変圧器
変圧器は、電磁誘導の原理によって 2 つ以上の回路間で電気エネルギーを伝達する静的な電気機械です。図 1 に示すように、トランスはコア (通常は積層鋼)、一次巻線、および二次巻線で構成されます。一次コイルの時変電流は、時変磁場を生成します。この時変磁場は、二次コイルに電圧を誘導します。これは、ファラデーの誘導の法則の原理によるものです。そのため、物理的な接触なしに、ある回路から別の回路に電力を簡単に転送できます。では、なぜこれが重要なのでしょうか。
変圧器の応用
変圧器は、電力産業で有用なアプリケーションを見つけます。電力アプリケーションでは、変圧器を使用して AC 電圧を増減します。 AC 電源が採用されて以来、変圧器は送電および配電業界で広く使用されるようになりました。変圧器は電子および RF 産業でも使用されるため、サイズが異なります。 RF 業界で使用される最小の変圧器は数立方センチメートルのオーダーであり、電力網を相互接続するために使用される高出力変圧器は数立方メートルのオーダーであり、重量は数トンになる場合があります。
変圧器の損失
変圧器には、エンジニアにとって役立つ主な 2 種類の損失があります。
- コアロス
- 巻線損失
優れた設計の目的は、トランスの損失を減らすことです。変圧器が設計されると、エンジニアはプロトタイプを作成し、開回路および短絡回路テストを使用して損失を測定します。また、これらのテストにより、エンジニアはトランスの等価回路を作成できます。変圧器の等価回路を取得したら、変圧器をその等価回路に置き換えて、システム レベルのシミュレーションを実行するのは非常に簡単です。
開回路試験
開回路試験は、図 2 の接続図に示すように、トランスのコア損失を決定するために使用されます。名前が示すように、巻線の 1 つ (通常は変圧器の高電圧側) には負荷がありません。低電圧巻線の電圧は、低電圧回路の定格電圧に等しくなるまで徐々に増加します。低圧回路に接続された電力計を使用して入力電力を測定し、この値を変圧器の鉄損とします。
図 2 -開回路テスト
短絡回路試験
図 3 に短絡試験の接続図を示します。変圧器の低電圧側が短絡しています。ここで高圧側では、電流が高圧側の定格電流に達するまで徐々に電圧を上げていきます。電力計の読み取り値は、トランスの銅損として近似できます。そのため、短絡テストはトランスの銅損を決定するために使用されます。
図 3 -短絡テスト
開回路試験と短絡回路試験のシミュレーション
EMS でのシミュレーションの興味深い機能は、上記の両方のテストを SolidWorks 内で仮想的に実行できることです。開回路テストでは、次の入力が必要です。
- コアの材料特性 – 鋼材の BH 曲線、ラミネートの詳細、ラミネートのコア損失曲線 (PB 曲線)
- 低電圧側の定格電圧を低電圧巻線に印加する必要があります
- 高電圧側は開いたままにしておく必要があります。つまり、0 アンペアに等しい電流を高電圧巻線に印加する必要があります。
短絡テスト シミュレーションを実行するには、次の入力が必要です。
- 低電圧側は短絡する必要があります。したがって、低電圧巻線の両端に0電圧を印加します。
- 高電圧巻線では、さまざまな電圧を印加し、高電圧側で定格電流に等しい電流が得られるまで電流を測定します。これは、印加電圧を変化させ、電流を測定できる EMS のパラメトリック シミュレーションを使用して実行できます。次に、定格電流を与える電圧の値を取得し、短絡シミュレーションを実行します。
等価回路を含む結果の考察このセクションでは、EMS 内部のモデル化を簡単に示し、得られた結果について考察します。図 4 は、シミュレーションに使用された SolidWorks モデルを示しています。図 5 は、ラミネートに使用される材料を示しています。図 6 は、EMS 内のコイル定義を示しています。開回路シミュレーションと短絡回路シミュレーションの両方で結果が得られます。 EMS では、各テストは個別の調査として実行されます。図 7 は結果テーブルを示し、図 8 は開回路テストの磁束密度のセクション プロットを示します。
等価回路を含む結果の考察
このセクションでは、EMS 内のモデリングを簡単に示し、得られた結果について説明します。図 4 は、シミュレーションに使用された SolidWorks モデルを示しています。図 5 は、ラミネートに使用される材料を示しています。図 6 は、EMS 内のコイル定義を示しています。開回路シミュレーションと短絡回路シミュレーションの両方で結果が得られます。 EMS では、各テストは個別の調査として実行されます。図 7 は結果テーブルを示し、図 8 は開回路テストの磁束密度のセクション プロットを示します。
図 6 - EMS 内のコイル定義
図 7 -コア損失を含むすべての結果を含む結果テーブル
図 8 -磁束密度のセクション プロット
結論
EMS for SolidWorks は、エンジニアが変圧器の 3D ジオメトリを作成し、開回路と短絡回路の両方のテストをシミュレートできる、非常に効率的で便利なシミュレーション ソフトウェアです。開路試験で計算された鉄損は 11 ワットで、短絡試験で計算された銅損は、一次コイルと二次コイルでそれぞれ約 188 と 200 W でした。図 9 は、トランスの最終的な等価回路を示しています。
図 9 -トランスの等価回路
