Μοντελοποίηση μαγνητικών υλικών για βελτιστοποίηση κατασκευής και λειτουργίας ηλεκτρικών μηχανών

Abstract

The subject of the present thesis is the development of improved models accounting for magnetic core losses by using both analytical methods and numerical techniques enabling to represent and estimate with increased accuracy, no load losses of transformers and core losses of rotational electrical machines. Measurements have been carried out by developing a particular measuring device implemented in a computer with a convenient data acquisition card in order to enable systematic measuring of magnetic hysteresis loops and core losses of ferromagnetic laminations through Epstein device according to the international standards. This procedure has been extended by applying respective methodologies for Epstein device measurements, in cases of supply from power electronic converter using pulse width modulation techniques (PWM). An improved modified phenomenological model is proposed for magnetic hysteresis loop representation based on Jiles-Atherton model. This modified enables dynamic changes with frequency of magnetic hysteresis loop. Furthermore, a model accounting for eddy currents losses based on a particular equivalent circuit with parallel topology of lumped parameters (modified following Foster theory) is developed. The proposed model accuracy has been validated by measurements in both cases of grain oriented and non-oriented grain laminations. Finally, a modified dynamic model of asynchronous electric machine is proposed, based on the previously developed lumped parameter equivalent circuit core loss technique. This model achieved a considerable improvement in core losses estimation under power electronic inverter supply with pulse width modulation techniques.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη βελτιωμένων μοντέλων θεώρησης των απωλειών των σιδηρομαγνητικών υλικών και μάλιστα μαγνητικών λαμαρινών με χρήση αναλυτικών μεθόδων αλλά και αριθμητικών τεχνικών για την ακριβέστερη αναπαράσταση των απωλειών κενού φορτίου των μετασχηματιστών και των απωλειών πυρήνα των στρεφόμενων ηλεκτρικών μηχανών. Αναπτύχθηκε μετρητική διάταξη με τη χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή και κάρτας λήψης δεδομένων για τη δυνατότητα συστηματικής μέτρησης βρόχων υστέρησης και απωλειών σιδήρου σε σιδηρομαγνητικές λαμαρίνες μέσω διάταξης Epstein με βάση τα διεθνή πρότυπα. Η διαδικασία επεκτάθηκε εφαρμόζοντας αντίστοιχες μεθοδολογίες στην διάταξη Epstein για τροφοδοσία από μετατροπέα ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιεί τεχνικές διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Επιπλέον, προτάθηκε ένα νέο φαινομενολογικό μοντέλο για την αναπαράσταση της μαγνητικής υστέρησης βασισμένο στο μοντέλο των Jiles-Atherton. Το μοντέλο περιλαμβάνει δυνατότητα δυναμικής μεταβολής του βρόχου υστέρησης. Επίσης αναπτύχθηκε μοντέλο θεώρησης απωλειών δινορρευμάτων βασισμένο σε ισοδύναμο κύκλωμα παράλληλης τοπολογίας συγκεντρωμένων παραμέτρων (τροποποιημένο κατά Foster). Η ακρίβεια του μοντέλου επιβεβαιώνεται πειραματικά για μαγνητικές λαμαρίνες προσανατολισμένων και μη προσανατολισμένων κόκκων. Τέλος προτάθηκε ένα νέο τροποποιημένο δυναμικό μοντέλο ασύγχρονης ηλεκτρικής μηχανής βασισμένο στο κύκλωμα αναπαράστασης των απωλειών σιδήρου συγκεντρωμένων παραμέτρων. Το μοντέλο αυτό επιτρέπει σημαντική βελτίωση στην εκτίμηση των απωλειών σιδήρου σε περιπτώσεις τροφοδοσίας από αντιστροφέα που χρησιμοποιεί τεχνικές διαμόρφωσης εύρους παλμών.