Рубрики
Составляющие силовой электроники

Внедрение пакета ANSYS для моделирования электрических частей импульсных преобразователей напряжения

Внедрение пакета ANSYS для моделирования электрических частей импульсных преобразователей напряжения Константин Матвеев Статья продолжает тему, начатую в первом выпуске «Силовой Электроники»

Внедрение пакета ANSYS для моделирования электрических частей импульсных преобразователей напряжения Константин Матвеев

Статья продолжает тему, начатую в первом выпуске «Силовой Электроники» материалом «Устройства заряда на базе однотактных комбинированных преобразователей напряжения» [4], и касается моделирования электрических частей преобразователей. В качестве объекта взят силовой трансформатор комбинированного преобразователя напряжения, о котором шла речь в упомянутой статье.

Принятый подход к моделированию силовых трансформаторов и дросселей основан на использовании узнаваемых пакетов моделирования электрических схем (PSpice, OrCAD, Workbech и пр.). Модели силовых трансформаторов позволяют задать геометрию сердечника, ширину зазора, характеристики материала, определяющие петлю гистерезиса. Таким макаром, просто можно моделировать электрические схемы, содержащие силовые трансформаторы и дроссели. В случае одно- и двухобмоточных частей особенных заморочек не появляется, потому что считается, что эти обмотки равноправны меж собой, другими словами имеют равный коэффициент связи с сердечником. Если же силовой трансформатор имеет большее количество обмоток, то в неких случаях уже нельзя третировать их обоюдным расположением на сердечнике. Для прямоходовых и обратноходовых схем преобразователей напряжения, имеющих несколько выходных напряжений с оборотной связью только по одному из их, создание модели уже представляет собой сложную задачку. Связано это с тем, что обмотки, расположенные на стержне сердечника поочередно, имеют разные индуктивности рассеяния. В общем случае схема замещения силового трансформатора может быть представлена как схема с распределенными параметрами. Ясно, что найти характеристики таковой схемы замещения очень трудно, потому употребляют в главном облегченные схемы замещения, довольно правильно отражающие магнитные потоки меж обмотками [1]. Но невзирая на упрощенность схемы, найти ее характеристики может быть лишь на базе измерения характеристик реального силового трансформатора данной геометрии. Другими словами для моделирования схемы требуется как минимум ее изготовка. Не считая того, имея в руках реальный силовой трансформатор, снова же не так просто найти характеристики схемы замещения. Потому что, к примеру, для четырехобмоточного силового трансформатора количество веток облегченной схемы замещения может быть равно 7 и поболее. Найти конкретно характеристики схемы замещения не так просто. Обычно, в данном случае прибегают к вычислениям на базе результатов прямых измерений. В этом кроется основной источник погрешностей — из-за разностей близких величин могут появляться значительные ошибки. В статье [2] дана схема замещения многообмоточного силового трансформатора и предложена методика определения характеристик схемы только прямыми измерениями. Но, как отмечалось ранее, это не устраняет от отмеченного выше недочета — нужно создание модели силового трансформатора «в железе». В этом случае, если индуктивность рассеяния является таким же критическим параметром, как и коэффициент трансформации (резонансные и квазирезонансные схемы), то, может быть, придется сделать не один силовой трансформатор.

Значительно упрощает процесс разработки силового трансформатора с необычной геометрией его моделирование способом конечных частей [3]. Сущность этого способа в том, что большая модель объекта за ранее разбивается на отдельные элементы и потом для всех этих частей решается система уравнений, описывающая соответственное физическое взаимодействие. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что способом конечных частей решаются очень многие задачки, связанные с полями, будь то электронные, магнитные, термические либо механические. Численный расчет позволяет отыскать решения, которые нереально получить аналитически. Обычно, это связано со сложной трехмерной геометрией объекта.

Пакеты программ конечно-элементного моделирования обширно используются при проектировании механических конструкций, также газо-и гидродинамическом анализе, позволяя сберегать существенное время и средства на испытаниях готовых конструкций. Что касается электроники, то численный расчет электрических частей изредка употребляется частично из-за отсутствия необходимости в четком расчете паразитных характеристик, а частично — из-за распространенности стандартных электрических частей, для которых главные соотношения получены экспериментально и аналитически.

Примерами объектов, где моделирование дает существенное преимущество, являются индуктор индукционного нагревателя, мощнейший частотный трансформатор, силовой трансформатор либо дроссель необычной конструкции, также многие другие электрические элементы. При этом чем труднее и дороже конструкция, тем больший выигрыш можно получить.

Из более всераспространенных пакетов конечно-элементного моделирования можно отметить пакет ANSYS, который обладает широчайшими способностями, обхватывающими фактически все вероятные задачки. А именно, что касается электричества, то этот пакет позволяет моделировать электронные поля (статические, гармонические, с произвольным законом конфигурации), магнитные поля, высокочастотные электрические поля, участки электронных цепей с сосредоточенными параметрами.

Пакет ANSYS употреблялся при расчете, анализе режимов работы силового трансформатора однотактного комбинированного преобразователя напряжения [4]. Особенность этого трансформатора в том, что первичная и вторичная обмотки выполнены на различных стержнях П-образного сердечника. Этим достигается нужная индуктивность рассеяния меж этими обмотками. Подобная задачка встречается при расчете сварочных трансформаторов, но точность, с которой этот расчет делается, оставляет вожделеть наилучшего. Внедрение пакета ANSYS позволило высчитать значение индуктивности, также найти неравномерность намагничивания стержней силового трансформатора.

Создание численной модели силового трансформатора начинается с разработки его трехмерного изображения. Нужно стремиться к тому, чтоб упростить изображение. Очень нередко трехмерный объект представляет собой осесимметричную конструкцию (тороид, чашечка), или он симметричен относительно неких плоскостей (Ш-образный либо П-образный сердечник). В этом случае силовой трансформатор производился на сердечнике типа ПК, при этом на различных стержнях размещаются различные обмотки, потому модель имеет симметрию только относительно одной плоскости (рис. 1).

Внедрение пакета ANSYS для моделирования электрических частей импульсных преобразователей напряжения
Рис. 1

Потому что существенную роль в работе силового трансформатора играют только сердечник и обмотки, то, естественно, нет необходимости в каких-то каркасах и пр.

После того как выбрана плоскость (ось) симметрии (если она есть), нужно сделать сердечник (при наличии симметрии создается соответственная часть) в редакторе ANSYS или в хоть какой другой программке большого конструирования (AutoCAD, «Компас», SolidWorks и др.) (рис. 2).

Внедрение пакета ANSYS для моделирования электрических частей импульсных преобразователей напряжения
Рис. 2

Потом создается область окружающего места (воздух), в каком будет находиться сердечник. Эта область будет ограничивать расчет индукции и напряженности поля. Величину этой области необходимо выбирать исходя из предполагаемого рассеяния поля. Если рассеяние невелико, то и область может быть маленький.

Последующим шагом создаются описания материалов, применяемых в конструкции. Выбор черт очень и очень широкий. Можно задавать только магнитную проницаемость, а можно кривую намагничивания, коэрцитивную силу, объемное сопротивление и пр. Для шихтованных сердечников можно задать свойства по каждой координате, тем учитывать ориентацию в пространстве пластинок сердечника. Естественно, если нет особенной необходимости, то не стоит все усложнять. К примеру, задание кривой намагничивания заместо магнитной проницаемости наращивает время анализа в пару раз.

Разбиение объекта на элементы можно проводить вручную, а можно пользоваться средствами пакета ANSYS. Программка сама зависимо от геометрии изберет размеры частей. По мере надобности полученную сетку можно изменять в интерактивном режиме для более четкого расчета в нужных областях. Тип элемента выбирается юзером без помощи других зависимо от геометрии. Тщательно с разными типами частей можно познакомиться в технической документации ANSYS [5, 6]. На рис. 3 изображен сердечник (поточнее его половина) и окружающее место с уже наложенной сетью частей. Номерами 1 и 2 обозначены материалы — воздух и феррит.

Внедрение пакета ANSYS для моделирования электрических частей импульсных преобразователей напряжения
Рис. 3

Обмотки с током могут быть заданы элементами только 1-го типа SOURC36. Для простейшей геометрии (катушка на круглом сердечнике, ровная шина, дуга) требуется только один элемент. Для сотворения катушек на прямоугольном сердечнике существует макрокоманда RACE.

Дальше запускается расчет, при всем этом указывается, каким способом он будет выполняться. Есть три способа:

Reduced Scalar Potential (RSP) — применяется, если модель не содержит магнитных материалов либо если отсутствуют источники тока (для моделей, содержащих сразу и магнитные материалы, и источники тока, этот способ использовать нельзя).

Difference Scalar Potential (DSP) — применяется для расчета моделей, содержащих магнитные материалы и источники тока, при условии, что нет замкнутых частей магнитопровода.

Generalized Scalar Potential (GSP) — применяется для тех моделей, где имеются замкнутые части магнитопровода (без зазора).

Результаты расчета магнитного поля могут быть представлены графически, раздельно для магнитной индукции (рис. 4) и для напряженности поля (рис. 5). Эти величины могут быть отображены как в скалярном виде, так и в векторном. Составляющие этих величин могут быть отображены раздельно по каждой из координат. Для двумерных изображений строятся также силовые полосы магнитного поля.

Внедрение пакета ANSYS для моделирования электрических частей импульсных преобразователей напряжения
Рис. 4
Внедрение пакета ANSYS для моделирования электрических частей импульсных преобразователей напряжения
Рис. 5

На базе анализа магнитного поля в силовом трансформаторе комбинированного преобразователя напряжения определено, что наибольшая индукция в стержне с первичной обмоткой превосходит индукцию в стержне со вторичной обмоткой вдвое. А размах индукции в обоих стержнях схож. Таковой режим сохраняется до того времени, пока феррит (в этом случае употреблялся М2500НМС) не имеет способности насыщаться. В режиме работы преобразователя напряжения, когда силовой трансформатор близок насыщению, наибольшая индукция в обоих стержнях выравнивается, а размах сохраняется. Таковой режим при наибольших токах в обмотках показан на рис. 4 и 5. Исходя из этого, была разработана схема замещения силового трансформатора комбинированного преобразователя напряжения (рис. 6), которая применялась для анализа в системе проектирования OrCAD. Особенность ее в том, что индуктивность намагничивания для каждого из стержней представлена раздельно.

Внедрение пакета ANSYS для моделирования электрических частей импульсных преобразователей напряжения
Рис. 6

На базе результатов, приобретенных на модели, определялись утраты мощности в силовом трансформаторе и рассчитывались режимы наибольших электрических нагрузок. Номинальный режим работы преобразователя напряжения показывают диаграммы на рис. 7, где показан выходной зарядный ток аккума I(V1) и токи, отражающие напряженность поля в стержнях магнитопровода I(L6), I(L7).

Сопоставление модели с реальным объектом позволяет гласить о высочайшей точности вычислений. Так, к примеру, расчетная величина индуктивности рассеяния обмоток, расположенных на различных стержнях сердечника, отличалась от реально измеренной наименее чем на 5%. Величину индукции в стержнях магнитопровода не представлялось вероятным определять во время работы преобразователя напряжения, но довольно легко было вычислить на модели. Однообразное поведение модели и объекта в наибольших режимах позволяет судить об адекватности приобретенной модели.

Заключение

Необходимо подчеркнуть, что моделирование силового трансформаторов — не единственная область внедрения пакета ANSYS. Очень отлично моделировать объекты, в каких нужно достигнуть определенного рассредотачивания магнитного поля за счет конфигурации геометрии. Примером может служить индукционный нагреватель для деталей сложной формы. При всем этом может быть решение связной задачки (электрический и термический расчет). Расчет рассредотачивания электронного тока на низкой и высочайшей частоте позволяет улучшить токоведущие шины (обмотки силового трансформатора). Преимущество не только лишь в экономии времени и средств на изготовка действующего объекта, да и в том, что численная модель позволяет найти фактически все нужные характеристики, что на реальном объекте сделать бывает просто на физическом уровне нереально.