计算三相电力变压器的损耗
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三相电力变压器用于世界各地的电网，以实现高效的电力传输。尽管它们在容量、负载平衡和效率方面比单相变压器具有显着优势，但损耗的计算并不那么简单。使用软件，我们可以可靠地计算铁芯、线圈和木工的损耗，以及初级和次级电感等重要的集总参数。变压器的安全性和可靠性在很大程度上取决于设计能够消除其损耗的能力。在这方面的疏忽将导致处罚，并可能导致重大事故。 电力变压器：简介 通过比较产生的电力和接收的电力来计算从源头（例如发电厂）到目的地（例如客户）的电力传输效率。为了最大化传输效率，传输过程中的能量损失需要最小化。在长距离传输电力时，这是通过在传输之前增加电压并在接收端（通常在变电站中）降低电压来减少流过传输网络的电流来实现的。 对于交流电源，这种“升压”和“降压”可以基于一个非常简单的原理（感谢法拉第）使用变压器来完成，这是一个由两个线圈和一块铁磁材料组成的设备的简洁术语。最简单的形式。这种变压器使用单一的交流电，依靠单一的交流电压，称为单相变压器。一种常见的单相变压器是E 芯变压器。 三相变压器如何工作？ 三相变压器可以通过以多种不同的配置将三对线圈缠绕到单个铁磁芯上来构造。中的内置线圈功能允许灵活更改线圈配置。 三相系统具有更大的传输容量，因此比单相系统更有效。此外，导体之间的相位差导致电压在每个导体中的一个之后的三分之一周期达到峰值，并且在其余导体之前的三分之一周期达到峰值，从而确保负载平衡。 然而，对于大型配电网络，需要进一步优化变压器以最大限度地提高效率，从而避免可能的故障，这些故障通常是由于损耗导致的高温造成的。考虑到这一点，优化设计使其能够处理损耗是构建高效可靠变压器的最关键步骤之一。在不同的工作条件下，任何一个不同的部分都可能发生损耗。使用多物理场仿真，我们可以分别计算变压器的线圈、铁芯和木工中的损耗，从而使用这些推论来改进设计并将损耗保持在最低水平。 电力变压器如何以及为什么会产生损耗？ 在三相变压器中，我们可以将不同部分的损耗分类如下： 铁芯损耗发生在变压器的铁磁芯中。铁损通常称为铁损，与铜损不同，铜损是线圈绕组中的损耗。大多数时候，磁芯损耗受磁滞控制。也就是说，磁化滞后于施加的磁场。磁滞损耗是任何磁铁所固有的，可以在微观上解释为磁畴的摩擦：因此，磁场越高，磁滞损耗就越高，并且这些损耗与频率呈线性关系。在开路条件下，这些损耗最大，因为在铁芯中感应出最大的磁场。有时，由于涡流，磁芯也可能会出现损耗。由于使用了叠层铁，这些通常小于磁滞，从而最大限度地减少涡流。尽管如此，铁芯中的涡流损耗仍可能发生在外表面、尖角或某些暴露部件（例如夹板）中。这主要发生在短路或快速脉冲的结果中。计算铁芯的涡流损耗通常可以通过处理铁芯的那一部分来完成，就像处理木工一样。线圈损耗，也称为铜损耗或 I2R 损耗，是由于导体电阻导致线圈中的焦耳加热而发生的。在直流电流的情况下，这些损耗可以使用欧姆定律简单地计算出来。然而，当涉及交流电源时，由于趋肤效应和邻近效应，损耗会急剧增加。木工损耗是支撑变压器的金属结构中的损耗。这些是由于感应到木工中的杂散电流（涡流）而发生的。让我们看看如何可视化这些组件并使用模拟数学计算这些损失。我们将模拟两个最有趣的场景，其中任何一个都经常构成预测损失的限制因素。我们将在 实验中使用 2D 轴对称模型和 3D 模型进行计算。我们将通过保持高压绕组开路并向低压端施加低压来进行开路测试。我们还将通过短接低压绕组并向高压端施加电压来模拟短路测试，以确保标称电流流过电路。 几何、材料和研究 对于我们的 3D 分析，我们对变压器的整个几何形状进行建模，包括整个铁芯和木工，同时使用均质线圈。另一方面，二维轴对称等效物说明了一个单相，每个线圈匝数都明确建模。 这三个线圈可以使用内置线圈功能轻松建模，并且可以相应地进行定制以适应特定设计。
有和没有木工的 3D 模型几何。 我们选择无损耗铁（电导率为 0.1）作为铁芯材料，选择铜作为线圈。使用具有阻抗边界条件的结构钢对木工进行建模。在 2D 轴对称模型中，我们合并了各个导体域以了解导体的电流密度。 开路测试仅在 3D 中执行，因为开路主要处理恢复磁芯中的场，而短路测试在 2D 轴对称和 3D 中执行，以分析存在的大量线圈并分别捕获二维计算中未出现的机械效应。 3D模型 对于开路测试，在初级线圈中引入标称相电压，而次级线圈保持开路（I = 0）。磁芯损耗计算如下：
如表中所示，模拟值与使用数学公式（如 Steinmetz 方程）计算的值相当。 下面是磁芯的磁通密度和磁化强度（饱和度）。如上所述，这两种现象都会影响铁芯中的损耗。
磁芯的饱和度（左半部分）和磁通密度（右半部分）。 要在 3D 模型中进行短路测试，需要更换 12 个线圈馈电；即，需要在初级线圈和次级线圈之间切换线圈励磁值。为了能够在这些配置之间快速切换，我们利用 COMSOL Multiphysics 中的方法功能来自动化这个过程。使用 3D 中的短路测试，我们获得了木工损失。在 50 Hz 时，发现木工损耗为 120 W。 二维轴对称模型 我们在两个独立的研究中对初级和次级线圈实施短路，以评估铜损和次级电感。为了在进行每项研究时能够有效地切换线圈馈电，我们使用方法功能，只需单击一下即可更改线圈励磁。这些研究在频域中进行。 结果 我们可以在下面的图中可视化结果：
在 50 Hz 时，铜损计算为 5.5 kW。
电流密度模式。我们看到导体中出现集肤效应，表明电流密度存在很大差异。 使用多物理场仿真，我们可以高精度计算三相电力变压器各个组件的损耗。这在研发的测试阶段尤其有用。根据仿真结果，我们可以对几何参数以及其他变量（例如线圈厚度和铁芯叠片）进行试验，并设计具有最佳性能和最小损耗的变压器。 通过多物理场仿真优化现实世界的变压器设计 对于交流变压器制造商而言，改进设计的研发涉及考虑许多不同的物理现象以及它们之间的相互作用。从这个意义上说，设计高效变压器是一个真正的多物理场问题。 影响变压器设计的主要多物理场方面之一是其散热。根据热性能评估变压器有助于开发高效的冷却系统。其他需要分析的因素与静态和动态激励下的机械完整性和材料变形有关。在我们的网站和文献中可以找到许多有关这方面的资源。 由周期性激励引起的特殊结构现象的一个例子是变压器产生的噪声，也称为变压器嗡嗡声。这种声音是变压器内部不同来源振动的结果，例如变压器铁芯和冷却系统中使用的辅助风扇和泵。这些来源中最重要的是铁芯的磁致伸缩和线圈的洛伦兹力引起的振动。这两种效应都可以很容易地融入软件的变压器模型中。 在研究这个问题时，位于瑞典韦斯特罗斯的 ABB 企业研究中心的研究人员创建了一系列模拟和计算应用程序来计算各种变压器组件中的许多参数。 |
