Διερεύνηση των απωλειών μαγνητικών στοιχείων διαρρεόμενων απο υψίσυχνα ρεύματα για εφαρμογές σε διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος

Abstract

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 there is a general description of the physical phenomena that take place in magnetic components. Moreover, there is an overview citation and critical review of the most important by now theoretical works on these issues. In the second part of this thesis 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. The edge effect in layered windings with either round cross section or foil conductors is investigated. 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. 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. The final equation of the model is simple and incorporates only three easily determinable parameters directly related to known constructive parameters. The new expression is validated with experimental measurements. The first work presented in the third part of this thesis (chapters 6 and 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 hundred volts at several tenths of Watts power level for the implementation of experimental measurements. 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 and the several error factors are analyzed. 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.

Οι στόχοι της διατριβής κινούνται σε δυο 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 γίνεται μια γενική περιγραφή των φυσικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στα μαγνητικά στοιχεία. Επίσης γίνεται παράθεση και αξιολόγηση των σπουδαιότερων ως τώρα θεωρητικών εργασιών που πραγματεύονται τα παραπάνω φαινόμενα. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής 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. Διερευνάται το φαινόμενο παρυφής σε τυλίγματα στρώσεων που αποτελούνται είτε από αγωγούς κυκλικής διατομής είτε από φύλλα χαλκού. 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. 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. Η εξίσωση που τελικά προκύπτει είναι απλή και περιέχει μόνο τρεις εύκολα προσδιορίσιμες παραμέτρους σχετιζόμενες άμεσα με γνωστές κατασκευαστικές παραμέτρους. Η ισχύς της νέας έκφρασης επαληθεύεται με τη βοήθεια πειραματικών μετρήσεων. Η πρώτη εργασία που παρουσιάζεται στο τρίτο μέρος της διατριβής 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. Στη συνέχεια περιγράφονται μέθοδοι μετρήσεων των απωλειών μαγνητικών στοιχείων και λήψης του βρόχου υστέρησης του μαγνητικού υλικού των πυρήνων τους και αναλύονται οι διάφοροι παράγοντες σφάλματος. 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.