CC BY
19
Электротехнические комплексы и системы
УДК 621.3
Радмир Рифович Афлятунов Radmir R. Aflyatunov
аспирант кафедры
«Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Петр Игоревич Васильев Petr I. Vasilyev
аспирант, ассистент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Ильгиза Далховна Каекбирдина Ilgiza D. Kaekbirdina
студент кафедры
«Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Роман Вячеславович Кириллов Roman V. Kirillov
доцент базовой кафедры «Электроэнергетика и электротехнологии» в составе «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Регина Тагировна Хазиева Regina T. Khazieva
кандидат технических наук, доцент кафедры
«Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
DOI: 10.17122/1999-5458-2022-18-2-13-20
РАЗРАБОТКА СХЕМЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА НА БАЗЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ИНТЕГРИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОМПОНЕНТА
Актуальность
Использование методов функциональной интеграции в силовой электротехнике позволяет достигнуть снижения массы и габаритов готового устройства, а также повысить надежность и эффективность системы. Применение гибридных компонентов при разработке трансформаторов позволяет реализовать резонансный режим работы системы, тем самым обеспечивая снижение потерь.
Цель исследования
В данной статье рассматривается разработка схемы и моделирование резонансного трансформатора на базе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента.
Основными задачами являются определение электрической схемы резонансного трансформатора, реализованного на базе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента, и аналитический расчет параметров многофункционального интегрированного электромагнитного компонента.
Методы исследования
В данном исследовании были использованы следующие методы: патентный обзор, изучение научной литературы, компьютерное моделирование, выполненное в программном комплексе MatLab.
Результаты
Авторами разработана компьютерная модель в MatLab резонансного трансформатора на базе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента. Конструктивные и функциональные особенности компонента позволяют реализовать резонансный режим работы трансформатора, так как готовый компонент представляет собой одновременно емкостную и индуктивную нагрузку. Представлена схема замещения многофункционального интегрированного электромагнитного компонента и проведена адаптация под программный комплекс MatLab. В результате моделирования получен график намагничивающего тока трансформатора. Проведен анализ возможности практической реализации системы.
Ключевые слова: многофункциональный интегральный электромагнитный компонент, функциональная интеграция, фильтрокомпенсирующее устройство, резонансный трансформатор, резонансный режим работы, повышение энергетической эффективности
DEVELOPMENT OF THE CIRCUIT AND SIMULATION OF A RESONANT TRANSFORMER BASED ON A MULTIFUNCTIONAL INTEGRATED ELECTROMAGNETIC COMPONENT
Relevance
The use of functional integration methods in power electrical engineering makes it possible to achieve a reduction in the weight and dimensions of the finished device, as well as to increase the reliability and efficiency of the system. The use of hybrid components in the development of transformers makes it possible to implement the resonant mode of operation of the system, thereby reducing losses.
Aim of research
This article discusses the development of a circuit and modeling of a resonant transformer based on a multifunctional integrated electromagnetic component. The main tasks are to determine the electrical circuit of the resonant transformer implemented on the basis of a multifunctional integrated electromagnetic component and the analytical calculation of the parameters of the multifunctional integrated electromagnetic component.
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
Research methods
In this study, the following methods were used: patent review, the study of scientific literature, computer simulation performed in the MatLab software package.
Results
The authors have developed a computer model in MatLab of a resonant transformer based on a multifunctional integrated electromagnetic component. The design and functional features of component make it possible to implement the resonant mode of operation of the transformer, since the finished component is both a capacitive and an inductive load. An equivalent circuit of a multifunctional integrated electromagnetic component is presented and adapted to the MatLab software package. As a result of the simulation, a graph of the magnetizing current of the transformer was obtained. The analysis of the possibility of practical implementation of the system was carried out.
Keywords: multifunctional integral electromagnetic component, functional integration, filter-compensating device, resonant transformer, resonant mode of operation, energy efficiency increase
Благодарности: Исследования выполнены на средства гранта Стипендии Президента Российской Федерации в 2022-2024 гг. для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики. Грантополучатель Хазиева Регина Тагировна.
Приоритетное направление модернизации российской экономики (направление конкурса № СП-2022 Совета по грантам Президента Российской Федерации) «Энергоэффективность и энергосбережение, в том числе вопросы разработки новых видов топлива». Тема исследований «Разработка и исследование фильтроком-пенсирующего устройства для повышения качества электроэнергии».
Актуальна тенденция уменьшения массы и габаритов электротехнических устройств. С этой целью используются резонансные технологии и применяются гибридные компоненты [1-3]. Одним из лучших способов снижения массы и габаритов трансформаторов является переход на резонансный режим работы, в совокупности с использованием многофункционального интегрированного электромагнитного компонента (МИЭК) это позволяет достигнуть высоких энергетических показателей, а также повысить надежность системы [4-6]. Помимо улучшения электрофизических показателей, применение МИЭК позволяет сократить финансовые расходы на изготовление трансформаторов [7-10]. В программе Ма^аЬ авторами смоделирован резонансный трансформатор на базе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента.
Авторами решена задача исследования резонансного режима работы трансформатора на базе МИЭК. Для решения задачи предложена схема замещения многофункционального интегрированного электромагнитного компонента (рисунок 1) и заданы блоки модели (рисунки 2-4).
ГШ
Н1
Н2
R1
C1
ГШ
-> К1
C2
К2
R2
Рисунок 1. Схема замещения МИЭК Figure 1. MIEC equivalent circuit
ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS
Рисунок 2. Блок источника питания Figure 2. Power supply unit
-"WvV^
a)
Амперметр 1
Рисунок 3. Блоки первичной (а) и вторичной (b) обмоток
Figure 3. Blocks of primary (a) and secondary (b) windings
Осцилограф 2
Рисунок 4. Блок имитации магнитного потока
Figure 4. Magnetic flux emulation unit
На рисунке 5 показана реализованная модель резонансного трансформатора на основе МИЭК с учетом адаптации схемы замещения компонента в среде Simulink пакета Matlab с использованием библиотеки блоков SimPowerSystem.
Осцилограф 2
Рисунок 5. Компьютерная модель резонансного трансформатора
Figure 5. Computer model of a resonant transformer
Электротехнические комплексы и системы
Модель резонансного трансформатора состоит из блоков источника питания, первичной и вторичной обмоток, и блока имитации магнитного потока с заданными параметры резонансного режима работы [11, 12]. Схема замещения МИЭК представлена в виде четырехполюсника, одна из диагоналей которого представляет собой первичную обмотку, а другая — вторичную.
Таким образом, осуществляется реализация многофункционального интегриро-
ванного электромагнитного компонента в виде готового колебательного LC контура [13-18] первичной обмотки резонансного трансформатора с наличием вторичной обмотки в едином компоненте. Модель представляет собой понижающий трансформатор с номинальным напряжением 6000 В и частотой 50 Гц. В результате компьютерного моделирования был получен график намагничивающего тока системы, представленный на рисунке 6. Амплитудное значение тока 10 = 0,8 А.
Рисунок 6. График намагничивающего тока Figure 6. Magnetizing current curve
Выводы
Доказана возможность применения многофункционального интегрированного электромагнитного компонента в резонансном трансформаторе в качестве готового колебательного ЬС контура.
Компьютерная модель резонансного трансформатора на базе МИЭК позволила сократить финансовые затраты на
практические исследования, что важно при разработке новых устройств.
Сокращение отдельных дискретных компонентов при использовании МИЭК в схеме резонансного трансформатора позволяет утверждать о повышении надежности смоделированной системы и снижении ее стоимости.
Список источников
1. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Михеев Д.В., Сиренко В.В., Шакирзянов Ф.Н. Разработка математической модели и анализ особенностей режимов индуктивно-емкостного преобразователя на основе каткона // Вестник МЭИ. 2018. № 4. С. 81-88.
2. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Михеев Д.В., Шакирзянов Ф.Н., Кваснюк А.А. Экспериментальное исследование переходных процессов в катушке-конденсаторе // Известия РАН. Серия физическая, 2020. Т. 84. № 2. С. 157-160.
3. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Квас-нюк А.А., Михеев Д.В., Шакирзянов Ф.Н. Физическое моделирование гребенчатого фильтра на основе каткона // Труды XVII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», Алушта, 24-28 сентября 2018 года. Алушта: Изд-во «Знак», 2018. С. 331-333.
4. Саттаров Р.Р., Хазиева Р.Т., Иванов М.Д. Integrated LC-Components for Electrical Systems and Devices // International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). doi: 10.1109/UralCon52005. 2021.9559527. URL: https://ieeexplore.ieee. org/document/9559527/references#reference.
5. Афлятунов Р.Р., Васильев П.И., Хазиева Р. Т. Modeling a Semiconductor Compensator Based on a Multifunctional Integrated Electromagnetic Component // 2021 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). doi: 10.1109/UralCon52005. 2021.9559601. URL: https://ieeexplore.ieee. org/document/9559601.
6. Пат. 2585248 РФ, МПК H 03 H 7/00. Многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент / С.Г. Конесев. 2012114845/08, Заявлено 13.04.2012; Опубл. 27.05.2016. Бюл. 12.
7. Конесев С.Г., Хазиева Р.Т. Математическое и физическое моделирование индуктивно-емкостных преобразователей // Электричество. 2020. № 1. С. 32-38. https:// doi.org/10.24160/0013-5380-2020-1-32-38.
8. Гончаров С.А., Малинкин В.Б. Усовершенствование конструкции и расчет технических характеристик балансных трансформаторов СВЧ диапазона // Омский научный вестник. 2010. № 2 (90). С. 207-209.
9. Михеев Г.М., Ефремов Л.Г., Иванов Д.Е. Способы повышения энергоэффективности силовых трансформаторов // Вестник ЧГУ 2013. № 3.
10. Передельский В.А., Колбасов В.Ф., Садовников В.А., Якимов В.А. Модернизация силовых трансформаторов с увеличением их нагрузочной способности // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2009. № 5. С. 33-37.
11. Новаш И.В., Румянцев Ю.В. Расчет параметров модели трехфазного трансформатора из библиотеки MatLab-Simulink с учетом насыщения магнитопровода // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2015. № 1. С. 12-24.
12. Кралин А.А., Тюриков М.П. Моделирование трехстержневого трансформатора в Simulink // Труды НГТУ им. Р. Е. Алексеева. 2015. № 3 (110). С. 238-242.
13. Патент на изобретение 2417563 РФ, МПК Н 05 В 6/00. Установка индукционного нагрева жидкостей / С.Г. Конесев, П.А. Хлю-пин, И.А. Макулов, Ю.А. Никитин. 2009129107/07, Заявлено 28.07.2009; Опубл. 27.04.2011.
14. Патент на изобретение RU 2407136, МПК Н 02 М 5/06. Индуктивно-емкостный преобразователь / С.Г. Конесев, П.А. Хлю-пин. 2008141538/09, Заявлено 20.10.2008; Опубл. 20.12.2010.
15. Патент на изобретение RU 2496281, МПК Н 05 В 6/02. Способ монтажа индуктора на протяженных объектах / С.Г. Конесев, М.Р. Садиков, П.А. Хлюпин, Э.Ю. Кондратьев. 2012108770/07, Заявлено 07.03.2012; Опубл. 20.10.2013.
16. Konesev S.G., Khlyupin P.A., Greb A.V., Kondratev E.Yu. Induction Technology in High-Viscosity Oil Production at Tazovskoye Field // Periodico Tche Quimica. 2018. Vol. 15. No. 30. P. 520-526.
17. Taghizade Ansari H., Vahedi A., Khlyupin P. A., Mahmoudi N. Diagnosis of Moisture Content in Oil-Paper Bushings Using Statistical Indicators Based on Frequency Domain Spectroscopy // Smart Innovation, Systems and Technologies. 2022. Vol. 232. P. 287-298.
18. Alikhani A.M., Vahedi A., Khlyupin P. A. Induction Motor Fault Detection in ESP
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
Systems Based on Vibration Measurements // Smart Innovation, Systems and Technologies. 2022. Vol. 232. P. 497-505.
References
1. Butyrin P.A., Gusev G.G., Mikheev D.V., Sirenko V.V., Shakirzyanov F.N. Razrabotka matematicheskoi modeli i analiz osobennostei rezhimov induktivno-emkostnogo preobra-zovatelya na osnove katkona [The Mathematical Model of a Katkon-Based Inductive-Capacitive Converter and Specific Features of Its Operation Modes]. VestnikMEI—Bulletin of MPEI, 2018, No. 4, pp. 81-88. [in Russian].
2. Butyrin P.A., Gusev G.G., Mikheev D.V., Shakirzyanov F.N., Kvasnyuk A.A. Eksperi-mental'noe issledovanie perekhodnykh protses-sov v katushke-kondensatore [Experimental Study of Transient Processes in a Coil-Capacitor]. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya — Izvestiya RAN. Physical series, 2020, Vol. 84, No. 2, pp. 157-160. [in Russian].
3. Butyrin P.A., Gusev G.G., Kvasnyuk A.A., Mikheev D.V., Shakirzyanov F.N. Fizicheskoe modelirovanie grebenchatogo fil'tra na osnove katkona [Physical Modeling of a Comb Filter Based on Katkon]. Trudy XVII Mezhdunarodnoi konferentsii «Elektromekha-nika, elektrotekhnologii, elektrotekhnicheskie materialy i komponenty»», Alushta, 24-28 sentyabrya 2018 goda [Proceedings of the XVII International Conference «Electromechanics, Electrotechnologies, Electrical Materials and Components», Crimea, Alushta, September 24-28, 2018]. Alushta, Znak Publ., 2018, pp. 331-333. [in Russian].
4. Sattarov R.R., Khazieva R.T., Iva-nov M.D. Integrated LC-Components for Electrical Systems and Devices. International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon)». doi: 10.1109/UralCon52005. 2021.9559527. URL: https://ieeexplore.ieee. org/document/9559527/references#reference.
5. Aflyatunov R.R., Vasil'ev P.I., Khazieva R.T. Modeling a Semiconductor Compensator Based on a Multifunctional Integrated Electromagnetic Component. 2021 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). doi: 10.1109/UralCon52005. 2021.9559601. URL: https://ieeexplore.ieee. org/document/9559601.
6. Konesev S.G. Mnogofunktsional'nyi integrirovannyi elektromagnitnyi komponent [Multifunctional Integrated Electromagnetic Component]. Patent RF, No. 2585248 RF, 2016. [in Russian].
7. Konesev S.G., Khazieva R.T. Matema-ticheskoe i fizicheskoe modelirovanie induktivno-emkostnykh preobrazovatelei [Mathematical and Physical Modeling of Inductive-Capacitive Converters]. Elektrichestvo — Electricity, 2020, No. 1, pp. 32-38. https://doi.org/10.24160/0013-5380-2020-1-32-38. [in Russian].
8. Goncharov S.A., Malinkin V.B. Usover-shenstvovanie konstruktsii i raschet tekhni-cheskikh kharakteristik balansnykh transfor-matorov SVCh diapazona [Improving the Design and Calculation of the Technical Characteristics of Balanced Microwave Transformers]. Omskii nauchnyi vestnik — Omsk Scientific Bulletin, 2010, No. 2 (90), pp. 207-209. [in Russian].
9. Mikheev G.M., Efremov L.G., Iva-nov D.E. Sposoby povysheniya energo-effektivnosti silovykh transformatorov [Ways to Improve the Energy Efficiency of Power Transformers]. Vestnik ChGU — ChSU Bulletin, 2013, No. 3. [in Russian].
10. Peredel'skii V.A., Kolbasov V.F., Sadovnikov V.A., Yakimov V.A. Modernizatsiya silovykh transformatorov s uvelicheniem ikh nagruzochnoi sposobnosti [Modernization Of Power Transformers with an Increase in Their Load Capacity]. ELEKTRO. elektrotekhnika, elektroenergetika, elektrotekhnicheskaya promyshlennost — ELECTRO. Electrical Engineering, Power Industry, Electrical Industry, 2009, No. 5, pp. 33-37. [in Russian].
11. Novash I.V., Rumyantsev Yu.V. Raschet parametrov modeli trekhfaznogo transformatora iz biblioteki MatLab-Simulink s uchetom nasyshcheniya magnitoprovoda [Three-Phase Transformer Parameters Calculation Considering the Core Saturation for the Matlab-Simulink Transformer Model]. Energetika. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii i energeticheskikh ob"edinenii SNG — Energy. News of Higher Educational Institutions and Energy Associations of the CIS, 2015, No. 1, pp. 12-24. [in Russian].
12. Kralin A.A., Tyurikov M.P. Modeli-rovanie trekhsterzhnevogo transformatora v Simulink [Simulation of a Three-Rod Trans-
former in Simulink]. Trudy NGTU im. R.E. Alek-seeva — Proceedings of NNSTU named after R.E. Alekseev, 2015, No. 3 (110), pp. 238-242. [in Russian].
13. Konesev S.G., Khlyupin P.A., Maku-lov I.A., Nikitin Yu.A. Ustanovka induktsionnogo nagreva zhidkostei [Installation of Induction Heating of Liquids]. Patent RF, No. 2417563 C2, 2011. [in Russian].
14. Konesev S.G., Khlyupin P.A. Induktivno-emkostnyi preobrazovatel' [Inductive-Capacitive Converter]. Patent RF, No. 2407136, 2010. [in Russian].
15. Konesev S.G., Sadikov M.R., Khlyupin P.A., Kondrat'ev E.Yu. Sposob montazha induktora na protyazhennykh ob"ektakh [The Method of Mounting the Inductor on Extended Objects]. Patent RF, No. 2496281, 2013. [in Russian].
16. Konesev S.G., Khlyupin P.A., Greb A.V, Kondratev E.Yu. Induction Technology in High-Viscosity Oil Production at Tazovskoye Field. Periodico Tche Quimica, 2018, Vol. 15, No. 30, pp. 520-526.
17. Taghizade Ansari H., Vahedi A., Khlyupin P.A., Mahmoudi N. Diagnosis of Moisture Content in Oil-Paper Bushings Using Statistical Indicators Based on Frequency Domain Spectroscopy. Smart Innovation, Systems and Technologies, 2022, Vol. 232, pp. 287-298.
18. Alikhani A.M., Vahedi A., Khlyupin P.A. Induction Motor Fault Detection in ESP Systems Based on Vibration Measurements. Smart Innovation, Systems and Technologies, 2022, Vol. 232, pp. 497-505.
