三相动力变压器用于全球电动网格，以进行有效的电力传输。尽管它们在容量，负载平衡和效率方面具有与单相变压器相比的重要优势，但损失的计算并不那么简单。使用ComsolMultiphysics®软件，我们可以可靠地计算核心，线圈和木工中的损失，以及重要的集体参数，例如初级和次级电感。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失的能力。在这方面的疏忽将需要处罚，并可能导致巨大的不幸。
电源变压器：介绍
通过比较收到的电力和电源来计算电源（例如发电厂）到目的地（例如客户）的电力传输效率。为了最大程度地提高传输效率，需要最小化传输过程中的能量损失。在长距离传输功率的同时，这是通过在传输前增加电压并在接收端（通常在变电站中）减少电压来减少流经传输网络的电流来实现的。
德国布鲁克萨尔（Bruchsal）的发电站带有三相变压器。Ikar.us的图像 - Karlsruhe：datei：Kändelwegne.jpg，自己的作品。获得许可CC由3.0 de， 通过Wikimedia Commons。
对于交流电源，可以根据一个非常简单的原则来完成这种“加紧”和“辞职”（感谢法拉第）使用变压器，该设备的简洁术语由两个线圈和最简单形式的铁磁材料组成。这样的变压器使用单个交流电流，并依赖于单个交替电压，称为单相变压器。一种常见的单相变压器是电子核变压器。
三相变压器如何工作？
可以通过将三对线圈缠绕到许多不同的配置中的单个铁磁芯来构建三相变压器。内置线圈comsol多物理中的功能允许灵活地更改线圈配置。
三相波形。在公共领域中的图像，通过Wikimedia Commons。
三相系统具有更大的传输能力，因此比单相系统更有效。另外，导体之间的相位差会导致每个电压的电压，在另一个导体之一之后，在周期的三分之一达到峰值，在剩余导体之前的循环中的三分之一达到峰值，从而确保了平衡的载荷。
Delta-Wye变压器配置。图片由Gargoyle888 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。
但是，对于大型功率分配网络，需要进一步优化变压器，以最大化效率，因此避免了可能导致高温导致的可能发生故障。考虑到这一点，优化设计，以便能够处理损失是为了建立高效且可靠的变压器的最关键步骤之一。在不同的工作条件下，任何不同部分都可能发生损失。使用多物理学模拟，我们可以分别计算变压器的线圈，核心和木工中的损耗，从而使用这些推论来改善设计并最少保持损失。
电力变压器如何以及为什么会产生损失？
在三相变压器中，我们可以在不同部分中对损失进行分类：如下：
- 核心损失发生在变压器的铁磁芯中。
- 核心损失通常称为铁损失，与铜损失区别，线圈绕组的损失。
- 在大多数情况下，核心损失受滞后的控制。也就是说，磁化滞后在施加的磁场上。磁滞损失对任何磁铁是固有的，可以在显微镜上解释为磁性域的摩擦：它得出的是，磁场越高，磁滞损失越高，并且这些损失随频率线性地缩小。在开路条件下，这些损失是最大的，因为最大磁场是在核心中诱导的。
- 有时，由于涡流，核心也可能遭受损失。由于层压铁的用法，这些通常小于滞后，从而最大程度地减少了涡流。尽管如此，核心中的涡流损失仍可能发生在外表面，锋利的角或某些暴露的部位（例如夹板）上。这主要发生在短路或由于快速脉冲的结果。计算核心的涡流损失通常可以通过像木工一样处理核心的部分来完成。
- 线圈损耗（也称为铜损耗或I2R损耗）由于导体的电阻而导致线圈加热。
- 就DC电流而言，可以简单地使用欧姆定律来计算这些损失。但是，当涉及AC功率时，由于皮肤效果和接近效应。
- 木工损失是支持变压器的金属结构中的损失。
- 这些是由于偶发到木工中的流浪电流（涡流）引起的。
让我们看看如何使用仿真来可视化这些组件并数学计算这些损失。我们将模拟两个最有趣的场景，它们通常都构成预测损失的限制因素。我们将在COMSOL多物理学中使用2D轴对称和3D模型进行此计算。我们将通过保持高压绕组打开并在低压端施加低压来执行开路测试。我们还将通过短路绕组并向高压端施加电压来模拟短路测试，以确保名义电流流过电路。
在comsolMultiphysics®中建模三相变压器
几何，材料和研究
对于我们的3D分析，我们在使用均质的线圈时对变压器的整个几何形状进行了建模。另一方面，二维轴对称等效物显示了一个单相，每个线圈都明确建模。
这三个线圈可以轻松地使用内置的线圈功能，可以相应地定制以适合特定设计。
3D模型的几何形状，带有和没有木工。
我们选择非纤毛铁（电导率为0.1）作为线圈的核心材料和铜。木工是使用结构钢建模的阻抗边界条件。在2D轴对称模型中，我们结合了单个导体域以了解导体的当前密度。
开路测试仅在3D中执行，因为开路主要涉及核心中的磁场，而短路测试则在2D轴对称性和3D中进行，以分析存在的大量线圈和TO TO TO分别捕获2D计算中未出现的机械效应。
3D模型
对于开路测试，在初级线圈中引入了名义相电压，而次级线圈保持打开状态（i = 0）。核心损失的计算如下：
| 弗雷克（Hz） | 核心损失（KW） | 核心损失（MUR”）（KW） | 核心损失，Steinmetz方程（KW） |
|---|---|---|---|
| 50.00 | 1.5971 | 1.4918 | 1.5663 |
如表中观察到的，模拟值与使用数学公式（例如Steinmetz方程）计算的值相当。
以下是芯的磁通量密度和磁化（饱和）。如上所述，这两种现象都会影响核心造成的损失。
饱和度（左半）和芯的磁通密度（右半）。
要在3D模型中执行短路测试，需要更改12个线圈进料；即，需要在初级和次级线圈之间切换线圈激发值。为了在这些配置之间进行快速切换，我们将comsol多物理中的方法功能使用自动化此过程。使用3D中的短回路测试，我们获得了产生的木工损失。在50 Hz时，发现木工损失为120W。
2D轴对称模型
我们在两项单独的研究中对初级和次级线圈实施短路，以评估铜损失和次级电感。为了在进行每项研究时启用线圈馈电的有效切换，我们使用方法功能，该功能可以单击一次更改线圈激发。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，铜损耗计算为5.5 kW。
电流密度模式。我们看到导体中的皮肤效应发生，表明当前密度差异很大。
以Comsol多物理学建模的三相变压器。
使用多物理模拟，我们可以以良好的精度计算三相动力变压器的单个组件中的损失。在研发的测试阶段，这尤其有益。基于仿真结果，我们可以尝试使用几何参数以及其他变量，例如线圈厚度和核心层压板，以及具有最佳性能和最小损耗的设计变压器。
使用多物理模拟优化现实世界的变压器设计
对于交流变压器的制造商，改进的设计的研发涉及考虑多种不同的物理现象及其之间的相互作用。从这个意义上讲，设计高效的变压器是一个真正的多物理问题。
影响变压器设计的主要多物理方面之一是其散热。根据热性能有助于开发有效的冷却系统。需要分析的其他因素与静态和动态激发下的机械完整性和材料变形有关。有关此的许多资源可以在我们的网站和文献中找到。
周期性激发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。该声音是变压器内不同源的振动的结果，例如变压器核心以及冷却系统中使用的辅助风扇和泵。这些来源中最重要的是核心的磁磁体和线圈的洛伦兹 - 强度诱导的振动。这两种效果都可以很容易地将其纳入comsol®软件中的变压器模型中。
在解决这个问题时，ABB公司研究中心的研究人员在瑞典的Vasteras中，创建了一系列模拟和计算应用程序，以计算各种变压器组件中的许多参数。
下一步
使用下面的按钮下载模型文件，然后自己尝试模型：
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