计算变压器等效电路参数
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变压器在电气工业中无处不在。无论是输配电、重工业、仪器仪表、电动汽车还是消费电子产品，各种形状和尺寸的变压器都是系统不可分割的一部分。有不同类型的变压器：电力变压器以不同的电压等级将电力从一个电气系统转移到另一个电气系统，互感器用于电压和电流测量，隔离变压器通过电流隔离在两个电路之间耦合信号，高压变压器用于产生千伏级或更高的电压，等等。变压器的等效电路参数决定了其性能，因此对其设计和开发至关重要。 在我们最近的博客文章“从电磁仿真中提取电路”中，我们解释了如何从任何电磁模型中提取等效 RLC 网络，这也适用于任何具有集中绕组的变压器。在这篇博文中，我们将展示一个高频铁氧体磁芯变压器的示例，该变压器的初级和次级线圈由多个部分组成，并提供电路参数和分析的概述。 介绍 决定变压器性能的因素有很多。电源变压器的等效阻抗会影响短路或故障级别。磁化电感决定了大型变压器中的浪涌电流，而漏电感在选择电力电子电路的开关频率方面起着决定性的作用。寄生电容在高频变压器的工作中变得很重要。变压器的行为主要由它们的等效集总电路参数来表征。因此，使用仿真来提取变压器的等效电路参数对于设计过程是非常宝贵的。 磁化和漏感的计算 变压器的励磁电感是通过开路测试实验得出的，漏感是通过短路测试计算得出的。这些测试可以在变压器模型的模拟中执行，以获得电感值。 开路测试 本试验中，变压器次级线圈开路，初级线圈以额定输入电压励磁。在没有任何次级负载电流的情况下，初级线圈汲取的电流主要用于建立磁芯中的磁通量。如果使用初级电压和电流计算初级阻抗，除了初级线圈电阻的相对较小值外，它主要由磁化电感组成。 短路测试 传统上，初级线圈是短路的，次级是用一个降低到足以使额定电流通过初级线圈的电压来激励的。在这种情况下，大部分通量被限制在初级线圈和次级线圈之间的气隙区域。如果从端电压和电流值计算次级线圈阻抗，它主要由漏电感组成。可以使用匝数比变换将漏电感参考到初级侧。在仿真的上下文中，我们可以通过激励初级线圈和短路次级线圈来直接得到初级漏感。 寄生电容的计算 变压器应该是纯感应设备。但是，由于初级和次级线圈由导电材料制成，它们之间有绝缘层，因此可以将其比作两个导体被电介质分开的情况。这会产生电容效应。由于这些电容在设计上是无意的，因此它们被称为寄生电容。对于低频变压器，寄生电容并不起主要作用。然而，随着频率的增加，电容效应变得显着；并且由于匝数比很高，它们开始占据主导地位。 如何计算电容矩阵解释了如何使用稳态源扫描研究步骤获得自电容和互电容。在变压器具有集中绕组的情况下，可以遵循这种方法来提取电容矩阵。 在本示例中，初级线圈和次级线圈分布在多个部分中，这是大多数高压铁氧体磁芯变压器的情况。线圈中的电压分布在截面上呈现阶跃变化。因此，前面描述的方法不适用于提取电容矩阵。为了计算本例中的初级自电容，我们将一半的电势（即 5 V）施加到下部，将全电压（即 10 V）施加到上部。地电位施加到次级线圈，浮动电位施加到磁芯的整个表面。次级自电容类似地通过将一半的次级感应电压施加到下部而将全电压施加到上部来获得。 等效集总电路分析 现在我们有了初级电阻、励磁和漏感、初级自电容和次级自电容，我们可以建立变压器的等效电路模型。 添加以模拟次级的开路条件。集总电路模型的仿真预测，初级电流的超前角为 82.2°，次级感应电压为 3192 V。需要注意的是，次级感应电压高于使用变压器匝数时的预期值比率，即 3000 V。这是由于次级电容的影响与 1:300 的高匝数比相结合而观察到的。初级电流本身具有超前的功率因数，这意味着变压器吸收了容性电流！ 电感和电容效应的耦合分析 变压器的 2D 轴对称模型是使用“横截面”功能从 3D 模型创建的。次级线圈的 300 个单独匝额外绘制在几何图形中，以应用RLC 线圈组特征，该特征在磁场和电场接口中可用。次级需要开路，以便可以观察到次级寄生电容的影响。但是如果将线圈电流指定为零使其开路，则没有电流可以流过次级自电容。为了克服这个问题，电阻为 1 使用电路接口连接到次级线圈。这实际上就像一个开路，但允许电流流过次级自电容。 变压器绕组区域的电位分布显示了当我们径向向外移动时感应电压如何增加。根据该模型，计算的初级电流具有 75° 的超前角和 3055.6 V 的次级感应电压。这与上一节中讨论的等效电路模型一致。 为了建立集总电路（使用从 3D 模型获得的参数导出）和 2D 轴对称模型的等效性，从两种方法获得的初级线圈阻抗的频率响应绘制在同一张图上。下图显示了初级线圈阻抗大小和角度如何随励磁频率变化。我们可以观察到，二维轴对称结果证实了从集总电路分析中获得的结果。集总电路参数是从实际的 3D 变压器几何结构中提取的。变压器的二维轴对称模型是实际变压器几何形状的近似表示。这些差异导致从两种方法获得的初级线圈阻抗的频率响应之间存在轻微偏差。 RLC线圈组的用途 当您要分析平面内位移电流的影响时，可以使用此线圈建模功能。换言之，电容效应将与电感效应一起建模。可以使用域排序选项指定匝的连通性。在变压器的情况下，匝数层径向堆积，因此选择列顺序。 结束语 本练习的主要目的是提取变压器的等效电路参数。使用磁场和电场接口提取磁化电感和漏感。使用静电接口提取寄生初级和次级电容。 线圈组功能支持对包含电感和电容效应的变压器的二维轴对称模型进行分析。等效集总电路和二维轴对称模型的仿真显示了一些特殊的结果。计算出的次级电压高于匝数比的预期值。这类似于 Ferranti 效应，在轻负载传输线中发现，由于主要的电容效应，接收端电压高于发送端电压。变压器的初级电流也被认为是电容性的。这是由于次级寄生电容在以 1:300 的非常高的匝数比参考初级时占主导地位。 电感和电容对电路电流具有相互相反的影响。电感电路的功率因数滞后，而电容电路的功率因数超前。如果我们试图从终端量中提取这种变压器的等效阻抗，耦合效应将导致误导和错误的结果。在这种情况下，将观察到变压器的行为类似于电容。 总而言之，这里展示了如何通过分析由传导电流和感应电流引起的磁场效应来分别提取变压器的等效电感，同时忽略位移电流。这可以使用磁场或磁场和电场接口来完成。同样，变压器的寄生电容也可以仅通过电场分析单独获得。这可以通过静电或电流接口实现。最后演示了如何将提取的量组合成变压器的单个等效集总电路模型。 |
