In diesem Beispiel zeigen wir eine FEM-Analyse eines Transformators, der mit einer 1D-Villard-Schaltung mit Dioden und Kondensatoren gekoppelt ist. Die resultierende Spannung wird durch Verluste (nichtlineare Sättigung und Streuinduktivität) beeinflusst.
Ausgangs-Situation
Elektronische Komponenten
Ziel dieses Anwendungsbeispiels war es, einen Transformator in FEM im Zusammenhang mit seiner realen Schaltung zu analysieren. Durch diese Analyse sind wir in der Lage, das Verhalten der nichtlinearen Sättigungs- und Streuinduktivitäten der Transformatorgeometrie und ihre Auswirkungen auf die Schaltung zu erfassen. Die verwendete Schaltung ist ein Villard-Modell, das Dioden, Kapazitäten und Widerstände enthält. Die Villard-Schaltung führt eine Verdoppelung der Spannung durch und wird in vielen elektronischen Geräten verwendet.
Das nächste Bild zeigt die verwendete Schaltung. Ziel ist es, die zeitabhängige Spannung am Widerstand R1 zu berechnen.
Abbildung: Die verwendete Villard-Schaltung
Anstelle der Versorgungsspannung V1 koppeln wir in unserem Beispiel ein Finite-Elemente-Modell eines 2D-Transformators an die Schaltung. Zusätzlich zur Villard-Schaltung legen wir einen 2-Ohm-Widerstand an den Transformator an, der die Elektrosheets in die Sättigung führt. Das Trafomodell ist im Folgenden dargestellt.
Abbildung: Der verwendete Transformator, der an die Schaltung gekoppelt wird
Einige der Eingabeparameter sind:
N1 = 1000
N2 = 100
U0eff = 230 V
RL=10000 Ohm
C1=C2= 100 mu Farad
D1=D2= 1N4148
Dieses Problem wird auch im Folgenden beschrieben und analysiert:
"Integration analoger Schaltungselemente im Magnetfeldsolver des NX Systems", Master Thesis Christian Korolonek, Hochschule RheinMain, 2013.
Geeignete Methode
2D Magnetodynamik Transient mit Circuits
Diese Art von Problem wird in NX Magnetics mit einem magnetodynamischen Lösungstyp und der Anwendung von 1D-Schaltungselementen gelöst. Mögliche Elemente sind Steckverbinder, Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und Dioden. Das nichtlineare Verhalten von Dioden wird durch die Verwendung von spannungsabhängigen Widerständen realisiert. Das FEM-Modell wird mit 2D- und 1D-Elementen aufgebaut, wie im nächsten Bild gezeigt. Dioden und Kondensatoren sind durch ein Symbol gekennzeichnet. Widerstände sind einfach als Linien dargestellt.
Bild: Gemischte 1D / 2D-Elemente für den Transformator und die Villard-Schaltung
Ergebnisse
Verluste beeinflussen die Spannung
Die blaue Kurve mit 30 V stellt die Ausgangsspannung des Transformators dar. Aufgrund des Wicklungsverhältnisses ergibt sich ein Faktor von 1/10 auf die gegebene Eingangsspannung von 220 V (rms). Die zweite Kurve stellt das gewünschte Verhalten der Spannung an R1 dar. Die Kurve zeigt einen schrittweisen Anstieg, bis sie fast das Doppelte der blauen Kurve erreicht. In einer idealen Situation müsste sich die Spannung genau verdoppeln, aber in dieser Analyse sind Sättigungs- und Streuinduktivitätseffekte enthalten, die die Ergebnisse realistischer machen als analytische Formeln.
Bild: Verhalten der Spannung an R1 aus der elektromagnetischen Analyse
