Основные показатели эффективности магнитных систем
Магнитная система трансформатора является одним из важнейших его компонентов, ее качество и эффективность существенно влияет как на функциональные, так и на энергоресурсные свойства трансформатора.
Стремление к повышению качества и эффективности проектируемых силовых трансформаторов неизбежно вступает в противоречие с ограничениями по ресурсам и энергетическим затратам. Поэтому уровень качества трансформатора и его сборочных узлов должен быть оптимальным в условиях заданной (или перспективной) проектной экономической ситуации. Однако для возможности выполнения такой оптимизации прежде всего необходимо установить номенклатуру(набор) показателей качества и эффективности.
К таким показателям, обусловленным обычно требованиями государственных стандартов, относятся:
- показатели конструктивные - по удельным массам и объемам по отношению к номинальной мощности;
- показатели экономного использования сырья, энергии и трудовых ресурсов;
- уровни потерь, тока холостого хода;
- показатели экологические - по уровню шума, по степени влияния на окружающую среду;
- показатели конструктивной эффективности использования свойств электротехнической стали, объема активной части, коэффициенты уровня добавочных потерь и намагничивающей мощности;
- показатели технологичности – трудоемкость, материалоемкость, энергоемкость, затраты на изготовление.
Номенклатура показателей качества функциональных компонентов трансформатора определяет комплекс и уровень технико-экономических и других требований и является основной для оценки качества разработки проекта.
В процессе развития трансформаторостроения в теории и практике проектирования МС и обмоток трансформаторов использовались различные показатели эффективности, но каждый из них отражает только часть их свойств и не характеризует этих основных конструктивных компонентов с достаточной полнотой. Поэтому необходим учет комплекса показателей. Для возможности комплектования необходимого набора показателей эффективности их оценки, анализа и применения, каждый из них должен быть предоставлен в формализованном виде - как математическая зависимость от параметров трансформатора в виде математической модели (ММ).
Одним из важных обобщенных показателей, которые обуславливают основные размеры и габариты трансформатора, являются показатели эффективности использования объема, занимаемого его главными конструктивными компонентами – магнитной системой и системой обмоток.
Это коэффициенты заполнения площади поперечного сечения стержня МС активной сталью ( 
) и площади «окна» трансформатора 
активным проводниковым материалом( 
) при постоянных значениях электромагнитных нагрузок (Bс, j).
Полная мощность трансформатора может быть выражена через эти коэффициенты следующим образом:
, (3.1)
где 
- площадь поперечного сечения активной стали стержня магнитной системы;
- постоянный коэффициент;
F, H –соответственно ширина и высота «окна» трансформатора (рис3.1);
m – число фаз;
- фазный ток и фазное напряжение первичной и вторичной сторон.
Из зависимости (3.1) следует, что при увеличении 
может быть либо повышена полная мощность трансформатора при данных значениях F, H и , либо получена та же полная мощность S при меньших , F и H, т.е. при меньшем расходе активных материалов. Для определения возможностей повышения этих показателей эффективности необходимо рассмотреть их более детально.
1.3.2. Коэффициент заполнения площади поперечного сечения стержня активной сталью ( )
Коэффициент ( ) выражается как отношение
, (3.2)
где 
– площадь поперечного сечения активной (чистой стали) стержня магнитной системы;
– полная площадь фигуры, описанной вокруг поперечного сечения стержня.
Коэффициент заполнения «окна» магнитной системы трансформатора проводниковым материалом выражается через размеры «окна» и площадь поперечного сечения в “ окне ” проводников всех обмоток
, (3.3)
где 
- площадь поперечного сечения активного проводникового материала в окне;
- площадь поперечного сечения витка і-ой обмотки;
-число витков і-ой обмотки;
n – число обмоток трансформатора;
k –число фаз в окне;
- ширина и высота «окна»
Так как современная электротехническая сталь выпускается с изоляционным покрытием, а форма поперечного сечения стержня, образуемого наборами пластин стали, отличается от формы поперечного сечения внутреннего пространства размещаемых на стержне обмоток, этот коэффициент удобно представлять в виде произведения двух коэффициентов Kс и 
, (3.4)
где Kс – коэффициент, учитывающий заполнение листов стали чистой(активной сталью). Коэффициент Kс равен отношению площади поперечного сечения активной стали стержня к площади поперечного сечения пакетов и называется коэффициентом заполнения сталью. Величина Кс зависит от толщины листов стали, степени коробоватости листов и усилия оппрессовки стержня. Для ЭТС с заданными параметрами, толщиной листов, усилием запрессовки Кс принимается постоянным;
– коэффициент использования площади геометрической фигуры , описанной вокруг поперечного сечения стержня.
Этот коэффициент равен отношению площади поперечного сечения пакетов стержня к площади геометрической фигуры. В силовых трансформаторах могут применяться магнитные системы, поперечное сечение которых вписывается в геометрические фигуры различной формы (круг, прямоугольник, овал и т. д.). Форма геометрической фигуры предопределяет не только форму витков обмотки, но также и расход активных материалов и технологию производства трансформатора. В трансформаторах с плоской шихтованной магнитной системой и у некоторых видов пространственных магнитных систем площадь сечения стержня образуется ступенчатой фигурой, вписанной в окружность с диаметром D. Площадь активной стали в поперечном сечении стержня:
, (3.5)
где si– площадь поперечного сечения стали в i – ом пакете стержня;
с – число ступеней (углов пакетов) в одной четверти круга, описанного вокруг поперечного сечения стержня
(3.6)
При заданном числе ступеней (с), толщине листов и изоляции электротехнической стали, числе охлаждающих каналов в МС, усилии оппрессовки коэффициент Кгтакже останется практически постоянным, поэтому коэффициент =const .
У магнитных систем с эллиптической формой фигуры, в которую вписывается поперечное сечение стержня, коэффициент 
определяется по формуле:
, (3.7)
где а и b - соответственно длины большой и малой осей эллипса, описанного вокруг поперечного сечения стержня.
Для магнитных систем с прямоугольной формой поперечного сечения 
.
При ступенчатой форме сечения тем больше, чем больше число ступеней (с), чем тоньше толщина изоляции пластин и толще пластины. Чем больше , тем меньше периметр фигуры, огибающей поперечное сечение стержня, меньше средняя длина витков обмоток и расход провода.