Tehomuuntajan epämagneettisten metalliosien lämpeneminen suurvirtajohtimien läheisyydessä

Abstract

Suurvirtajohtimien magneettikentät synnyttävät muuntajan seinämiin ja muihin metallirakenteisiin paikallisia häviökeskittymiä, jotka ilmenevät rakenteiden lämpenemisenä. Ilmiötä tutkittiin vuonna 2006 tehdyssä diplomityössä, jossa tutkittiin tehomuuntajan rautaosien lämpenemistä. Tässä työssä tuota tutkimusta jatkettiin tutkimalla erilaisten epämagneettisten seinämärakenteiden ja sydämen puristus-palkkeina käytettyjen metalliosien lämpenemistä suurvirtakiskoston läheisyydessä. Kaikki mittaukset tehtiin mahdollisimman samankaltaisesti kuin edellisissä mittauksissa, jotta saataisiin vertailukelpoisia tuloksia.

Työssä tutkittiin teorian avulla epämagneettisten materiaalien fysikaalisia ominaisuuksia ja laboratoriokokeiden avulla epämagneettisten rakenteiden lämpenemän riippuvuutta syöttövirrasta, testikappaleen ja johtimien etäisyydestä sekä syöttövirran taajuudesta. Epämagneettisia rakenteita käytetään esimerkiksi uuni- ja tasasuuntaajamuuntajissa, joiden kuormitusvirta voi olla hyvin yliaaltopainotteinen.

Testikappaleina käytettiin suojaamatonta austeniittiteräslevyä, kuparilla suojattua austeniittiteräslevyä sekä kolmea erilaista tehomuuntajan sydämen puristuspalkkeina käytettävää palkkia.

Tavoitteena oli löytää laboratoriotestien ja tietokonelaskelmien avulla matemaattiset mallit muuntajan metalliosien lämpenemän laskemiseksi. Laboratoriomittauksia tehtiin 40 kappaletta ja niistä saatiin lämpenemän riippuvuudet syöttövirrasta 10 kA asti, syöttövirran taajuudesta 250 Hz asti sekä johtimien ja kappaleen etäisyydestä 200 mm asti.

The purpose of the thesis was to investigate temperature rises in non-magnetic materials in a power transformer. The study is a continuation to a study conducted in 2006 where tests were made with different kinds of iron materials.

The test objects studied included different non-magnetic wall structures and non-magnetic box clamps that are used in a transformer core. Measurements similar to those made in 2006 were conducted so that the results would be comparative. This thesis is divided into two main themes. In the first part, transformer temperature rises and physical features of non-magnetic materials were investigated studying transformer theory. The second part contains analysis of laboratory tests.

There were five test objects and overall 40 measurements. Tests for all five test objects included temperature rise as a function of supply current, distance and frequency. The purpose of this investigation was to create mathematical models for calculating temperature rises by laboratory tests and computer calculation.

The most essential results were the mathematical model for dependence between temperature rise and current up to 10 kA, and mathematical model for dependence between temperature rise and frequency up to 250 Hz using non-magnetic materials. These mathematical models can be used in daily dimension tasks at the design stage.