| Summary: | Οι μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών μικρής και μεγάλης ισχύος. Στην πλειονότητά τους οι μετατροπείς αυτοί περιλαμβάνουν μαγνητικά στοιχεία (μετασχηματιστές – πηνία), οι απώλειες ισχύος των οποίων καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση της εκάστοτε διάταξης. Είναι λοιπόν μεγάλης σημασίας η ανάπτυξη θεωρητικών μοντέλων, αλλά και πειραματικών μεθόδων, για τον ακριβή προσδιορισμό των απωλειών των μαγνητικών στοιχείων, ώστε να είναι εφικτός ο βέλτιστος σχεδιασμός τους, με τελικό πάντα στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας.
Οι στόχοι της διατριβής κινούνται σε δύο βασικούς άξονες:
α) Να γίνει διερεύνηση των φαινομένων που επηρεάζουν τις απώλειες χαλκού σε τυλίγματα που αποτελούνται από στρώσεις αγωγών, αλλά και να αναπτυχθεί ένα μοντέλο για τον υπολογισμό των απωλειών χαλκού σε τυλίγματα αγωγών κυκλικής διατομής με τυχαία κατανομή αυτών στο διαθέσιμο χώρο.
β) Να γίνει ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας λήψης πειραματικών μετρήσεων σε μαγνητικά στοιχεία μέσα από τη διερεύνηση των διαφόρων παραγόντων πειραματικών σφαλμάτων και τη σχεδίαση μετατροπέα συντονισμού κατάλληλου για τη διέγερση μαγνητικών στοιχείων με ημιτονοειδή τάση υψηλής συχνότητας.
Στο πρώτο μέρος της διατριβής (κεφάλαια Κεφ. 1, Κεφ. 2 και Κεφ. 3) γίνεται μια γενική περιγραφή των φυσικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στα μαγνητικά στοιχεία όταν αυτά διαρρέονται από ρεύμα περιοδικά μεταβαλλόμενο στο χρόνο, τα φαινόμενα δηλαδή της μαγνητικής υστέρησης και της ανάπτυξης δινορρευμάτων στο μαγνητικό υλικό του πυρήνα και τα φαινόμενα επιδερμικό και γειτνίασης, που οφείλονται στην ανάπτυξη δινορρευμάτων στα τυλίγματα. Επίσης, γίνεται παράθεση και αξιολόγηση των σπουδαιότερων ως τώρα θεωρητικών εργασιών που πραγματεύονται τα παραπάνω φαινόμενα και χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των απωλειών που σχετίζονται με αυτά.
Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, (κεφάλαια Κεφ. 4 και Κεφ. 5) πρώτα γίνεται η παράθεση των τριών κλασικών μοντέλων για τον υπολογισμό των απωλειών χαλκού σε τυλίγματα που απαρτίζονται από στρώσεις και με τη βοήθεια λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων διερευνάται η ακρίβεια και το πεδίο εφαρμογής καθενός εξ’ αυτών. Προκύπτει πως το μοντέλο του Dowell δίνει σαφώς πιο ακριβή αποτελέσματα και πως οι αποκλίσεις των μοντέλων από τα πραγματικά (σύμφωνα με τις προσομοιώσεις) αποτελέσματα οφείλεται στην αδυναμίας τους να λάβουν σωστά υπόψη τη δισδιάστατη ανάπτυξη του μαγνητικού πεδίου και τις πυκνότητας ρεύματος όταν αυξάνεται η συχνότητα ή όταν μειώνεται ο παράγοντας πλήρωσης χαλκού. Διερευνάται το φαινόμενο παρυφής σε τυλίγματα στρώσεων που αποτελούνται είτε από αγωγούς κυκλικής διατομής είτε από φύλλα χαλκού και περιγράφεται ποσοτικά και ποιοτικά η επίδρασή του στην τιμή της ενεργού αντίστασης, η οποία προκύπτει πως εμφανίζεται αυξημένη μόνο σε συχνότητες περί τη βασική αρμονική του ρεύματος. Μελετάται επίσης η γεωμετρική ανάπτυξη του φαινομένου στο χώρο του τυλίγματος και διαπιστώνεται η γενικά επιφανειακή του επίδραση που ελαχιστοποιεί την πιθανή εμφάνιση τοπικής υπερθέρμανσης. Ακόμη, για τυλίγματα στρώσεων με αγωγούς κυκλικής διατομής, αναλύεται η διαφοροποίηση στην τιμή της ενεργού αντίστασης μεταξύ των περιπτώσεων της τετραγωνικής και της εξαγωνικής διάταξης των αγωγών και αναδεικνύεται η μείωσή της στη δεύτερη περίπτωση.
Ακολούθως αναπτύσσεται ένα νέο μοντέλο για τον υπολογισμό των απωλειών χαλκού σε τυλίγματα αγωγών κυκλικής διατομής που έχουν τοποθετηθεί στο παράθυρο του μαγνητικού στοιχείου με τυχαίο τρόπο, πράγμα το οποίο αποτελεί μια κοινότυπη σχεδιαστική πρακτική. Για τη διατύπωση της νέας έκφρασης χρησιμοποιούνται τα αριθμητικά αποτελέσματα πληθώρας προσομοιώσεων που έγιναν με το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων και αναζητείται η κατάλληλη εξίσωση περιγραφής τους. Η αναζήτηση αυτή στηρίζονται σε μεθόδους ελαχιστοποίησης του σφάλματος, που εδώ εφαρμόζονται με τη βοήθεια κατάλληλων λογισμικών. Η εξίσωση που τελικά προκύπτει είναι απλή και περιέχει μόνο τρεις εύκολα προσδιορίσιμες παραμέτρους σχετιζόμενες άμεσα με γνωστές κατασκευαστικές παραμέτρους. Δείχνεται πως η νέα έκφραση μπορεί να εφαρμοστεί και στην περίπτωση πολύκλωνου αγωγού και διερευνάται ως προς την ευαισθησία της σε σφάλματα μέτρησης κατά τον προσδιορισμό του πάχους του τυλίγματος, ενώ επίσης προτείνεται μια απλούστερη προσεγγιστική έκφραση για τις χαμηλές συχνότητες. Τέλος, η ισχύς της νέας έκφρασης επαληθεύεται με τη βοήθεια πειραματικών μετρήσεων.
Η πρώτη εργασία που παρουσιάζεται στο τρίτο μέρος της διατριβής (κεφάλαια Κεφ. 6 και Κεφ. 7) είναι η σχεδίαση και κατασκευή ενός μετατροπέα συντονισμού κατάλληλου για την τροφοδότηση μαγνητικών στοιχείων με καθαρά ημιτονοειδή τάση υψηλής συχνότητας (ως και 1MHz) και πλάτους αρκετών εκατοντάδων Volt, σε επίπεδα ισχύος αρκετών δεκάδων Watt, για την πραγματοποίηση μετρήσεων σε αυτά. Η θεωρητική και πειραματική διερεύνηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη λειτουργία του μετατροπέα αναδεικνύει την αλληλένδετη σημασία των σχεδιαστικών επιλογών τόσο στο κύκλωμα ισχύος όσο και στο ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου και οδηγεί στην κατάλληλη διαστασιολόγηση των στοιχείων που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα δύο κυκλώματα έτσι ώστε να γίνει εφικτή η διεύρυνση του φάσματος συχνοτήτων λειτουργίας του μετατροπέα, η ελαχιστοποίηση του αρμονικού περιεχομένου και η μεγιστοποίηση του πλάτους της τάσης εξόδου.
Στη συνέχεια περιγράφονται μέθοδοι μετρήσεων των απωλειών μαγνητικών στοιχείων και λήψης του βρόχου υστέρησης του μαγνητικού υλικού των πυρήνων τους. Αναλύονται οι διάφοροι παράγοντες σφάλματος και γίνονται μετρήσεις τόσο για τον προσδιορισμό των ειδικών απωλειών φερρίτη όσο και για τη λήψη του βρόχου υστέρησης φερριτών σε διάφορες συχνότητες. Προτείνονται μεθοδολογίες διόρθωσης του αποτελέσματος για τις απώλειες υστέρησης, όπως αυτές προκύπτουν από το εμβαδόν του μετρούμενου βρόχου υστέρησης, όταν υπάρχει γνωστό σφάλμα φάσης κατά τη λήψη της κυματομορφών της μαγνητικής έντασης και της μαγνητικής επαγωγής. Τέλος, εξηγείται η μείωση στις υψηλές συχνότητες της ενεργού αντίστασης των τυλιγμάτων όταν αυξάνεται η θερμοκρασία και δίνονται κάποια ενδεικτικά γραφικά παραδείγματα για τη σχετική διόρθωση για τυπικές αυξήσεις της θερμοκρασίας σε μαγνητικά στοιχεία. === Power electronics converters are used in a wide range of both low and high power applications. Most of these converters include magnetic components (transformers – inductors), the power losses of which determine in a major degree their efficiency. It is therefore very important to the power electronics converter designers to have available the proper theoretical models and experimental methods for the accurate determination of the magnetic component losses in order to make optimum design choices and achieve an effective energy saving.
The present work has a twofold goal:
a) To investigate the phenomena affecting the copper losses in windings that consist of conductor layers and to develop a new model for the calculation of copper losses in round cross section conductor windings with random distribution of these conductors in the available core window area.
b) To develop a complete methodology of making experimental measurements on magnetics components, through the investigation of the several measurement error factors and to design a resonant converter suitable for the excitation of magnetic components with high frequency sinusoidal voltage.
In the first part of this thesis (chapters Ch. 1, Ch. 2 and Ch. 3) there is a general description of the physical phenomena that take place in magnetic components when a periodically time variable current flows through them, i.e. magnetic hysteresis and eddy currents at the magnetic core material and skin as well as proximity effect at the windings, which are due to the development of eddy currents in them. Moreover, there is an overview citation and critical review of the most important by now theoretical works on these issues which are also widely used for the calculation of the losses related to them.
In the second part of this thesis (chapters Ch. 4 and Ch.5) there is at first a short review of the three classic models for the calculation of copper losses in windings made of layers and then a finite element software is utilized for the investigation of the accuracy and field of application of each of them. It is shown that Dowell’s model is much more accurate and that the declination of the models from the real (according to simulations) results are due to their inherent inability to properly take into account the two-dimensional distribution of the magnetic field and the current density when the frequency increases or when the filling factor value decreases.
The edge effect in layered windings with either round cross section or foil conductors is investigated and a qualitative as well as quantitative description of its effect on the effective resistance is given, showing that there can be an increase in it only at frequencies close to the fundamental frequency of the current waveform. There is also a study about the geometrical extent of the edge effect in the winding volume and it is concluded that the winding is generally affected only on its outer parts, a fact that minimizes the possibility for a hot spot to appear.
Moreover, for layered windings with round cross section conductors, a study is carried out about the difference in the effective resistance between the cases of square and hexagonal fit schemes and it is shown that in the second case there can be an appreciable power loss reduction.
Following this work, is the development of a new model for the calculation of copper losses in round cross section conductor windings with the several turns placed with a random manner in the available core window area, which is a common design choice. For the extraction of the new expression a computer aided curve fitting process has been applied on a large amount of numerical data coming from finite element simulations. The final equation of the model is simple and incorporates only three easily determinable parameters, directly related to known constructive parameters. It is shown that the new expression can also be applied in the case of stranded wire windings. Its sensitivity to the winding height measurement errors is investigated and a low frequency approximation is proposed. At last, the new expression is validated with experimental measurements.
The first work presented in the third part of this thesis (chapters Ch. 6 and Ch. 7) is the design and construction of a resonant converter suitable for the excitation of magnetic components with a clearly sinusoidal voltage of high frequency (up to 1MHz) and amplitude of several hundreds volts, at several tenths of Watts power level, for the implementation of experimental measurements. The theoretical and experimental investigation of the factors affecting the converter performance reveals the interrelated importance of the design choices in the resonant tank and the electronic control board and leads to the proper component selection in both these circuits so as to expand the operating frequency range, minimize the harmonic distortion and maximize the amplitude of the output voltage.
Following that, there is a description of the methods available to measure the power losses of magnetic components and acquire the hysteresis loop of their magnetic cores. The several error factors are analyzed and measurements are taken in order to determine the power losses and monitor the hysteresis loop of ferrite materials at several frequencies. Some methods are proposed for the correction of the measured hysteresis losses, if these are determined from area of the hysteresis loop, in the case of a known phase error when recording magnetic intensity or magnetic induction. At last, the reduction with temperature of ohmic resistance at high frequencies is explained and some indicative graphical examples are given for the correction in its calculated value for some typical magnetic component temperature rise values.
|
|---|
