In diesem Beispiel geht es um einen dreiphasigen Mittelspannungstransformator. Ziel ist es, die wichtigsten Eigenschaften, z. B. Leistung und Wirkungsgrad, unter normalen Betriebsbedingungen zu ermitteln.

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Ausgangs-Situation

Eigenschaften eines Transformators finden

In diesem Beispiel geht es um einen dreiphasigen Mittelspannungstransformator. Ziel ist es, die wichtigsten Eigenschaften wie Leistung und Wirkungsgrad unter normalen Betriebsbedingungen durch FEM-Simulation zu ermitteln. Ebenfalls von Interesse ist die Abschirmwirkung des Gehäuses. In weiteren Simulationen könnte man auch das Einschaltverhalten und elektrische Kurzschlussbedingungen simulieren. Auch akustische und thermische Bedingungen können von Interesse sein und können simuliert werden.

Das folgende Bild zeigt Definitionen der Phasenströme

Bild: Schema des Transformators

• Drei Spulen: Hochspannung (aktiv), Mittelspannung (aktiv) und Niederspannung (passiv).

• Drei Phasen: Phase A, Phase B und Phase C.

• Magnetischer Kern: Mit nichtlinearem Material.

Das CAD-Modell für diesen Transformator ist als Halbmodell angelegt, das für die Durchführung von FEM-Simulationen ausreichend ist.

Bild: CAD Modell des Transformators

Die wichtigsten Merkmale für diese Aufgabe sind folgende:

• Abmessungen: Transformator: 200 mm x 600 mm; und Gehäuse: 300 mm x 800 mm,
• Spulen: Verseilte Spulen mit 230 (HV blau), 115 (MV cyan) und 55 (LV grün) Wicklungen,
• Abschirmung: Nu-Metal Shielding (rot) mit einer Dicke von 5 mm,
• Umgebende Luft: Ausreichend großes Volumen mit Umgebungsluft (transparent blau).

Geeignete Methode

3D FEM Model mit Circuit

Um eine 3D-Simulation zu erstellen, wird das halbe CAD-Modell entweder mit hexaedrischen oder tetraedrischen Elementen oder Mischungen davon vernetzt. Wegen der recht einfachen CAD-Form des Kerns und auch der Spulen verwenden wir meist hexaedrische Elemente. Das folgende Bild zeigt dieses Netz.

Bild: FEM Modell des Transformators

In einem nächsten Schritt wird ein Gehäuse ebenfalls im CAD modelliert und in der FEM-Umgebung von Simcenter vernetzt. Der Materialtyp Mu-Metall für beste Abschirmungseffekte (rot) mit einer Dicke von 5 mm wird verwendet.

Bild: Gehäuse des Transformators (red)

Die umgebende Luft wird als ein ausreichend großes Kugelvolumen modelliert (transparentes Blau im nächsten Bild).

Abbildung: Umgebungsluft (transparent blau) und entsprechendes Luftnetz

Schließlich wird ein Stromkreis definiert, um die Spulen in der gewünschten Weise zu verbinden. Entsprechend den beiden folgenden Bildern werden verschiedene Arten von Verbindungen oder Kabeln verwendet:

Auf der Primärseite des Transformators verwenden wir diese:

• Kabelnetzwerke: Kabelverbindungsnetzwerke zwischen HV- (blau) und MV- (cyan) Spulen
• Kreuzverbinder: Schaltbarer Widerstand zwischen den jeweiligen HV- und MV-Spulen (nur für Kurzschlusssimulation)
• Stromkabel: Steckverbinder zur Aufschaltung der jeweiligen Ströme IA, IB und IC.

Bild: Circuit auf der Primärseite

Auf der Sekundärseite des Transformators verwenden wir diese:

• Kabelnetze: Kabelverbindungen zwischen den Niederspannungsnetzen (Spulen)
• Widerstandsfähiges Kabel: Resistive RL-Kabelverbinder zwischen Niederspannungsspulen und Masse

Bild: Circuit auf der Sekundärseite

Ergebnisse

Einschalten, Normalbetrieb, Kurzschluss

Der Aufbau der Lösung sieht wie folgt aus:

Phase 1: Normalbetrieb

• Hoch- und Mittelspannungsspulen sind weiterhin über ein niederohmiges Kabel verbunden.
• Hoch- und Mittelspannungsspulen werden mit einem konstanten Antriebsstrom betrieben.
• Die NS-Spulen werden über hochohmige Kabelverbindungen angeschlossen.

Dieses allgemeine Verfahren gilt auch für die Simulationen von Transienten und Frequenzen.

The following are the power and efficiency results for normal transformer operation.

Bild: Leistung Ergebnis

• Zunehmende Leistung: Zwischen 0 und 8 Ohm
• Maximale Leistung: Spitzenwert erscheint bei (ungefähr) 8-10 Ohm
• Stagnation:  Bei höheren Lasten >35 Ohm

Bild: Wirkungsgrad Ergebnis

• Maximaler Wirkungsgrad: Der Spitzenwert erscheint bei (ungefähr) 1-3 Ohm

• Abnehmender Wirkungsgrad:  Bei höheren Lasten >3 Ohm

Ein Ergebnis der magnetischen Flussdichte über die Zeit im Kern ist in der folgenden Abbildung zu sehen.

Bild: Magnetische Flussdichte und Spulenstrom

Im Anschluss an Phase 1 können Lösungen für zwei weitere Simulationen gefunden werden, die hier nicht gezeigt werden.

Phase 2: Einschalten (Ergebnisse werden hier nicht gezeigt)

• Hoch- und Mittelspannungsspulen sind über ein Kabel mit geringem Widerstand verbunden.

• Die Hoch- und Mittelspannungsspulen werden mit einem nicht konstanten Antriebsstrom betrieben.

• Bis zu einem ersten T1 wird der Antriebsstrom erhöht, um das Einschalten zu simulieren.

• Die NS-Spulen sind über hochohmige Kabelverbindungen angeschlossen.

Phase 3: Kurzschluss (Ergebnisse hier nicht dargestellt)

• Die Hoch- und Mittelspannungsspulen sind weiterhin über niederohmige Kabel verbunden.

• Hoch- und Mittelspannungsspulen werden mit einem konstanten Antriebsstrom betrieben.

• Nach einem zweiten T2 wird der hochohmige Kabelanschluss, der die Niederspannungsspulen verbindet, schnell verringert, um einen Kurzschluss zu simulieren.

Schlussfolgerung: Es hat sich gezeigt, dass es mit diesen Methoden in NX Magnetics einfach möglich ist, Transformatoren zu analysieren und Leistung und Wirkungsgrad zu ermitteln. In weiteren Simulationsarten können Temperaturen, Strukturspannungen und Akustik überprüft werden.