CST S U C C E S S S T O R Y 電源トランスの最適化 Siemens AG 図1 Siemens 製 40MVA トランスさまざまな要求仕様や応用のそれぞれにカスタマイズされたソリューションを提供すること。それが Siemens Energy T TR PN の使命です。ファーネストランスやコンバータトランス、あるいは 200MVA を上回るレーティングの高電圧直流トランスに定型のソリューションはありません。設計ごとにトランス設置の最適化を行う必要があります。CST EM STUDIO の 3D 電磁界シミュレーションと最適化機能がカスタムソリューションの導出を支援します。 Siemens Energy T TR PN について Siemens Energy T TR PN（シーメンスエナジーセクター）は一次燃料の生産・変換・輸送、および発送電と配電に関連する製品・ソリューション・サービスを提供する世界最大の供給業者です。エネルギーチェーンの全体（特にプラントからグリッドへの接続、その他のインターフェイス）に関する包括的なノウハウを持つ唯一の多国籍企業でもあります。主にエネルギー公益企業と産業製品企業、わけても原油・ガス企業を顧客とする事業を展開しています。従業員数 85,000 人、売上げ 254 億ユーロ、経常利益 33 億ユーロ（2009 年度）。ｗｗｗ.aetjapan.com CST S U C C E S S S T O R Y 課題：トランスの設計電源トランスは、国内外の規格を満たすだけでなく電気公益業者とその契約者の要求仕様に合致していなくてはなりません。そのため設計には非常に多様な要求が課せられます。設計条件の大半はトランスに接続した回路と設置場所の特定要素により決定されます。一方、電源トランスの寸法は要求仕様に忠実でなくてはなりません。力学的、電磁的、熱的特性の考慮も必要です。製造されたトランスは、経年後も安全で正常な動作が保証される製品とするために、ひとつずつに動作試験が行われます。課題：絶縁設計絶縁システムと部品の設計は、重要な開発課題のひとつです。絶縁設計を行うには、エネルギーが印加された巻線と導体と接地部品の間の電気的絶縁と、巻線間の絶縁に関する知識が必要です。絶縁の概念、図2 トランス能動部品の簡略モデル設計、構築、使用される材質は要求仕様により決定されます。電源トランスでは通常、鉱油と含浸紙（プレスボード）を使用します。プレスボードと油路からなるシステムを絶縁システムと呼びます。課題：複雑な形状のモデリング操作性の良い CST STUDIO SUITE ユーザーインターフェイスは、モデリング操作がスムーズに行えます。作成したモデルは離散化され、行列が作られてソルバー計算が行われます。CST EM STUDIO（CST EMS）では対称条件を設定して計算時間を短縮することができます。CST EMS で作成された 5 脚鉄心 3 脚巻線入電源トランスモデル（能動部品）を図 2 に示します。形状が複雑な場合は CST EMS のインポート機能でインポートした 3D CAD データを、必要であれば修正して使用できます。絶縁システムモデルは、簡略化しても数メートルの大きさとなります。他方、プレスボードの厚さは数ミリ程度と全体に比べて極端に小さく、このため数値計算の難易度は高くなります。図3 トランス能動部品の簡略モデル：巻線配置周りの電位ｗｗｗ.aetjapan.com CST S U C C E S S S T O R Y 絶縁システムの寸法を決定する上で、バリア強度と油路の幅が極めて重要であるため、ロバストなメッシュ生成機能が必要です。四面体ベースと六面体ベースの両方のメッシュ生成機能を備える CST EMS では、問題に応じて最適なメッシュスキームを選択できます。解析モデル全体に対するメッシュスキームのほかにも一部構造または一部材質に対するメッシュ制御が可能です。巻線配置（出口部分）の静電界シミュレーションによる等電位プロットを図 3 に示します。ここではもとの 5 脚を 1 脚に減らしてシミュレーションを行いました。結果：動作安定性に寄与 3D シミュレーションと解析と電極配置の最適化によるバーチャルな動作安定性試験を行います。試験中に生じる電気ストレスの瞬間的な値を静電界シミュレーションにより求めます。四面体ベースの CST EMS 静電界ソルバーは構造の容積と表面を正確に離散化するので、このシミュレーションに好適です。シミュレーションにより電極周りと絶縁面の電位分図 4: 鉱油含浸プレスボードの等電位プロット布が得られ、絶縁システムの有効性と強度を測ることができます。鉱油含浸プレスボードの等電位プロットを図 4 に示します。解析に適したソルバーの選択 CST EMS は多様なソルバーを備え、幅広い電磁界問題に対応します。トランスの構成要素に生じる誘導損失は準静磁界ソルバーで計算します。能動部品の巻線と接続リード線をソースとしてシミュレーションを行います。トランスの心臓部である能動部品は、同心巻線と絶縁のある脚部と鉄心とで構成されます。周辺の金属部品の電磁損失につながる浮遊磁界のシミュレーションは、金属部品の遮蔽、導体位置の変更などの電磁損失対策に役立ちます。鉄心の磁界の解析結果により示された遮蔽効果を図 5 に示します。図 5: 遮蔽壁の解析：磁気エネルギー密度 CST S U C C E S S S T O R Y CST EM STUDIO 無しでは新しいトランスの開発は考えられないシミュレーションは能動部品の電磁損失計算だけでなく、高電圧の設計製造、寸法決定にも大きな役割 CST EMS is now an integral part of the を果たします。この種のシミュレーションは CST development EMS 低周波ソルバーで行います。一例としてプレス transformer components at Siemens (Energy). ボードの電磁損失を計算した結果を図 6 に示します。 This is especially a consequence of the intuitive 図に明らかな表皮効果が見られます。表皮深さを正 user-interface and the variety of available 確にモデリングするために、ここでは 2 次メッシュ solvers. Thanks to the close co-operation with を使用しています。このほかにシミュレーション効 the CST EMS development team, requests, 率を重視する方法として、表面インピーダンスによ suggestions and ideas have been openly る表皮深さの表現も可能です。 embraced and rapidly implemented. This forms トランスの設計では熱設計も重要です。低周波シミュレーションで求めた損失分布を熱ソースとする解 process of various power the basis for our decision to further increase our usage of CST s solutions 析を CST MPHYSICS STUDIO の熱ソルバーで行うことができます。電磁界ソルバーから熱ソルバーへデータ受け渡しはシームレスに行われ、同一モデルによるマルチフィジックス解析が可能となります。図 6: プレスボードの損失密度執筆者 Ronny Fritsche Siemens AG Sector Energy T TR PN Katzwanger Str. 150, 90461 Nürnberg Germany mail: [email protected] 禁無断転載株式会社エーイーティー〒215-0033 神奈川県川崎市麻生区栗木 2-7-6 不許複製 TEL (044) 980 – 0505 （代) ©2014 AET,Inc.