Резюме: В статье рассматриваются отдельные вопросы оптимизации, связанные с проектированием трансформаторов, работающих в преобразователях транспортных средств с электроприводом. Сравниваются результаты моделирования влияния материала магнитного сердечника на потери и габаритные размеры трансформатора.

Также представлена оптимизация конструкции трансформатора для повышения эффективности принудительного охлаждения. Параметры были смоделированы с помощью программного обеспечения для проектирования от компании RALE Engineering GmbH.

Ключевые слова: трансформаторы для статистических преобразователей, аморфные материалы, нанокристаллические материалы

Требования к железнодорожным трансформаторам
Трансформаторы статических преобразователей рельсовых транспортных средств работают в тяжелых условиях. Электропитание от контактных сетей в сочетании с ожиданием исключительной надежности определяет параметры и жесткие требования к системе изоляции трансформаторов. Климатические условия и механические воздействия являются дополнительными ограничениями, которые влияют на используемые конструктивные решения и применяемые материалы.

Технический стандарт PN-EN 60310 определяет общие требования для трансформаторов и дросселей, используемых в подвижном составе. С точки зрения трансформаторов, особого внимания заслуживают требования стандарта PN-EN 50124-1, относящиеся к координации изоляции в соответствии с классом перенапряжения (OVx), который определяет ожидаемое воздействие перенапряжения на изоляцию. Вводится понятие зоны загрязнения (PDx), которая оказывает влияние на изоляционные зазоры и используемые технологические решения. Стандарт EN 600721 классифицирует группы факторов окружающей среды и их интенсивность в месте расположения трансформаторов, учитывая воздействия климатического, биологического, химического и механического характера.

Механические воздействия являются чрезвычайно важным аспектом в электромобильной технике. Методы исследования устойчивости трансформаторов к вибрациям, возникающим при движении транспортного средства и передающимся на установленное на борту оборудование, определены в стандарте PN-EN 61373. В документе указаны частоты и амплитуды вибраций, действующих в разных плоскостях на трансформатор, в зависимости от места установки оборудования на рельсовом транспортном средстве.

Трансформаторы и дроссели для применения на железнодорожном транспорте должны отвечать строгим требованиям всех рассматриваемых стандартов. В связи с повышенными техническими требованиями они являются нестандартными высокотехнологичными устройствами.

Проектирование и оптимизация конструкций
Основной целью оптимизации при работе над конструкцией железнодорожных трансформаторов является достижение минимально возможного веса компонентов при сохранении электрических параметров, а также климатической и механической стойкости. В ходе разработки конструкции трансформатора для применения на железнодорожном транспорте были подготовлены несколько расчетных моделей для конструкций сердечников из различных магнитных материалов. При моделировании использовался алгоритм потерь и температурная модель, применяемая в программном обеспечении для проектирования трансформаторов компании RALE Engineering GmbH [6].

Низкие частоты питающего напряжения (около 1 кГц) позволяют рассмотреть возможность использования изотропных, анизотропных пластин и аморфных магнетиков для изготовления сердечников трансформаторов с малыми потерями. (таблица 3).

Достижение ожидаемого уровня потерь мощности в сердечнике из трансформаторных пластин возможно путем ограничения магнитной индукции в сердечнике. Однако это приводит к непреднамеренному значительному увеличению массы сердечника, что является одним из наиболее важных ограничений. В такой ситуации используются материалы с меньшими потерями. Аморфные магнетики, из-за малой толщины их пластин, в случае трансформаторов демонстрируют гораздо меньшие потери от вихревых токов. Низкие потери аморфного материала позволяют обеспечить адекватные потери в сердечнике при сохранении приемлемого веса устройства. Однако большой коэффициент магнитострикции является проблемой для этой группы материалов.

Он приводит к созданию интенсивного акустического поля вокруг работающего трансформатора, что является неприемлемым эффектом с точки зрения предполагаемого применения.

Обмотки трансформаторов в низкочастотном диапазоне представляют собой жгуты параллельных проводов или пластины для обмотки небольшой толщины, что позволяет ограничить эффект близости и скин-эффект, а также возникающие при этом дополнительные потери мощности. Жесткие требования по ограничению габаритов или поддержанию минимальной массы элементов в пределах определенных габаритных размеров вынуждают использовать алюминий в качестве альтернативы медным обмоткам, несмотря на более низкую электропроводность этого материала. Электрические цепи трансформатора постоянно подключены к системе изоляции, которая обеспечивает защиту, в частности, от перенапряжений в железнодорожной контактной сети. В то же время изоляционные материалы являются тепловыми барьерами, препятствующими охлаждению.

Магнитные материалы
Магнитные материалы, используемые для сердечников силовых трансформаторов для электромобильного применения, включают мягкие ферриты, генераторные и трансформаторные пластины с низкими потерями, а также аморфные и нанокристаллические сплавы в виде сердечников с тонкими лентами. Магнитный материал выбирается в соответствии с конкретными условиями электропитания и нагрузки трансформатора, размерами и назначением устройства, с учетом параметров магнетиков, таких как потери, индукция магнитного насыщения или магнитострикция.

Формирование удовлетворительных свойств сплавов возможно путем модификации их химического состава, кристаллической структуры, пластической и термомагнитной обработки. В случае низкокремнистых и высококремнистых пластин, с увеличением содержания кремния их магнитная проницаемость увеличивается, потери в железе при перемагничивании уменьшаются, что приводит к уменьшению потерь на вихревые токи по мере увеличения удельного сопротивления сплава. Коэрцитивная сила также уменьшается, тем самым уменьшая гистерезисные потери и коэффициент магнитострикции [1]. Однако снижение индукции магнитного насыщения является неблагоприятным с точки зрения применения.

Аморфные сплавы на основе железа характеризуются значительно более высокими значениями магнитной проницаемости по сравнению с кремниевыми пластинами, при малом коэрцитивном поле и меньших потерях. Важным свойством аморфных материалов, с точки зрения промышленного применения, является незначительное увеличение общих потерь на единицу массы в диапазоне повышенных частот. Эти сплавы получают в виде тонких лент методом быстрого охлаждения расплавленного материала на вращающемся валике [3].

Очень хорошие, так называемые мягкие магнитные свойства аморфных сплавов связаны с их структурой, в которой отсутствует дальнее упорядочение атомов, что приводит к исчезновению магнитокристаллической анизотропии, границ зерен и других структурных дефектов, характерных для поликристаллических материалов [4]. Неоспоримым преимуществом этого типа материала является то, что его свойства легко улучшить путем изменения химического состава и отжига в соответствующих условиях. Стремление повысить эффективность преобразования энергии и расширить температурный или частотный диапазон устройств привело к созданию нанокристаллических материалов. Они получаются путем частичной кристаллизации аморфных сплавов в процессе оптимизирующего отжига. Этот процесс приводит к образованию кристаллитов диаметром менее 100 нм, встроенных в аморфную матрицу. В эту группу сплавов входят такие известные материалы, как FINEMET, NANOPERM и HITPERM. Эти материалы имеют высокое значение магнитной проницаемости порядка 106, индукцию насыщения (в зависимости от химического состава сплава) в диапазоне 1,2 — 1,9 Тл, практически нулевую магнитострикцию, малое коэрцитивное поле (HC < 1A/м) и потери в сердечнике порядка 0,1 Вт/кг (при 50 Гц) [5].
Ферритовые материалы часто используются в высокочастотных приложениях из-за их относительно низкой цены и доступности. Они характеризуются низкой индукцией насыщения около 0,4 Тл, низкой магнитной проницаемостью и меньшими потерями по сравнению с другими материалами сердечников.

Скачать PDF

M. Лукевский, A. Лукевска — PEMINE-KOMEL 2018, ME-ZP № 3/2018 (119)