《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于ANSYS的漏感變壓器仿真計(jì)算
基于ANSYS的漏感變壓器仿真計(jì)算
摘要: 漏感變壓器作為一種特殊的變壓器,,他不但能起到變壓的作用,;同時(shí)由于漏感的存在,,還能起到穩(wěn)定電壓的作用,這是由于當(dāng)初級(jí)電壓變化時(shí)產(chǎn)生的磁通量沒有全部鎖定在鐵芯中形成主磁通,,而是有一部分分布在線圈與空氣之間,。當(dāng)初級(jí)電壓變化時(shí),次級(jí)的感應(yīng)電動(dòng)勢的變化就不會(huì)如理想變壓器那么劇烈,,也就起到了穩(wěn)壓的作用,。
Abstract:
Key words :
  0 引言

  隨著微波爐的普及,微波爐的需求越來越多,,大量制造時(shí)需要考慮節(jié)約成本以及性能要求,,漏感變壓器作為微波爐核心器件之一,影響著微波爐整體性能以及制造費(fèi)用,。

  漏感變壓器作為一種特殊的變壓器,,他不但能起到變壓的作用;同時(shí)由于漏感的存在,,還能起到穩(wěn)定電壓的作用,這是由于當(dāng)初級(jí)電壓變化時(shí)產(chǎn)生的磁通量沒有全部鎖定在鐵芯中形成主磁通,,而是有一部分分布在線圈與空氣之間,。當(dāng)初級(jí)電壓變化時(shí),次級(jí)的感應(yīng)電動(dòng)勢的變化就不會(huì)如理想變壓器那么劇烈,,也就起到了穩(wěn)壓的作用,。

  由于漏感分布在線圈和空氣中,傳統(tǒng)的分析方法是采用路的分析方法,,無法計(jì)算漏感確切的分布位置以及強(qiáng)度,,長期以來只能靠經(jīng)驗(yàn)來判定。另一方面,,傳統(tǒng)的計(jì)算方法只能得到宏觀特性,,不能得到精細(xì)的變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu),。再加上鐵芯的材料一般都是非線性的,這使得計(jì)算求解更加困難,,只能用線性B-H曲線代替求解,,使得計(jì)算不準(zhǔn)確。要想得到變壓器的精確數(shù)據(jù),,就只有依靠數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)技術(shù),。

  ANSYS是基于有限元法的一款計(jì)算軟件,可用來分析電磁場領(lǐng)域的多項(xiàng)問題,。它充分利用了各種計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn),,發(fā)展出了適用于不同情況的電磁分析模塊,其中Emag模塊主要應(yīng)用于低頻電磁分析,,其主要特點(diǎn)是:非線性磁場分析和場路耦合分析,,這對于計(jì)算非線性材料非常有用,尤其是磁性材料,,主要應(yīng)用于電擊,、變壓器、電磁開關(guān)以及感應(yīng)加熱等領(lǐng)域,。

  1 變壓器基本原理與漏磁場

  如圖1所示,,U1為初級(jí)線圈電壓,N1為初級(jí)線圈的匝數(shù),,U2為次級(jí)線圈電壓,,N2為次級(jí)線圈的匝數(shù),對初級(jí)線圈加上一定的電壓,,按電磁感應(yīng)定律,,會(huì)在次級(jí)線圈上得到感應(yīng)電動(dòng)勢,在沒有電阻,、漏磁及鐵損的情況下,,變壓器是理想變壓器,原線圈和副線圈的匝數(shù)比等于原電壓和副電壓之比如圖1,、圖2所示,。  

a.JPG

 

b.JPG

  如圖2所示,,如果在原線圈兩端外加一正弦交流電壓U1,,則原線圈中將有交變電流I1通過,因而在鐵心中將激勵(lì)一交變磁通,。為了便于分析問題,,將總磁通分成等效的兩部分磁通,,其中一部分磁通沿著鐵心閉合,,同時(shí)與原、副線圈相交鏈,稱為互感磁通或主磁通,,用φ表示,;另一部分磁通主要沿非鐵磁材料(如空氣)閉合且僅與原線相交鏈,,稱為原線圈漏磁通,,表示為φ1,還有一部分只與次級(jí)線圈相交鏈的稱為副線圈漏磁通,,表示為φ2,。主磁通占總磁通的絕大部分,而漏磁通只占很小的一部分(0.1%~0.2%),。

  如果僅僅是依靠空氣和線圈之間的漏感,,是不能達(dá)到漏感變壓器穩(wěn)定電壓的要求的,因此人為的在初,、次級(jí)線圈中間加入漏磁沖片,,引導(dǎo)部分磁場從這里穿過,形成高漏磁,。

  2 漏感變壓器二維耦合仿真

  ANSYS是以麥克斯韋方程組作為電磁場分析的出發(fā)點(diǎn),。在電磁場計(jì)算中,經(jīng)常對麥克斯韋方程組進(jìn)行簡化,,以便能運(yùn)用分離變量法,、格林函數(shù)法等求解得到電磁場的解析解。在實(shí)際工程中,,ANSYS利用有限元方法,,根據(jù)具體情況給定的邊界條件和初始條件,用數(shù)值解法去求其數(shù)值解,。有限元方法計(jì)算未知量(自由度)主要是磁位或者通量,,關(guān)心的物理量可以由這些自由度導(dǎo)出。根據(jù)甩戶選擇的單元類型和單元選項(xiàng)的不同,,ANSYS計(jì)算的自由度也不同,,可以使標(biāo)量磁位、矢量磁位或者是邊界通量,。

  對于變壓器,,需要研究隨時(shí)間變化的外加場產(chǎn)生的磁場、次級(jí)屯壓等參數(shù),,故采用二維矢量位方法。矢量位方法每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度,,Ax,,Ay,Az,,表示遭x,,y,,z方向上的磁矢量位自由度。在電壓饋電或電路耦合分析中又為磁矢量位自由度增加了另外3個(gè)自由度:電位(VO-LT),、電流(CURR),、電動(dòng)勢降(EMF)。由矢量磁位可首先計(jì)算出磁通密度,。他的值在積分點(diǎn)處由單元形狀函數(shù)計(jì)算而得,。在得到了B之后,可以通過能量角度出發(fā),,得到線圈的電感,,再根據(jù)電感與能量的關(guān)系求得電感。

  2.1 前處理

  觀察變壓器的結(jié)構(gòu),,可以發(fā)現(xiàn)變壓器屬于對稱結(jié)構(gòu),,故可利用其對稱性,只仿真它一部分,,就能得到所需要的結(jié)果數(shù)據(jù),。

  根據(jù)給定的尺寸、材料,,建立變壓器模型選擇合適的單元,,按照實(shí)際尺寸建立有限元模型,并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及耦合自由度,。

  由于在工頻情況下,,鐵芯內(nèi)磁場分布主要受激勵(lì)電流的約束,基本不受渦流的影響,,可以得知,,鐵芯主磁通在負(fù)載和空載情況下的差別很小,故可以只考慮空載情況,。得到變壓器二維有限元耦合模型(如圖3所示),。

c.JPG

  本文主要是研究變壓器的磁場分布,尤其是漏磁,,漏磁主要分布在空氣和線圈之間,,故在劃分網(wǎng)格時(shí)要將空氣和線圈部分畫得較密。同時(shí),,主磁通是分布在鐵芯中,,為了體現(xiàn)主磁通的分布以及確切值,也需要將鐵芯的網(wǎng)格適當(dāng)加密,,見網(wǎng)格劃分的局部圖,。如果只考慮走向問題,可以選用粗網(wǎng)格以縮短計(jì)算時(shí)間。

  2.2 求解

  由于加載的電壓頻率是50 Hz,,要計(jì)算加載步個(gè)數(shù),,設(shè)置每個(gè)加載步時(shí)間間隔為1.25 ms,每個(gè)載荷步又分為間隔為0.25 ms的小步來實(shí)現(xiàn),。由于線圈電感的存在,,要經(jīng)過一段時(shí)間波形才能穩(wěn)定,故要得到穩(wěn)定的結(jié)果,,需要將加載時(shí)間調(diào)長,。

  2.3 后處理

  使用電磁宏可以得到各個(gè)載步或者時(shí)間點(diǎn)時(shí)刻磁力線以及磁場強(qiáng)度矢量、以及二次線圈上的感應(yīng)電壓等參數(shù),。

  當(dāng)給初級(jí)線圈加上交變電壓時(shí),,根據(jù)麥克斯韋方程,變化的電場產(chǎn)生變化的磁場,,磁場會(huì)穿過線圈形成閉合磁場,,散布在線圈周圍。由于鐵芯的約束,,使得磁場沿著鐵芯繞,,形成閉合磁場,又稱為主磁通,。

  圖4,、圖5顯示了模擬得到的磁場分布,從圖中可以明顯觀察到磁力線走向以及大小,。通過觀察可以了解到,,鐵芯內(nèi)的磁場分布較均勻,由于是1/2模型,,會(huì)體現(xiàn)出鐵芯中間處磁場較集中,,故磁感應(yīng)強(qiáng)度相對鐵芯邊緣處的值較大。鐵芯內(nèi)磁場強(qiáng)度在0.85~1.6 T之間,,在理論計(jì)算范圍內(nèi),,從而證明模型以及計(jì)算方法的正確性。

d.JPG

  由于不存在沒有電阻,、鐵損的變壓器,,所以變壓器都不是理想的,會(huì)有損耗,,這就使得原,、副線圈上的電壓不是完全符合電壓平衡公式。仿真時(shí)在變壓器初級(jí)線圈上加上220 V的工頻電壓,,仿真結(jié)果得到次級(jí)電壓約為2 240 V(見圖6)的高壓,,比理想變壓器的次級(jí)電壓要低,,符合實(shí)際變壓器的特點(diǎn)。與實(shí)驗(yàn)測試推算結(jié)果相比,,誤差在3%以內(nèi),證明了仿真的假設(shè)和方法是對的,。

f.JPG

  如果仔細(xì)觀察圖5,,會(huì)發(fā)現(xiàn)在初、次級(jí)線圈中間有一條很窄的磁場通道(這就是被漏磁沖片引導(dǎo)的磁通),,使得部分磁場從這里穿過,,形成漏磁,通過三維模型能很明顯的觀察到漏磁的存在,。當(dāng)進(jìn)一步細(xì)分漏磁沖片網(wǎng)格,,加入實(shí)際B-H曲線(如圖7所示)后,發(fā)現(xiàn)漏磁量增多,,由原來的0.1%增加到1%,,如圖8所示。

g.JPG

e.JPG

  圖7的橫坐標(biāo)表示磁場強(qiáng)度H,,單位為A/M,,縱坐標(biāo)表示磁感應(yīng)強(qiáng)度,單位為T,。

  對比圖5,、圖8,可以發(fā)現(xiàn)鐵芯內(nèi)磁場強(qiáng)度變小了,,這是由于加入了B-H曲線后,,在B=1.65 T左右時(shí)達(dá)到了飽和(如圖7所示),抑制了鐵芯內(nèi)磁場的增加,,使得鐵芯的磁場沒有線性μ時(shí)的磁場強(qiáng)度大,。也正是由于B-H的抑制作用,使得一部分磁場分流到了漏磁沖片,,形成了較大的漏感,。

  通過調(diào)整初級(jí)線圈的電壓,可以得到次級(jí)電壓也隨著變化,,但是這一現(xiàn)象在漏感變壓器中,,變化并不明顯,當(dāng)將初級(jí)電壓在額定電壓下變化10%時(shí),,次級(jí)電壓的變化不超過額定次級(jí)電壓的3%,。這是由于初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場并沒有全部鎖定在鐵芯中形成主磁通,而有一部分漏出,。與實(shí)際的漏感變壓器的漏感作用相符,。

  如圖9所示,橫坐標(biāo)表示的是漏感變壓器的初級(jí)電壓,縱坐標(biāo)表示的是次級(jí)電壓,,單位為V,。由圖9可以看出,理想變壓器和漏感變壓器的次級(jí)電壓變化曲線與初級(jí)線圈的電壓變化曲線一致,,但是理想變壓器的次級(jí)電壓要比漏感的次級(jí)電壓要大,,增幅要大,也就是說當(dāng)初級(jí)電壓變化時(shí),,理想變壓器的次級(jí)電壓變化要比漏感變壓器的次級(jí)電壓比劇烈,。這是由于理想變壓器沒有考慮線圈阻抗等損耗,尤其是漏感的影響,,故次級(jí)電壓變化劇烈,。圖9也從側(cè)面證明了漏感的穩(wěn)壓作用。

h.JPG

  3 結(jié)語

  對變壓器進(jìn)行了二維仿真,,得到了與實(shí)際相符合的電壓,、電流、磁場分布,,證明了仿真建模,、計(jì)算方法的正確性。得到了變壓器內(nèi)部的磁場分布,,尤其是鐵芯內(nèi)的主磁通以及分布在鐵芯周圍的漏磁通,。證實(shí)了漏感的存在以及漏感對穩(wěn)定電壓的作用。借助仿真軟件,,實(shí)現(xiàn)了變壓器內(nèi)部磁場的可視化,,為變壓器的設(shè)計(jì)提供的依據(jù),節(jié)約了設(shè)計(jì)成本,,縮短了設(shè)計(jì)周期,。



 

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。