通过电磁学仿真评估变压器设计

2018年 10月 25日

从微型手机充电器到大型发电机,变压器被广泛应用在各类电气设备中,用于升高、降低和隔离电压。虽然这些电气设备的结构非常简单,但是对它们的性能进行优化依然充满挑战性,因为涉及考虑磁场和电场的耦合、铁磁材料的特征,等等。为了找出这些影响,工程师在设计变压器时可以使用 COMSOL®软件进行建模和分析。

变压器:升压、降压与隔离电压

有三种主要类型的变压器,每种类型都有不同的功能:

  1. 升压变压器用于提高电压
  2. 降压变压器用于降低电压
  3. 隔离变压器用于隔离电压

由于变压器具备这些功能,每种类型的变压器都有着广泛的应用。例如,大型升压变压器可以提高发电厂产生的电压,以便远距离传输;小型升压变压器通常被用于微波炉和不间断电源系统;降压变压器被用于手机充电器、焊接和电视。同样,隔离变压器在满足安全法规方面起着重要的作用,甚至是一些医疗诊断设备的法律要求。隔离变压器还可用于测试电子设备、为高处的设备供电(例如无线电天线桅杆上的空中交通警告灯),以及减轻水下设备中的电腐蚀。

发电厂变压器的照片
用于尼亚加拉瀑布的亚当斯发电厂变压器室的变压器,建于 1895 年。图片在美国通过Wikimedia Commons公开。

变压器如何工作?

变压器有许多不同的用途,但它们的基本设计和结构相似,通常由以下组件组成:

  • 铁芯,通常被称为 E型、I型、U型、L型、环形、罐式或平面铁芯,具体取决于铁芯的形状
  • 原边和副边线圈,也称为绕组

当设备连接到两个(或更多)电路时,通过电磁感应传输电流。原边绕组接收电流,交变的电流产生磁场。根据绕组的匝数比,该场在副边线圈中产生更高、更低或相等的电压,从而使匝数比成为升压、降压和隔离变压器之间的主要区别之一。

显示铁磁芯中磁场的图像,这是变压器设计的一个重要考虑因素
隔离变压器,铁芯中的磁场与绕组中的电流耦合

为了提高变压器的效率,工程师需要分析许多不同的因素,例如铁芯的铁磁特性(包括电阻和磁饱和)、磁场和电场之间的耦合以及绕组匝数。使用COMSOL Multiphysics®软件和 AC/DC 模块,可以进行电磁仿真。在下一节中,我们将研究一个具有两种不同匝数比的变压器示例:隔离变压器的匝数比为 1:1,降压变压器的匝数比为 1000:1。

提示:如果您希望观看视频,我们推荐这个变压器仿真演示视频。

使用 AC/DC 模块模拟变压器

这两种变压器模型的设置方式相同(除了匝数比以外)。如下图所示的变压器模型,有两个铁制的 E 型铁芯,绕组绕在中柱上。将绕组放置得如此近(而非绕于不同柱)有助于增加磁耦合,从而提高了变压器的效率。为了更方便地地对绕组进行建模,我们可以使用 COMSOL 内置的线圈特征。请注意,这里假设绕组由极细的导线制成,导线线径小于集肤深度。

E 芯变压器模型的示意图
E 型铁芯变压器的几何形状。

在对铁芯进行建模时,我们可以使用磁场接口考虑 B-H 曲线(磁通密度与磁场强度的关系)的影响。添加这条曲线有助于得到铁芯的非线性特性,能够评估关键因素,例如:

  • 磁场和电场的分布
  • 变压器的瞬态响应
  • 漏磁

为了简化分析,我们可以对关键设计参数进行参数化,以便于这些参数的更改与优化。例如,参数化的输入电压幅值可以简化绕组匝数与电压匹配的过程。该模型中的其他参数还包括频率(通常为 50Hz,在本例中为 60Hz);匝数和线圈电阻。

此外,我们还可以研究磁饱和的影响,这决定了变压器铁芯中的最大磁通密度。由于磁饱和对变压器性能至关重要,磁饱和最终会限制铁芯的尺寸,从而影响成本。(最小尺寸限制是发电厂的大功率变压器体积为何如此庞大的原因。)

虽然我们没有在这篇博文中详细介绍如何对变压器建模,但我们可以在COMSOL案例库中的E 型铁芯变压器教程中找到详细的分步说明。请注意,使用 COMSOL Access 帐户和有效的软件许可证,可以下载这个示例的 MPH 文件。

检查隔离变压器和降压变压器的设计

首先,我们可以在 50 ms 时评估隔离变压器设计。如下面的动画所示,铁芯中产生的磁通量可在绕组中感应出电压和电流,这证明实现了电磁感应。这些结果不仅对于检查能否传输输入电压很重要,而且还可以为平衡变压器性能与其尺寸和成本提供理论依据。

铁芯中的磁通密度和绕组中的电流。

仔细观察这两个线圈,可以看到,正如预期的那样,由于匝数比相等,因此电压相等。虽然电流(如下所示)略有不同,但这并不奇怪,因为副边绕组中的电流是感应电流。

单位变压器初级绕组中的电流图
单位变压器模型中的次级绕组电流图

隔离变压器的原边(左)和副边(右)绕组中的电流。

再来观察降压变压器,可以看到这个设计成功地将电压降低了 1000 倍(从 25 000 V 到 25V)。

COMSOL Multiphysics 中变压器初级绕组中的感应电压图
降压变压器次级绕组中的感应电压图

降压变压器的原边(左)和副边(右)绕组中的感应电压。

如上面的仿真结果所示,我们可以通过仿真评估不同类型变压器的性能,准确地考虑电磁和铁磁效应。利用这些结果,工程师还可以提升变压器的性能,并针对特定应用对其进行优化。

下一步

亲自尝试:单击下面的按钮下载 E 型铁芯变压器教程。您将进入 COMSOL “案例库”,您可以在其中找到此模型的文档和 MPH 文件。

您还可以访问更复杂的三相电力变压器模型,该模型演示了如何计算 3D 和 2D 轴对称变压器中的电磁参数和损耗。

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