Einphasiger Transformator

Einphasiger Transformator

Elektrischer Leistungstransformator ist ein statisches Gerät, das elektrische Energie ohne direkte elektrische Verbindung und unter gegenseitiger Induktion zwischen zwei Wicklungen von einem Stromkreis in einen anderen umwandelt. Es wandelt die Leistung von einem Stromkreis in einen anderen um, ohne die Frequenz zu ändern, kann sich jedoch auf einem anderen Spannungsniveau befinden.

Ein einphasiger Transformator ist eine Art Leistungstransformator, der einphasigen Wechselstrom verwendet, dh der Transformator ist auf einen Spannungszyklus angewiesen, der in einer einheitlichen Zeitphase arbeitet.

Es besteht aus zwei Wicklungen aus elektrischem Draht, die als innere und äußere Wicklungen bezeichnet werden. Es ist normalerweise bekannt, dass die Primärspannung höher ist. Beide Spulen sind um einen gemeinsamen geschlossenen magnetischen Eisenkreis gewickelt, der als Kern bezeichnet wird. Der Kern besteht aus mehreren Eisenschichten, die miteinander laminiert sind, um Verluste zu verringern. Durch die Verbindung mit dem gemeinsamen Kern kann die Leistung ohne elektrische Verbindung von einer Spule zur anderen übertragen werden. Wenn Strom durch die Primärspule fließt, wird ein Magnetfeld erzeugt, das eine Spannung in der Sekundärspule induziert. In der Regel wird in der Primärspule die Hochspannung eingespeist und anschließend zur Erzeugung eines Magnetfelds transformiert. Die Sekundärspule hat die Aufgabe, das magnetische Wechselfeld in elektrischen Strom umzuwandeln und die erforderliche Ausgangsspannung zu liefern.

Solides Werksmodell eines Einphasentransformators

Das Solid-Works-Modell eines Einphasentransformators besteht aus einem Kern, einer inneren Spule und einer äußeren Spule (siehe Abbildung 1).

EMS-Simulation eines Einphasentransformators

In EMS wird ein einphasiger Transformator mithilfe einer Wechselstrom-Magnetstudie in Verbindung mit einer thermischen Analyse analysiert, um den Kernverlust, die magnetische Flussdichte und die Temperaturen zu berechnen.

Die Betriebsfrequenz dieses Transformators beträgt 60 Hz.

Kopplung an die thermische Analyse

Die thermische Analyse berechnet die Temperaturverteilung in einem Körper aufgrund der Leitung in den Festkörpern. Eine Konvektionsgrenzbedingung darf definieren, was mit dem Wärmestrom in den Extremitäten des Modells geschieht.

In EMS folgt die thermische Analyse automatisch einer elektromagnetischen Analyse, sodass die Wärmequellen im Modell automatisch vorberechnet werden.

Material

Das simulierte Modell besteht aus einem laminierten Stahlkern, einer inneren Spule, einer äußeren Spule und Luft. Die Eigenschaften der Materialien sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Die Kernverlustkurve ist in Abbildung 2 dargestellt.

Komponente	Material	Relative Durchlässigkeit	Elektrische Leitfähigkeit (S/m)	Wärmeleitfähigkeit (W * m -1 * k -1 )
Ader	laminierter Stahl (M36 bei 0,47 mm; Massendichte: 7700 kg/m 3)	1616	2,32558 e + 006	43
Innere Spule/äußere Spule	Kupfer	0.99991	5,7e + 007	401
Spulen Luft, Innenluft, Außenluft	Luft	1	0	0,024

Spulen

In dieser Simulation werden die innere und äußere Spule als gewickelte Spule modelliert. Sie arbeiten mit 60 Hz, wobei die innere Spule 150 A-Windungen (300 Windungen, RMS-Stromstärke 500 mA, Stromphase 0 Grad) durchläuft, während die äußere Spule 60 A-Windungen (600 Windungen, RMS-Stromstärke 100 mA, Strom) durchläuft Phase 0 Grad). Dieses Szenario erfasst einen Betriebszustand des Transformators bei einer bestimmten Last. Der Drahtdurchmesser der gewickelten Leiter beträgt 0,91168568 mm.

Thermische Eingänge

Konvektion ist der Wärmeübertragungsmodus, bei dem Wärme zwischen einer festen Fläche und einem benachbarten sich bewegenden Fluid (oder Gas) übertragen wird. In EMS wird auf alle Luftkörper (Außenluft, Innenluft und Spulenluft) eine Konvektionsgrenzbedingung angewendet.
Der Konvektionskoeffizient wurde auf 10 W/(m 2 · k) und die Umgebungstemperatur der Masse auf 300 Kelvin eingestellt.

Ineinander greifen

Die Vernetzung ist ein sehr wichtiger Schritt in der Simulation. EMS schätzt eine globale Elementgröße für das Modell unter Berücksichtigung seines Volumens, seiner Oberfläche und anderer geometrischer Details. Die Größe des generierten Netzes (Anzahl der Knoten und Elemente) hängt von der Geometrie und den Abmessungen des Modells, der Elementgröße, der Netztoleranz und der Netzsteuerung ab. In den frühen Phasen Ihres Entwurfs, in denen ungefähre Ergebnisse ausreichen können, können Sie eine größere Elementgröße für eine schnellere Lösung angeben. Für eine genauere Lösung ist möglicherweise eine kleinere Elementgröße erforderlich.

Um eine gute Genauigkeit zu erzielen, ohne die Gesamtzahl der Netzelemente zu erhöhen, wird empfohlen, ein Netzsteuerelement auf die Bereiche anzuwenden, in denen große Abweichungen zu erwarten sind. Auf die beiden Spulen, den Kern, die Innenluft und die Spulenluft, werden vier lokale Netzsteuerungen angewendet, wie in Tabelle 2 gezeigt. Abbildung 3 zeigt das resultierende Netz.

Ergebnisse

Der von EMS berechnete Wirbelverlust, der Hystereseverlust, der Überschussverlust und der Kernverlust im Kern des Transformators sind in Abbildung 4 dargestellt. Dies sind die Gesamtkernverluste.

Von EMS erstellte 3D-Diagramme

In einer Wechselstrom-Magnetstudie in Verbindung mit einer thermischen Analyse generiert EMS 3D-Diagramme der magnetischen Flussdichte (siehe Abbildung 5), der Wirbelstromverteilung (siehe Abbildung 6), des Kernverlusts im Kernkörper (siehe Abbildung 7) und der Temperatur in den Festkörpern (siehe Abbildung 7) in Abbildung 8.

Fazit

Unter Verwendung von EMS liefert die magnetische Wechselstromstudie in Verbindung mit der thermischen Analyse eines Einphasentransformators die verschiedenen Kernverluste im Kernkörper, die magnetische Flussdichte, die magnetische Flussintensität, die Stromdichte und die Temperatur. Benutzer können verschiedene Szenarien wie Leerlauftest, Kurzschlusstest und Betriebszustandstest durchführen, um die Leistung des Transformators zu untersuchen.