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Dreiphasentransformator

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WEBINAR
Discover EMWorks Solution for Solenoids and Actuators – Electro-thermo-mechanical Modeling Inside SOLIDWORKS
Wednesday, July 28, 2021
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02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

Allgemeines zum Transformator

Ein Transformator (Abbildung 1) ist ein elektrisches Gerät, das durch elektromagnetische Induktion elektrische Energie zwischen zwei oder mehr Stromkreisen überträgt. Die elektromagnetische Induktion erzeugt eine elektromotorische Kraft in einem Leiter, der zeitlich veränderlichen Magnetfeldern ausgesetzt ist. Transformatoren werden zum Erhöhen oder Verringern der Wechselspannung in elektrischen Leistungsanwendungen verwendet.

Leistungstransformator
Abbildung 1 - Leistungstransformator

In einem realen Betriebstransformator treten unterschiedliche Arten von Verlusten auf
Kernverluste, zusammenfassend Magnetisierungsstromverluste genannt, bestehen aus:

- Hystereseverluste durch nichtlineares Anlegen der im Transformatorkern anliegenden Spannung und
- Wirbelstromverluste durch Joule'sche Erwärmung im Kern, die proportional zum Quadrat der angelegten Spannung des Transformators sind.

Die Wicklungen in einem echten Transformator haben endliche Widerstände und Induktivitäten ungleich Null, die verbunden sind mit:
- Joule-Verluste durch Widerstand in der Primär- und Sekundärwicklung
- Streufluss , der aus dem Kern austritt und nur eine Wicklung durchläuft, was zu einer primären und sekundären Blindimpedanz führt.

Nach dem Faradayschen Gesetz der Induktionstransformatoren variieren EMFs entsprechend der Ableitung des Flusses in Bezug auf die Zeit. Der Kern des idealen Transformators verhält sich für jede Frequenz ungleich Null linear mit der Zeit. Der Fluss im Kern eines realen Transformators verhält sich in Bezug auf den Magnetisierungsstrom nicht linear, da der momentane Fluss über einen endlichen linearen Bereich ansteigt, was zu einer magnetischen Sättigung führt, die mit einem immer größeren Magnetisierungsstrom verbunden ist, der schließlich zu einer Überhitzung des Transformators führt.

Die Verwendung von EMS zur Simulation des 3D-Modells einer Transformation kann dem industriellen Anwender dabei helfen, diese Verluste zu reduzieren und somit die Effizienz und Lebensdauer des Transformators zu erhöhen.

Beschreibung

Das hier gezeigte Beispiel ist ein Dreiphasentransformator (Abbildung 3). Die Primärspulen für jede Phase sind gekennzeichnet durch (300 Windungen, 1 A/Windung, 0 Grad), (300 Windungen, 1 A/Windung, 120 Grad) bzw. (300 Windungen, 1 A/Windung, 240 Grad) . Die Sekundärwicklungen sind kurzgeschlossen. Die Wicklungen bestehen aus Kupfer, und der Kern besteht mit Verlust aus laminiertem Stahl. In EMS kann der Kernverlust entweder durch Importieren einer Steinmetz (PB) -Kurve oder durch Auswählen der Koeffizienten einer Steinmetz-Verlustfunktion angegeben werden. In diesem Beispiel wird der Import einer Steinmetz (PB) -Kurve berücksichtigt, da die magnetische Wechselstromsimulation fortgesetzt wird.

3D-Modell der Transformation3D-Modell der Transformation

Abbildung 3 - 3D-Modell des Transformators

Studie

Das Wechselstrommagnetmodul von EMS in Verbindung mit der thermischen Analyse dient zur Berechnung und Visualisierung von Magnetfeldern und thermischen Ergebnissen. Diese Felder werden typischerweise durch Strom- oder Spannungsstöße verursacht. Diese Art der Analyse kann linear oder nicht linear sein. Es geht auch auf Wirbelströme, Leistungsverluste und magnetische Kräfte ein. Nach der Erstellung einer magnetischen Wechselstromstudie und einer thermischen Analysekopplung in EMS sind vier wichtige Schritte zu befolgen: 1 - Auswählen des richtigen Materials für alle festen Körper, 2- Auswählen der erforderlichen Randbedingungen oder der sogenannten Lasten/Beschränkungen in EMS, 3 - Vernetzen des gesamten Modells und ausführen des Solvers.

Materialien

Bei der magnetischen Wechselstromanalyse ("AC Magnetic") von EMS werden die folgenden Materialeigenschaften benötigt (Tabelle 1).

Komponenten/Körper Material Relative Durchlässigkeit Leitfähigkeit (S/m)
Innere Spule/äußere Spule Kupfer 0.99991 57e + 006
Außenluft/Innenluft Luft 1 0
Tabelle 1 - Materialtabelle

Das verwendete Material im Kern ist ein laminierter Stahl (Abbildung 4).
Core's Materialeigenschaften
Abbildung 4 - Materialeigenschaften des Kerns

Elektromagnetische Eingangsgrößen

In dieser Studie werden 3 Primärspulen und 3 Sekundärspulen (Tabelle 2) verwendet. Das AWG ist in der EMS-Spulendefinition angegeben. In diesem Fall ist es 38.06150 und der Drahtdurchmesser der Spule beträgt 0,10001348 mm.
Name Anzahl der Windungen Betrag
Phase
Gewickelte Spule 1 (primär) 300 1 A 0
Gewickelte Spule 2 (primär) 300 1 A 120 Grad
Gewickelte Spule 3 (primär) 300 1 A 240 Grad
Gewickelte Spule 1 (sekundär) 300 0 A 0
Gewickelte Spule 2 (sekundär) 300 0 A 120 Grad
Gewickelte Spule 3 (sekundär) 300 0 A 240 Grad
Tabelle 2 - Spuleninformationen

Thermische Eingangsgrößen

Wir müssen alle Körper, die aus Luft bestehen, als Konvektionseingangsgrößen behandeln.

Vernetzen

Die Vernetzung ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Entwurfsanalyse. 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 der Entwurfsanalyse, 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.
Vermaschtes Modell
Abbildung 5 - Vernetztes Modell

Ergebnisse

Nach dem Ausführen der Simulation dieses Beispiels können wir viele Ergebnisse erhalten. Das Wechselstrommagnetmodul erzeugt in Verbindung mit der thermischen Analyse die folgenden Ergebnisse: Magnetische Flussdichte (Abbildung 6,7), Magnetfeldstärke, angelegte Stromdichte (Abbildung 8), Kraftdichte, Verlustdichte (Abbildung 9, 10) und eine Ergebnistabelle enthält die berechneten Parameter des Modells (Induktivität, Strom, induzierte Spannung, Verluste usw.) (Tabelle 1), die elektromagnetischen Kräfte. Zusätzlich zu den elektromagnetischen Ergebnissen werden auch thermische Ergebnisse erhalten: Temperatur (Abbildung 11), Temperaturgradient, Wärmestrom (Abbildung 12).

In der Ergebnistabelle (Tabelle 1) finden wir die induzierte Spannung der sechs Spulen.

Ergebnistabelle
Abbildung 6 - Ergebnistabelle

EMS bietet die Möglichkeit vieler Arten von Darstellungen. Unten können wir die Kontur- und Vektordarstellung der magnetischen Flussdichte betrachten.


Magnetische Flussdichte im Transformator, Phase 0 Grad
Abbildung 7 - magnetische Flußdichte in dem Transformator, Phase 0 deg
Magnetische Flussdichte im Kern des Transformators, Phase 0 Grad
Abbildung 8 - Magnetische Flussdichte im Kern des Transformators, Phase 0 Grad

Angewandte Stromdichte, Phase 0 Grad

Abbildung 9 - Angewandte Stromdichte, Phase 0 Grad

Wicklungsverluste in Primärspulen, Liniendiagramm

Abbildung 10 - Wicklungsverluste in Primärspulen, Liniendiagramm

Hystereseverlust

Abbildung 11 - Hystereseverlust

Temperatur im Transformator

Abbildung 12 - Temperatur im Transformator

Wärmefluss

Abbildung 13 - Wärmestrom

Fazit

Eine elektromagnetische Analyse des Transformatormodells wird durchgeführt und die Ergebnisse in einem EMS-Bericht festgehalten. Die angelegte Stromdichte in jeder Spule, die Magnetflussdichte, die Magnetfeldstärke, die resultierende Wirbelstromverteilung und andere elektromagnetische Parameter werden im Bericht dargestellt. Eine stationäre thermische Analyse wird ebenfalls durchgeführt. Mithilfe von EMS können zusätzliche Simulationen mit alternativen geometrischen und/oder Materialkonfigurationen durchgeführt werden, um den Temperaturanstieg zu verringern und damit die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Transformators zu erhöhen.