Трансформаторное моделирование — легкое выполнение тестов разомкнутой цепи и короткого замыкания внутри SolidWorks

Трансформатор

Трансформатор представляет собой статическую электрическую машину, которая передает электрическую энергию между 2 и более цепями по принципу электромагнитной индукции. Как показано на рисунке 1, трансформатор состоит из сердечника (обычно ламинированной стали), первичной обмотки и вторичной обмотки. Ток, изменяющийся во времени в первичной обмотке, создает магнитное поле, изменяющееся во времени. Это изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует напряжение во вторичной обмотке. Это связано с принципом индукции Фарадея. Таким образом, мощность может быть легко перенесена из одной цепи в другую без физического контакта. Так почему это важно.

Применение трансформаторов

Трансформаторы применяются в электроэнергетике. В электроэнергетике трансформаторы используются для увеличения или уменьшения переменного напряжения. С момента принятия энергии переменного тока трансформаторы стали повсеместными в отрасли передачи и распределения электроэнергии. Трансформаторы также используются в электронной и радиочастотной промышленности, и, следовательно, они различаются по размеру. Наименьшие трансформаторы, используемые в промышленности РФ, составляют порядка нескольких кубических сантиметров, а силовые трансформаторы, используемые для соединения электрических сетей, могут составлять порядка нескольких кубических метров и могут весить несколько тонн.

Потери в трансформаторах

Есть два основных вида потерь в трансформаторе, которые полезны для инженеров.

✔ Основные потери

✔ Утечка

Цель хорошей конструкции — уменьшить потери в трансформаторе. Как только трансформатор сконструирован, инженеры строят прототип, а затем измеряют потери, используя испытания на разомкнутую цепь и короткое замыкание. Кроме того, эти тесты позволяют инженерам создавать эквивалентную схему трансформатора. Как только у вас есть эквивалентная схема трансформатора, очень легко заменить трансформатор эквивалентной схемой и выполнить имитацию уровня системы.

Испытание разомкнутой цепи

Испытание разомкнутой цепи, как показано на рисунке 2 по схеме подключения, используется для определения потерь в сердечнике в трансформаторе. Как следует из названия, на одной из обмоток нет нагрузки (обычно на стороне высокого напряжения трансформатора). Напряжение в обмотке низкого напряжения постепенно увеличивается до тех пор, пока оно не будет равно номинальному напряжению цепи низкого напряжения. Ваттметр, подключенный к схеме низкого напряжения, используется для измерения входной мощности, и это значение считается потерями в сердечнике трансформатора.

Проверка короткого замыкания

На рисунке 3 показана схема подключения теста короткого замыкания. Низковольтная сторона трансформатора закорочена. Теперь на стороне высокого напряжения напряжение постепенно увеличивается до тех пор, пока ток не достигнет номинального тока со стороны высокого напряжения. Показание ваттметра может быть аппроксимировано как потеря меди в трансформаторе. Таким образом, испытание на короткое замыкание используется для определения потери меди в трансформаторе

Тестовое моделирование разомкнутой цепи и короткого замыкания

Интересной особенностью моделирования в EMS является способность выполнять оба вышеупомянутых теста практически внутри SolidWorks. Для испытания с разомкнутой цепью требуются следующие входы.

1. Материальное свойство сердечника - кривая B-H стального материала, детали ламинирования, кривая потерь сердечника для ламината (кривая P-B)

2. Номинальное напряжение на стороне низкого напряжения должно быть применено к обмотке низкого напряжения

3. Сторона высокого напряжения должна быть открыта, т.е. ток, равный 0 А, должен быть применен к высоковольтной обмотке

Как только симуляция завершена, EMS дает потери в качестве выхода. Один раз вы также можете получить ток низкого напряжения от EMS.

Чтобы выполнить симуляцию испытания с коротким замыканием, необходимы следующие входы.

1. Сторона низкого напряжения должна быть закорочена. Следовательно, мы применяем напряжение 0 на обмотке низкого напряжения.

2. В обмотке высокого напряжения мы применяем различные напряжения и измеряем ток, пока не получим ток, равный номинальному току со стороны высокого напряжения. Это может быть выполнено с использованием параметрического моделирования в EMS, где применяемое напряжение можно изменять, а ток можно измерить. Затем мы принимаем значение напряжения, которое дает номинальный ток и выполняет симуляцию короткого замыкания.

Как только симуляция завершена, EMS дает значение потери меди, индуктивности утечки и сопротивления обмотки.

Результаты испытаний как разомкнутых цепей, так и коротких замыканий используются для создания эквивалентной схемы трансформатора. Обсуждение результатов, включая эквивалентную схему этого раздела, я покажу вам кратко моделирование внутри EMS и обсудим полученные результаты. На рисунке 4 показана модель SolidWorks, используемая для моделирования. На рисунке 5 показан материал, используемый для ламината. На рисунке 6 показано определение катушки внутри EMS. Результаты получены как для симуляции открытых цепей, так и для короткого замыкания. В EMS каждый тест проводится как отдельное исследование. На рисунке 7 показана таблица результатов, а на рисунке 8 показан график зависимости плотности магнитного потока для испытания с разомкнутой цепью.

Обсуждение результатов, включая эквивалентную схему

В этом разделе, я покажу вам кратко моделирование внутри EMS и обсудим полученные результаты. На рисунке 4 показана модель SolidWorks, используемая для моделирования. На рисунке 5 показан материал, используемый для ламината. На рисунке 6 показано определение катушки внутри EMS. Результаты получены как для симуляции открытых цепей, так и для короткого замыкания. В EMS каждый тест проводится как отдельное исследование. На рисунке 7 показана таблица результатов, а на рисунке 8 показан график зависимости плотности магнитного потока для испытания с разомкнутой цепью.

Заключение

EMS для SolidWorks — очень эффективное и удобное программное обеспечение для моделирования, где инженеры могут создавать 3D-геометрию своих трансформаторов и имитировать как тесты разомкнутых цепей, так и короткое замыкание. Потери в сердечнике, рассчитанные по испытанию разомкнутой цепи, составляли 11 Ватт, а потери меди, рассчитанные по испытанию на короткое замыкание, составляли около 188 и 200 Вт соответственно в первичной и вторичной катушках. На рисунке 9 показана окончательная эквивалентная схема трансформатора.