| Περίληψη: | 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.
|
|---|
