CC BY
4
ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ В ТЕОРИИ ТРАНСФОРМАТОРА А.Э. Гиздуллина, студент
Научный руководитель: Е.В. Артамонова, канд. пед. наук, доцент Казанский государственный энергетический университет (Россия, г. Казань)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-9-2-93-96
Аннотация. Статья посвящена обсуждению традиционной теории трансформаторов и инновациям в этой области. Традиционная теория трансформаторов, разработанная в прошлом веке, начинает демонстрировать свои ограничения в современных требованиях к энергоэффективности, надежности и экономической эффективности. В статье рассматриваются новые материалы и технологии, такие как аморфная сталь и сверхпроводящие материалы, которые могут улучшить характеристики трансформаторов. Кроме того, обсуждается использование специализированного программного обеспечения для компьютерного моделирования, которое помогает ускорить разработку новых конструкций и снизить затраты на изготовление и тестирование прототипов. Также этой статье мы рассматриваем актуальность инноваций в теориях трансформаторов и их существенное влияние на будущее энергетики.
Ключевые слова: энергоэффективность, электронные системы, трансформаторы, преобразователи, искусственный интеллект.
Традиционная теория трансформаторов основана на упрощенных моделях и схемах преобразования, которые не всегда точно отражают сложные электромагнитные взаимодействия внутри устройства. Например, принципиальная теория часто исключает магнитные потоки, индуцируемые изолированными друг от друга другими токами обмоток, что может привести к ошибочным выводам и возникновению по существу электромагнитных процессов. Эти ограничения становятся особенно выгодными при проектировании и изготовлении трансформаторов новых конструкций. Традиционные методы проектирования часто включают ручные расчеты и природные испытания, которые могут быть сложными и дорогостоящими. Это приводит к увеличению времени и стоимости разработки новых моделей, что замедляет внедрение инноваций.
Инновации в этой области могут включать применение новых материалов, таких как аморфная сталь и сверхпроводящие материалы, которые могут улучшить характеристики трансформаторов [1].
Использование аморфной стали в маг-нитопроводах позволяет снизить потери холостого хода и повысить энергоэффек-
тивность трансформаторов. Сверхпроводящие материалы, применяемые в обмотках, могут уменьшить габариты и вес трансформаторов, а также уменьшить потери в обмотках. Эти инновации не только улучшают технические характеристики, но и снижают затраты на производство и эксплуатацию трансформаторов.
Специализированное программное обеспечение позволяет проводить компьютерное моделирование, что экономит время и средства на разработке новых конструкций. Это не только усложняет процесс проектирования, но и снижает затраты на изготовление и испытание прототипов.
Инновации в теории трансформаторов, необходимых для современных требований к электроэнергетическим системам. Применение новых материалов, таких как аморфная сталь и сверхпроводящие материалы, а также использование технологий и оптимизация бизнес-процессов, может улучшить характеристики трансформаторов и снизить затраты. Эти изменения не только повышают энергоэффективность и надежность, но и открывают новые возможности для развития энергетической занятости в будущем [2].
Одним из наиболее перспективных направлений является использование аморфной стали в магнитопроводах трансформаторов. Аморфная сталь, созданная методом быстрого охлаждения расплава, обладает высокой магнитной проницаемостью и низкими потерями энергии. Это позволяет снизить потери на вихревые токи, что является ключевым обеспечением в повышении энергоэффективности трансформаторов.
Исследования показывают, что магнитная индукция и напряжение магнитных полей в аморфных магнитопроводах находятся на более высоком порядке, чем в традиционных преобразователях с кристаллическими магнитопроводами. Это приводит к значительному снижению потерь мощности на вихревые токи, что подтверждено экспериментальными данными.
Потенциальным направлением является применение сверхпроводящих материалов в обмотках трансформаторов. Сверхпроводники, особенно высокотемпературные, позволяют уменьшить габариты и вес трансформаторов, а также снизить потери в обмотках. Это происходит за счет возникновения напряжения в сверхпроводящем состоянии, что приводит к значительному увеличению энергоэффективности [3].
Комбинирование аморфных магнито-проводов и сверхпроводящих обмоток открывает новые возможности для создания высокоэффективных преобразователей. Такие конструкции, как трансформаторы с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП) и аморфными магнитопро-водами, демонстрируют лучшие магнитные характеристики и меньшие потери по сравнению с консервативными моделями.
Использование методов искусственного интеллекта (ИИ) и метода конечных элементов (МКЭ) позволяет проводить точное исследование и оптимизацию конструкций, что сокращает время и стоимость разработки новых моделей.
Аморфная сталь и сверхпроводящие материалы уже доказали свою эффективность в снижении потерь и повышении характеристик трансформаторов. Комбинированные конструкции и современные
технологии позволят добиться дальнейшего развития в этом направлении, которое будет иметь решающее значение в будущем энергетической занятости [4].
Традиционные модели и схемы преобразователей трансформаторов, используемые в течение многих лет, начинают демонстрировать ограничения современных требований к точности и энергоэффективности. Новое поколение физико-математических моделей и схем преобразователей предлагает более точное и детальное описание электромагнитных процессов, происходящих внутри этих устройств.
Новые физико-математические модели построены на основе строгих физических явлений, таких как законы Максвелла и законы электромагнитной индукции. Эти модели включают в себя системы нелинейных обыкновенных дифференциальных методов, которые учитывают электрическое равновесие и магнитное состояние устройств.
Структурно-логическая схема электромагнитных взаимодействий в обмотках позволяет однозначно определить направление тока и магнитного потока, что важно для понимания работы трансформатора.
Физико-логическая схема электромагнитных процессов в трансформаторе решающую роль в возникновении играет взаимосвязь между первой и вторичной обмотками. Анализ работы трансформатора на основе напряжения Фарадея по электромагнитной индукции и закону Ленца в индуктивных токах показывает, что первичная и вторичная обмотка соединяются встречно. Это однозначно фиксируется правилом Ленца, которое определяет направление индуцируемого тока.
Новые физико-математические модели и схемы преобразователей представляют собой надежный шаг вперед в развитии и проектировании этих устройств. Основанные на строгих физических законах, эти модели позволяют более точное и детальное описание электромагнитных процессов. Их применение открывает новые возможности для повышения энергоэффективности и надежности электроэнергетических систем, что имеет решающее зна-
чение для будущей энергетической активности.
Автотрансформаторы, благодаря своей уникальной конструкции и способности эффективно преобразовывать напряжение, нашли широкое применение в различных отраслях. Далее мы приведем примеры их практического использования в нефтегазовой, электросетевой и других отраслях.
В нефтегазовой отрасли автотрансформаторы используются для питания нефтяных и газовых месторождений. Их компактные конструкции и высокая эффективность позволяют использовать их в условиях ограниченного пространства и высоких требований к надежности. Например, автотрансформаторы используются для питания насосов, компрессоров и других устройств, необходимых для добычи и переработки нефти и газа.
В электросетевой сфере автотрансформаторы используются на подстанциях для обеспечения стабильного электроснабжения потребителей, в том числе промышленных предприятий и жилых кварталов.
В промышленности автотрансформаторы используются для питания различных станков и оборудования на производственных линиях. Они также применяются в электронных автоматах и системах сигнализации, цепях управления и других важных устройствах. В железнодорожной области автотрансформаторы используются для питания электрических систем сигнализации и автоматики.
От нефтегазовой и электросетевой промышленности до промышленности и транспорта автотрансформаторы обеспечивают надежное и экономичное преобразование напряжения, что является обязательным условием для поддержания ста-
бильной работы оборудования. Их использование позволяет повысить энергоэффективность и снизить затраты на электроэнергию, что делает их незаменимыми в современных технологических технологиях.
Технологии производства трансформаторов продолжают развиваться, отвечая нарастающим требованиям к энергоэффективности и надежности. В последние годы наблюдается значительный прогресс в этом направлении, который существенно
влияет на энергетическую инфраструктуру.
Современные события стимулируют импортозамещение и развитие собственного производства. Российские производители активно работают над локализацией выпуска компонентов, ранее импортировавшихся из-за рубежа. Это не только снижает зависимость от иностранных поставщиков, но и способствует развитию национальной промышленности [5].
Повышение энергоэффективности и надежности трансформаторов позволяет оптимизировать энергосистемы, снижая потери энергии при передаче и распределении. Это, в свою очередь, способствует стабильности и экономической эффективности энергоснабжения, что особенно важно для промышленных и жилых объектов [6].
Применение новых материалов, им-портозамещение и локализация производства будут продолжать совершенствовать конструкцию и характеристики трансформаторов. Это будет способствовать повышению энергоэффективности и надежности энергетической инфраструктуры, что имеет решающее значение для будущего энергетики.
Библиографический список
1. Шакиров М. А. Вектор Пойнтинга и новая теория трансформаторов. Ч. 1 / М. А. Шакиров // Электричество. - 2022. - № 9. - С. 52-59.
2. Lion F. Comparing T and n equivalent circuits for the calculation transformer inrush currents / F. Lion, A. Farazmand, J. Pecir // IEEE Transaction on power delivery. - 2022. - Vol. 24. - P. 2390-2397.
3. Вольдек А.И. Схемы замещения индуктивно связанных цепей и их параметры. -Таллин: Эстон. гос. изд-во, 2021. - 36 с.
4. Марквардт Е.Г. Электромагнитные расчеты трансформаторов. - М.: ОНТИ, Ред. энергетич. лит., 2022. - 136 с.
5. Петров Г.Н. Электрические машины. Трансформаторы. Ч. 1. - М.: Энергия, 2023. -240 с.
6. Шакиров М.А. Критика положений традиционной и основы новой теории трансформаторов / М.А. Шакиров, А.А. Ткачук // Бюллетень результатов научных исследований. -2020. - Вып. 1. - С. 26-42.
INNOVATIVE SOLUTIONS IN TRANSFORMER THEORY A.E. Gizdullina, Student
Supervisor: E.V. Artamonova, Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor Kazan State Energy University (Russia, Kazan)
Abstract. The article is devoted to the discussion of the traditional theory of transformers and innovations in this field. The traditional theory of transformers, developed in the last century, is beginning to demonstrate its limitations in modern requirements for energy efficiency, reliability and economic efficiency. The article discusses new materials and technologies such as amorphous steel and superconducting materials that can improve the performance of transformers. In addition, the use of specialized computer modeling software is discussed, which helps to accelerate the development of new designs and reduce the cost of manufacturing and testing prototypes. In this article, we consider the relevance of innovations in transformer theories and their significant impact on the future of energy.
Keywords: energy efficiency, electronic systems, transformers, converters, artificial intelligence.
