Mywayプラス株式会社

変圧器のコアが磁気飽和すると変圧器の一次側および二次側の電流および二次側の電圧が飽和します。

この現象をシミュレーションで確認して見るため、
PSIMの磁気モデルを使って磁気飽和を考慮できる変圧器のモデルを作ってみました。

一つ前の記事で無負荷の変圧器に高い電圧を印加すると励磁電流が歪む
ことを確認し、コアの特性の違いによる励磁電流のひずみ方の違いを見ました。

回路はこんな回路です。（こちらの記事の最後にダウンロードができます。）

次に、印加している電圧を更に上げていくとどうなるのでしょうか？
一つ前の回路と同じ回路に印加する電圧を200Vにして見ると波形は以下の様になりました。

本来、磁気飽和してコア内を通ることができない磁束は空気中に漏れ、漏れ磁束になります。
しかし、上記のシミュレーション回路には漏れ磁束の通り道となる経路が
表現されていないため漏れ磁束を発生させられない回路になっています。

その結果、回路内には矛盾が生じ巻線の端子間にかかる電圧がひずんでいます。

通常変圧器を考えるときに「漏れ磁束の経路」を考えることはないと思いますが、
シミュレーションにおいてはモデリングしてあることがが全てですので
回路が書いていない経路をシミュレータが勝手に追加することはありません。

稀にモデリングが足りないことによって無理が生じた回路の結果をみて
「シミュレータは実物と違う波形を出す」と言われる事がありますが、
これは実物と違うモデリングになっているので当たり前です。

この回路では多少コアが磁気飽和している変圧器のシミュレーションはできますが、
漏れ磁束が発生するほどの飽和を考慮したシミュレーションはできないので、回路を修正していきます。

漏れ磁束が通る経路として「漏れ経路」の素子を追加しました。
追加した回路が以下の様な回路です。

漏れ経路を追加した回路で印加電圧200Vでシミュレーションを実行すると
以下のような波形になります。

先ほどと同じ印加電圧で、磁束密度Bの波形の頭が潰れてきているので、かなり磁気飽和してきていると考えられますが、
漏れ経路によって磁束の通り道ができているので巻線の端子間電圧は正弦波を保っています。

いよいよ二次側に電流を流して波形を確認したいので、
負荷に接続していた抵抗の値を小さくして一次側と二次側の電流および電圧の波形をみてみます。

最上段のコアの磁束密度は飽和してきているのでピークが潰れてきています。
飽和していますが、漏れ磁束の経路があるので一次側の電圧にひずみはなく、
一次側の電流はコアのB-H曲線に応じてひずみ、インダクタンスの値が低下しています。

二次側の電圧はコアに流れる磁束の変化量に応じて発生するため、
磁気飽和が起きると磁束の発生量に変化が起き、電圧が低下してひずみが生じます。
また、電圧が低下するため、二次側の電流も低下しています。

これらのことから、磁気飽和を考慮した変圧器をモデリングにて作成し、
飽和領域で使用すると電圧、電流ともにひずみが出ることがシミュレーションで確認できます。

この記事で作成した回路は下記からダウンロードできますので
ぜひシミュレーションして見てください。

※Ver.10.0.4以上の製品版・トライアル版で動作が可能です。
タイムステップを細かく取る必要があるため、デモ版では同じ波形を表示することができません。

この記事の回路ファイルのダウンロードはこちらから