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Transformatorsimulation - Führen Sie in SolidWorks problemlos Leerlauf- und Kurzschlusstests durch

Gebrauchte Werkzeuge:

Transformator

Ein Transformator ist eine statische elektrische Maschine, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion elektrische Energie zwischen zwei oder mehr Stromkreisen überträgt. Wie in Abbildung 1 gezeigt, besteht der Transformator aus einem Kern (normalerweise aus laminiertem Stahl), einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung. Ein zeitlich variierender Strom in der Primärspule erzeugt ein zeitlich variierendes Magnetfeld. Dieses zeitlich veränderliche Magnetfeld induziert eine Spannung in der Sekundärspule. Dies liegt am Prinzip des Faradayschen Induktionsgesetzes. Somit kann die Energie ohne physischen Kontakt leicht von einem Stromkreis auf den anderen übertragen werden. Warum ist das wichtig?

Einphasentransformator

Abbildung 1 - Einphasentransformator

Anwendungen von Transformatoren

Transformatoren finden nützliche Anwendung in der Elektroindustrie. Bei Anwendungen mit elektrischer Energie werden Transformatoren verwendet, um die Wechselspannung zu erhöhen oder zu verringern. Seit der Einführung von Wechselstrom sind Transformatoren in der Stromübertragungs- und -verteilungsindustrie allgegenwärtig geworden. Transformatoren werden auch in der Elektronik- und HF-Industrie verwendet und variieren daher in der Größe. Die kleinsten Transformatoren, die in der HF-Industrie verwendet werden, liegen in der Größenordnung von wenigen Kubikzentimetern, und Hochleistungstransformatoren, die zum Verbinden von Stromnetzen verwendet werden, können in der Größenordnung von wenigen Kubikmetern liegen und mehrere Tonnen wiegen.

Verluste in Transformatoren

Es gibt 2 Hauptarten von Verlusten in einem Transformator, die für Ingenieure nützlich sind.

  • Kernverlust
  • Wicklungsverlust


Ziel eines guten Designs ist es, die Verluste im Transformator zu reduzieren. Sobald ein Transformator entworfen wurde, bauen die Ingenieure einen Prototyp und messen die Verluste mithilfe von Leerlauf- und Kurzschlusstests. Diese Tests ermöglichen es den Ingenieuren auch, ein Ersatzschaltbild eines Transformators zu erstellen. Sobald Sie die Ersatzschaltung eines Transformators haben, ist es sehr einfach, den Transformator durch seine Ersatzschaltung zu ersetzen und eine Simulation auf Systemebene durchzuführen.

Unterbrechungstest

Der Leerlauftest, wie in Abbildung 2 anhand seines Anschlussplans dargestellt, dient zur Bestimmung des Kernverlusts in einem Transformator. Wie der Name schon sagt, befindet sich in einer der Wicklungen (normalerweise auf der Hochspannungsseite des Transformators) keine Last. Die Spannung in der Niederspannungswicklung wird allmählich erhöht, bis sie der Nennspannung des Niederspannungskreises entspricht. Das an den Niederspannungskreis angeschlossene Wattmeter misst die Eingangsleistung und dieser Wert wird als Kernverlust im Transformator angenommen.

Leerlaufprüfung

Abbildung 2 - Unterbrechungstest

Kurzschlusstest

Bild 3 zeigt das Anschlussschema des Kurzschlusstests. Die Niederspannungsseite des Transformators ist kurzgeschlossen. Jetzt auf der Hochspannungsseite wird die Spannung allmählich erhöht, bis der Strom den Nennstrom der Hochspannungsseite erreicht. Der Wattmeterwert kann als der Kupferverlust im Transformator angenähert werden. Mit dem Kurzschlusstest wird also der Kupferverlust im Transformator ermittelt.

Kurzschlusstest

Abbildung 3 - Kurzschlusstest

Leerlauf- und Kurzschlusstestsimulation

Das Interessante an der Simulation in EMS ist die Möglichkeit, beide oben genannten Tests virtuell in SolidWorks durchzuführen. Für den Leerlauftest werden folgende Eingänge benötigt.

  1. Materialeigenschaft des Kerns - die BH-Kurve des Stahlmaterials, Laminierungsdetails, Kernverlustkurve für das Laminat (PB-Kurve)
  2. Die Nennspannung auf der Niederspannungsseite muss an die Niederspannungswicklung angelegt werden
  3. Die Hochspannungsseite muss offen bleiben, dh die Hochspannungswicklung muss mit einem Strom von 0 Ampere beaufschlagt werden
Nach Abschluss der Simulation gibt EMS den Kernverlust als Ausgabe aus. Einmalig kann man auch den Niederspannungsseitenstrom von EMS bekommen.
Zur Durchführung einer Kurzschlusstestsimulation sind die folgenden Eingaben erforderlich.
  1. Die Niederspannungsseite muss kurzgeschlossen werden. Daher legen wir eine 0-Spannung an die Niederspannungswicklung an.
  2. In der Hochspannungswicklung legen wir unterschiedliche Spannungen an und messen den Strom, bis der Nennstrom auf der Hochspannungsseite erreicht ist. Dies kann unter Verwendung der parametrischen Simulation in EMS durchgeführt werden, wobei die angelegte Spannung variiert und der Strom gemessen werden kann. Dann nehmen wir den Wert der Spannung, die den Nennstrom ergibt, und führen die Kurzschlusssimulation durch.
Nach Abschluss der Simulation gibt EMS den Wert des Kupferverlusts, der Streuinduktivität und des Wicklungswiderstands an. Die Ergebnisse der Leerlauf- und Kurzschlusstests werden verwendet, um das Ersatzschaltbild des Transformators zu erstellen.

Diskussion der Ergebnisse einschließlich der Ersatzschaltung In diesem Abschnitt zeige ich Ihnen kurz die Modellierung innerhalb von EMS und diskutiere die erzielten Ergebnisse. Abbildung 4 zeigt das für die Simulation verwendete SolidWorks-Modell. 5 zeigt das für das Laminat verwendete Material. Abbildung 6 zeigt die Spulendefinition innerhalb von EMS. Die Ergebnisse werden sowohl für die Leerlauf- als auch für die Kurzschlusssimulation erhalten. In EMS wird jeder Test als separate Studie durchgeführt. Abbildung 7 zeigt die Ergebnistabelle und Abbildung 8 die Schnittdarstellung der magnetischen Flussdichte für den Leerlauftest.

Diskussion der Ergebnisse einschließlich Ersatzschaltung

In diesem Abschnitt zeige ich Ihnen kurz die Modellierung innerhalb von EMS und diskutiere die erzielten Ergebnisse. Abbildung 4 zeigt das für die Simulation verwendete SolidWorks-Modell. 5 zeigt das für das Laminat verwendete Material. Abbildung 6 zeigt die Spulendefinition innerhalb von EMS. Die Ergebnisse werden sowohl für die Leerlauf- als auch für die Kurzschlusssimulation erhalten. In EMS wird jeder Test als separate Studie durchgeführt. Abbildung 7 zeigt die Ergebnistabelle und Abbildung 8 die Schnittdarstellung der magnetischen Flussdichte für den Leerlauftest.

Einphasentransformator simuliert in EMS

Abbildung 4 - In EMS simulierter Einphasentransformator


Material für Laminate
Abbildung 5 - Material für Laminate


Spulendefinition im EMS

Abbildung 6 - Definition der Spule im EMS


Die Ergebnistabelle enthält alle Ergebnisse einschließlich des Kernverlusts

Abbildung 7 - Ergebnistabelle enthält alle Ergebnisse einschließlich des Kernverlusts


Schnittdarstellung der magnetischen Flussdichte

Abbildung 8 - Schnittdarstellung der magnetischen Flussdichte

Fazit

EMS for SolidWorks ist eine sehr effiziente und praktische Simulationssoftware, mit der Ingenieure 3D-Geometrien ihrer Transformatoren erstellen und sowohl Leerlauf- als auch Kurzschlusstests simulieren können. Der durch den Leerlauftest berechnete Kernverlust betrug 11 Watt, und der durch den Kurzschlusstest berechnete Kupferverlust betrug etwa 188 bzw. 200 W in der Primär- und der Sekundärspule. Abbildung 9 zeigt das endgültige Ersatzschaltbild für den Transformator.

Ersatzschaltbild des Transformators

Abbildung 9 - Ersatzschaltbild des Transformators

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Videos

EMS Webinar: Transformer Losses Computation and Transformer Equivalent Circuit Analysis