Методика определения степени магнитной индукции трансформаторов с синусоидальным магнитным потоком

Исследовано уменьшение потерь в стали магнитопроводов электрических машин. Данные потери составляют до 5 % вырабатываемой электроэнергии, не зависят от нагрузки и могут возрастать в течение срока эксплуатации оборудования. Для эффективного проектирования и конструирования трансформаторов с низкими потерями холостого хода полные потери в стали минимизируют путём оптимизации размеров кристаллического зерна и толщины листов сердечников, совершенствования текстуры стали и конструкции магнитопровода и пр. Однако данные меры по-разному влияют на гистерезисную, вихретоковые классическую и аномальную составляющие потерь в стали, что не позволяет эффективно минимизировать полные потери. Разработана методика определения трёх составляющих потерь с применением модернизированного метода трёх частот, в котором учтена зависимость коэффициента гистерезисных потерь от частоты. Выведена формула для коррекции этого коэффициента. Показано, что приведённый в большинстве современных научных источников показатель степени магнитной индукции в выражении для вихретоковых аномальных потерь стал неактуальным. Представлена методика расчёта данного показателя для сердечника конкретного трансформатора, в которой используются найденные методом трёх частот составляющие потерь и полные потери в стали при пониженном первичном напряжении. Для исследуемого трансформатора показатель степени магнитной индукции в аномальных потерях составил 1,88. Полученные результаты можно применять при проектировании сухих и масляных трансформаторов разных мощностей, работающих при синусоидальном магнитном потоке.

1. Bertotti G. General properties of power losses in soft ferromagnetic materials. IEEE Transactions on Magnetics, 24(1), 621–630 (1988). https://doi.org/10.1109/20.43994

2. Reinert J., Brockmeyer A., De Doncker R. W. Calculation of losses in ferro- and ferrimagnetic materials based on the modifi ed Steinmetz equation. IEEE Transactions on Industry Applications, 37(4), 1055–1061 (2001). https://doi.org/10.1109/28.936396

3. Yan Z., Ai-ming S. Simplifi ed ferrite core loss separation model for switched mode power converter. IET Power Electron, 9, 529–535 (2016). https://doi.org/10.1049/iet-pel.2015.0146

4. Nasir B. An accurate iron core loss model in equivalent circuit of induction machines. Journal of Energy, 2020, 7613737 (2020). https://doi.org/10.1155/2020/7613737

5. Pfingsten G. et al. Operating point resolved loss computation in electrical machines. Archives of electrical engineering, 65(1), 73–86 (2016). https://doi.org/10.1515/aee-2016-0006

6. Ibrahim М., Pillay P. Advanced testing and modeling of magnetic materials including a new method of core loss separation for electrical machines. Industry Applications IEEE Transactions, 48(5), 1507–1515 (2012). https://doi.org/10.1109/TIA.2012.2210012

7. Lee P. K. et al. Aircraft loss of control: analysis and requirements for future safety-critical systems and their validation. Proc. 2011 8th Asian Control Conference (ASCC), 15–18 May 2011, Kaohsiung, Taiwan, IEEE Publ., pp. 399–406 (2011).

8. Kim Y.-T., Cho G., Kim G.-T. The estimation method comparison of iron loss coefficients through the iron loss calculation. Journal of Electrical Engineering and Technology, 8(6), 1409–1414 (2013). https://doi.org/10.5370/JEET.2013.8.6.1409

9. Плотников С. М., Щеголева Т. В. Уточнение коэффициента Штейнмеца для стали сердечника трансформатора. Электричество, 4(4), 73–78 (2023) https://doi.org/10.24160/0013-5380-2023-4-73-78

10. Плотников С. М. Способ определения показателя магнитной индукции в потерях на гистерезис для стали сердечника трансформатора: пат. RU 2764780 C1. Изобретения. Полезные модели. № 3 (2021).

11. Bertotti G. A general statistical approach to the problem of eddy current losses. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 41(1–3), 253–260 (1984). https://doi.org/10.1016/0304-8853(84)90192-6

12. Li J., Abdallah T., Sullivan C. R., Conference record of the 2001 IEEE Industry Applications Conference Thirty-Sixth IAS Annual Meeting, 30 September – 4 October 2001, Chicago, USA, IEEE Publ., 4, 2203–2210 (2001).

13. Mayergoyz I. D., Serpico C. Frequency scaling of excess hysteresis losses. IEEE Transactions on Magnetics, 36(5), 3192–3194 (2000). https://doi.org/10.1109/20.908733

14. Hein H. Z. et al. Core Losses Analysis for Soft Magnetic Materials under SPWM. Excitations International Journal of Electromagnetics and Applications, 10(1), 1–6 (2020). https://doi.org/10.5923/j.ijea.20201001.01

15. Fish G. E., Chang C.-F., Bye R. Frequency dependence of core loss in rapidly quenched Fe-6.5 wt. %Si. Journal of Applied Physics, 64(10), 5370–5372 (1998). https://doi.org/10.1063/1.342374

16. Szczygłowski J., Kopciuszewski P., Wilczyński W., Roman A. Energy losses in Fe-based and Co-based amorphous materials. Materials Science and Enginering, 75(1), 13–16 (2000). https://doi.org/10.1016/S0921-5107(00)00376-7

17. Плотников С. М., Иксиль Н. Определение составляющих потерь в стали магнитопроводов электрических машин. Измерительная техника, (9), 53–58 (2023). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-9-53-58

18. Плотников С. М. Способ определения магнитных потерь в стали магнитопровода: пат. RU 2750134 C1. Изобретения. Полезные модели. № 18 (2021). [Plotnikov S. M. Patent RU 2750134 C1. Inventions. Utility models, no. 18 (2021). (In Russ.)]

19. Popescu M. et al. On the physical basis of power losses in laminated steel and minimum-effort modeling in an industrial design environment. Proc. Industry Applications Conference Forty-Second IAS Annual Meeting “IEEE Industry Applications Annual Meeting”, 23–27 September 2007, IEEE Publ., pp. 60–66 (2007). https://doi.org/10.1109/07IAS.2007.14