магнитопровода опытом холостого хода при температурах Т1, например при температуре окружающей среды, Т2, например при средней между температурой окружающей среды и установившейся рабочей температурой, и Т3, например при установившейся рабочей температуре. А также расчет вихретоковых классических и аномальных потерь по результатам трех измеренных потерь в магнитопроводе при температурах Т1, Т2, Т3 и по значению температурного коэффициента электрического сопротивления стали пластин магнитопровода.
Description
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для уменьшения магнитных потерь в трансформаторах и других электрических машинах.
В настоящее время считается, что полные потери в стали магнитопроводов состоят из трех компонентов
Р=Рг+Рв+Ра,
где Рг - потери на гистерезис;
Рв - вихретоковые классические потери;
Ра - вихретоковые аномальные (избыточные) потери.
Для качественного проектирования конструкции и материала сердечника магнитопровода необходимы уточненные данные о соотношении всех трех составляющих полных потерь, так как гистерезисные и вихретоковые потери по многим параметрам разнонаправлены. Например, с уменьшением толщины пластин магнитопровода вхиретоковые потери снижаются, а гистерезисные растут. Та же тенденция наблюдается при уменьшении размеров зерна стали [см., например, Hiura A. et. al. «Magnetic properties of high-permeability thin gauge non-oriented electrical steel sheets», Journal de physique. IV (1998), pp. 499-502. DOI: 10.1051/jp4:19982115].
Известен способ определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора как отношение зависимости интеграла среднеарифметического значения приведенных напряжений от тока намагничивания к периоду питающей сети [Патент RU 2304787].
Известный способ предполагает определение полных потерь в магнитопроводе без разделения их на составляющие.
Известен метод измерения низкочастотной характеристики ферромагнитного элемента без нагрузки [патент Китая CN 106249068А, G01R 31/00, G01R 35/12, опубл. 21.12.2016], включающий измерение полных потерь в стали на двух частотах (абзац 0015) и вычисление коэффициентов, входящих в потери на гистерезис и на вихревые токи, однако сами потери не определены. Кроме того, известным методом невозможно определить третью составляющую полных потерь.
Известен низкочастотный способ измерения потерь в сердечнике ферромагнитного элемента [патент Китая CN 105929250А, G01R 27/26, опубл. 07.09.2016], в котором измеряют потери в магнитопроводе на m частотах (абзац 0033), однако отдельные потери, входящие в полные потери в стали, здесь также не определены.
Известен способ определения магнитных потерь в стали магнитопровода (прототип), включающий измерение полных потерь в магнитопроводе опытом холостого хода на трех частотах и вычисление гистерезисных, вихретоковых классических и вихретоковых аномальных потерь по результатам измерений [патент РФ 2750134, МПК G01R 27/26, опубл. 22.06.2021].
Недостаток известного способа заключается в том, что для его реализации необходим дорогостоящий источник строго синусоидального тока регулируемой частоты (например, синхронный генератор, ротор которого вращается асинхронным двигателем с частотным управлением). Кроме того, данным способом определяют магнитные потери при температуре проведения опыта холостого хода (как правило, это температура окружающей среды), однако магнитная система трансформатора при длительной работе имеет температуру, превышение которой над температурой окружающей среды допускается на 75°С [ГОСТ 52719-2007. Трансформаторы силовые. Общие технические требования, таблица 3].
Изобретение решает задачу упрощения определения магнитных потерь и их определение при рабочей температуре магнитопровода трансформатора.
Техническим результатом от использования изобретения является возможность определения составляющих потерь на вихревые токи в магнитопроводе трансформатора при рабочей температуре, без использования сложного частотного преобразователя на основании несложных измерений и расчетов.
Это достигается тем, что в способе определения потерь в магнитопроводе трансформатора, включающем измерение полных потерь в магнитопроводе опытом холостого хода на трех частотах и вычисление вихретоковых и аномальных потерь по результатам измерений, согласно изобретению, опыты холостого хода проводят на одной частоте при трех температурах, вихретоковые классические Рв1 и вихретоковые аномальные Ра1 потери при температуре Т1 вычисляют по формуле
а вихретоковые классические Рв3 и вихретоковые аномальные потери при температуре Т3 - по формуле
где Р1 - потери в магнитопроводе при температуре Т1;
Р2 - потери в магнитопроводе при температуре Т2;
Р3 - потери в магнитопроводе при температуре Т3;
k21=1+α(Т2-Т1); k31=1+α(T3-T1); k32=1+α(Т3-Т2);
α - температурный коэффициент электрического сопротивления стали магнитопровода.
Заявляемый способ определения потерь на вихревые токи в магнитопроводе трансформатора отличается проведением опытов холостого хода на одной частоте при трех температурах: T1 (например, при температуре окружающей среды), Т2 (например, при средней температуре между Т1 и Т3) и Т3 (например, при установившейся рабочей температуре) и вычислением вихретоковых классических и вихретоковых аномальных потерь по результатам трех измеренных потерь в магнитопроводе, значению температурного коэффициента сопротивления стали пластин магнитопровода и значениям температур Т1, Т2, Т3.
В работе [Yan Z., Ai-mibg S. Simplified ferrite core loss separation model for switched mode power converter // IET Power Electronics., 2016, Vol.9, Iss. 3, pp.529-535. DOI: 10.1049/iet-pel.2015.0146] в формуле (4) указано, что полные потери в магнитопроводе Р состоят из трех компонентов Р=Рг+Рв+Ра.
Здесь потери на гистерезис
вихретоковые классические потери
и вихретоковые аномальные потери
где с1, с2, с3 - коэффициенты, определяемые эмпирически; χ - коэффициент гистерезисных потерь (коэффициент Штейметца); Ае - площадь поперечного сечения магнитопровода; Bm - амплитудное значение магнитной индукции; ƒ - частота перемагничивания; ρ - удельное электрическое сопротивление материала магнитопровода при температуре 20°С.
В формулах (1)-(3) значения c1, c2, c3, χ, Ае, Bm и ƒ не зависят от температуры, на которую нагревается магнитопровод, а значение ρ практически линейно возрастает с ростом температуры [Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 304 с. рисунок 7-15], поэтому вихретоковые классические потери Рв и вихретоковые аномальные потери Ра при температуре Т1 можно выразить формулами
вихретоковые классические и вихретоковые аномальные потери при температуре Т2
а вихретоковые классические и вихретоковые аномальные потери при температуре Т3
где А, В - коэффициенты, не зависящие от температуры; ρ1, ρ2, ρ3, - удельные сопротивления материала магнитопровода соответственно при температурах Т1, Т2 и Т3.
Полные потери при температуре Т1
полные потери при температуре Т2
полные потери при температуре Т3
После вычитания Р2 из Р1 получим
При этом потери на гистерезис Рг в формулу (10) не входят.
Удельное сопротивление стали магнитопровода при температуре Т2
удельное сопротивление при температуре Т3
где α - температурный коэффициент электрического сопротивления стали магнитопровода;
k21=1+α(Т2-Т1);
k31=1+α(Т3-Т1);
k32=1+α(Т3-Т2).
Подставив (11) в (10), с учетом (4) и (4а) получим
После вычитания полных потерь Р3 из P1 и получим
Подставив (12) в (14), с учетом (4) и (4а) получим
Таким образом, для температуры Т1 получено два уравнения (13) и (15) с двумя неизвестными Рв1 и Ра1. В матричной форме эти уравнения имеют вид
Из выражений (12) и (12а) соответственно получим
Подставив (17) и (18) в выражение (10), с учетом (6) и (6а) получим
Подставив (17) в выражение (14), с учетом (6) и (6а) получим
Таким образом, для температуры Т3 получено два уравнения (19) и (20) с двумя неизвестными Рв3 и Ра3. В матричной форме эти уравнения имеют вид
По формуле (16) можно вычислить вихретоковые классические и вихретоковые аномальные потери при температуре Т1 (например, при температуре окружающей среды), по формуле (21) - данные потери при температуре T3 (например, при установившейся рабочей температуре трансформатора). Потери при температуре Т1 нужно знать для сравнения результатов данного способа с результатами других способов определения потерь, а потери при температуре Т3 - для знания потерь при фактическом нагреве трансформатора. Потери при температуре Т2 интереса не представляют.
Формулы, непосредственно связывающие значения потерь на вихревые токи (классические и аномальные) с полными потерями, измеренными в трех опытах холостого хода, и температурами магнитопровода при данных измерениях, выведены автором впервые.
Способ осуществляют следующим образом.
При разомкнутой обмотке низкого напряжения к обмотке высокого напряжения понижающего трансформатора подают номинальное напряжение переменного тока (опыт холостого хода) и непосредственно после включения трансформатора измеряют с помощью ваттметра потери мощности Р1 в этой обмотке, которые представляют собой полные потери в магнитопроводе (потери в стали). При этом считается, что магнитопровод имел температуру окружающей среды Т1. Затем к вторичной обмотке трансформатора подключают номинальную нагрузку, поддерживают рабочий режим в течение времени, равном (0,5…2) тепловой постоянной времени трансформатора, кратковременно отключают нагрузку от вторичной обмотки на период измерения потерь мощности Р2 при температуре Т2. Далее поддерживают работу трансформатора с номинальной нагрузкой в течение времени, необходимого для достижения установившейся температуры (например, в течение четырех тепловых постоянных времени трансформатора), отключают нагрузку от вторичной обмотки и измеряют потери мощности Р3 и температуру Т3 (например, установившуюся рабочую температуру). После измерения полных потерь Р1 при температуре Т1, полных потерь Р2 при температуре Т2 и полных потерь Р3 при температуре Т3 с учетом коэффициента температурного сопротивления стали пластин а по формулам (16) и (21) вычисляют вихретоковые и аномальные потери при температурах соответственно Т1 и Т3.
Пример осуществления способа.
Для однофазного сухого трансформатора ОСМ1-1,6М мощностью 1600 ВА, магнитопровод которого выполнен из пластин электротехнической анизотропной стали 3405 (температурный коэффициент сопротивления α=0,00241/°С) в опыте холостого хода, проведенном при температуре окружающей среды Т1=22°С, показание ваттметра составили Р1=20,10 Вт, в опыте холостого хода, проведенном при температуре Т2=60°С - Р2=19,38 Вт, а в опыте холостого хода, проведенном при температуре Т3=92°С - Р3=18,86 Вт. Все опыты проводились на частоте 50 Гц при номинальном первичном напряжении.
k21=1+α(Т2-Т1)=1+0,0024 (60-22)=1,0912
k31=1+α(Т3-Т1)=1+0,0024 (92-22)=1,1680
k32=1+α(Т3-Т2)=1+0,0024 (92-60)=1,0768
Р1-Р2=20,10-19,38=0,72 Вт
P1-Р3=20,10-18,86=1,24 Вт
Вихретоковые классические и вихретоковые аномальные потери при температуре Т1=22°С определены по формуле (16)
Определители системы: Δ1=0,000105, Δ2=0,000715, Δ3=0,000365.
Результаты расчета: Рв1=6,81 Вт, Ра1=3,48 Вт
Вихретоковые классические и вихретоковые аномальные потери при температуре Т3=92°С определены по формуле (21)
Определители системы: Δ1=0,000136, Δ2=0.000751, Δ3=0,000441.
Результаты расчета: Рв3=5,52 Вт, Ра3=3,24 Вт.
Потери на гистерезис Рг в данном трансформаторе при температуре Т1=22°С составляют Рг=Р1-Рв1-Ра1=20,10-6.81-3,48=9,81 Вт, при температуре Т3=92°С составляют Рг=Р3-Рв3-Ра3=18,86-5,82-3,24=9,80 Вт. Данные результаты хорошо согласуются с результатами определения потерь в магнитопроводе этого же трансформатора, полученными другим способом при температуре окружающей среды [патент РФ 2750134]. Установлено также, что гистерезисные потери практически не зависят от температуры.
Разделение полных потерь в магнитопроводе на составляющие позволяет оптимизировать толщину пластин магнитопровода, размеры зерна в его стали и температурах Т1, Т2, Т3 и по значению температурного коэффициента электрического сопротивления стали пластин магнитопровода.
Claims (11)
- Способ определения потерь в магнитопроводе трансформатора, включающий измерение полных потерь в магнитопроводе опытом холостого хода на трех частотах и вычисление вихретоковых классических и аномальных потерь по результатам измерений, отличающийся тем, что опыты холостого хода проводят на одной частоте при трех температурах, вихретоковые классические Рв1 и вихретоковые аномальные Ра1 потери при температуре Т1 вычисляют по формуле
- а вихретоковые классические Рв3 и вхиретоковые аномальные Ра3 потери при температуре Т3 - по формуле
- где P1 - потери в магнитопроводе при температуре Т1;
- Р2 - потери в магнитопроводе при температуре Т2;
- Р3 - потери в магнитопроводе при температуре Т3;
- k21=1+α(T2-T1);
- k31=1+α(T3-T1);
- k32=1+α(Т3-Т2);
- α - температурный коэффициент электрического сопротивления стали магнитопровода.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2788080C1 true RU2788080C1 (ru) | 2023-01-16 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2815818C1 (ru) * | 2023-05-24 | 2024-03-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | Способ определения показателя степени магнитной индукции в аномальных потерях сердечника трансформатора |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2304787C1 (ru) * | 2006-05-02 | 2007-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Способ определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме |
RU2374656C1 (ru) * | 2008-02-12 | 2009-11-27 | Владимир Константинович Козлов | Способ формирования диагностического параметра при испытаниях электромагнитных преобразователей энергии |
CN105929250A (zh) * | 2016-07-08 | 2016-09-07 | 云南电力试验研究院(集团)有限公司 | 一种铁磁元件铁心损耗低频测量方法 |
CN106249068A (zh) * | 2016-07-08 | 2016-12-21 | 云南电力试验研究院(集团)有限公司 | 一种铁磁元件空载特性低频测量方法 |
RU2750134C1 (ru) * | 2020-09-04 | 2021-06-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | Способ определения магнитных потерь в стали магнитопровода |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2304787C1 (ru) * | 2006-05-02 | 2007-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Способ определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме |
RU2374656C1 (ru) * | 2008-02-12 | 2009-11-27 | Владимир Константинович Козлов | Способ формирования диагностического параметра при испытаниях электромагнитных преобразователей энергии |
CN105929250A (zh) * | 2016-07-08 | 2016-09-07 | 云南电力试验研究院(集团)有限公司 | 一种铁磁元件铁心损耗低频测量方法 |
CN106249068A (zh) * | 2016-07-08 | 2016-12-21 | 云南电力试验研究院(集团)有限公司 | 一种铁磁元件空载特性低频测量方法 |
RU2750134C1 (ru) * | 2020-09-04 | 2021-06-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | Способ определения магнитных потерь в стали магнитопровода |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2815818C1 (ru) * | 2023-05-24 | 2024-03-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | Способ определения показателя степени магнитной индукции в аномальных потерях сердечника трансформатора |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109283399B (zh) | 一种高频磁元件绕组损耗的测量方法 | |
Lee et al. | Prediction of iron losses using the modified Steinmetz equation under the sinusoidal waveform | |
Fuchs et al. | Measurement of three-phase transformer derating and reactive power demand under nonlinear loading conditions | |
Tekgun et al. | Measurement of core losses in electrical steel in the saturation region under DC bias conditions | |
Hwang et al. | Distribution transformer winding losses due to nonsinusoidal currents | |
Dao et al. | Effects of voltage harmonics on distribution transformer losses | |
Deda et al. | Induction motor efficiency test methods: A comparison of standards | |
Biasion et al. | Iron Loss Characterization in Laminated Cores at Room and Liquid Nitrogen Temperature | |
RU2788080C1 (ru) | Способ определения потерь на вихревые токи в стали магнитопровода трансформатора | |
Nagornyy et al. | Stray load loss efficiency connections | |
Schmitz et al. | Three-phase electromagnetic device for the evaluation of the magnetic losses in electric motors’ stators | |
Plotnikov | Analysis of the Methods for Determining Losses in the Transformer Magnetic Core | |
Petrun et al. | Evaluation of iron core quality for resistance spot welding transformers using current controlled supply | |
Utschick et al. | AC Loss Behavior of Wireless Power Transfer Coils | |
Urata et al. | The calculation considered two-dimensional vector magnetic properties depending on frequency of transformers | |
RU2781946C1 (ru) | Способ определения потерь на вихревые токи в магнитопроводе трансформатора | |
Ðuran et al. | Comparison of different methods for efficiency determination acc. to IEC for specific induction motor | |
Damnjanovic et al. | The measurement and evaluation of distribution transformer losses under nonlinear loading | |
RU2755053C1 (ru) | Способ определения магнитных потерь в трансформаторе | |
RU2750134C1 (ru) | Способ определения магнитных потерь в стали магнитопровода | |
RU2764780C1 (ru) | Способ определения показателя степени магнитной индукции в потерях на гистерезис для стали сердечника трансформатора | |
Américo et al. | A non-invasive methodology for magnetic characterization of transformers and reactors | |
RU2796600C1 (ru) | Способ определения магнитных потерь в трансформаторе | |
WO2013048348A1 (en) | Device and testing procedure for determination of magnetic circuit quality | |
Bompou et al. | Loss in steel armour wires for submarine power cables |