Finite element analysis of eddy current losses in pulse transformer

• Autorzy: Łyskawiński W.

Warianty tytułu

PL

Analiza strat wiroprądowych w transformatorze impulsowym metodą elementów skończonych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the paper an algorithm for power loss determination in pulse transformers using a field-circuit model is described. The software based on the algorithm is used to calculate eddy current losses and determine efficiency of a pulse transformer. Eddy current power losses and efficiency of a pulse transformer for different load resistances, input signal shapes and lengths of the central leg of the core are analysed. Selected results of simulations are shown.

PL

Wiroprądowe straty mocy ΔP w transformatorze impulsowym można wyznaczyć na podstawie czasowego przebiegu oraz przestrzennego rozkładu wektora gęstości prądu z zależności (1). Obliczanie tych strat jest jednak zagadnieniem trudnym, ponieważ w ogólnym przypadku przy wymuszeniu napięciowym w układach zawierających elementy nieliniowe nie jest znany a priori przebieg i rozkład gęstość prądu w uzwojeniach i prądów wirowych w rdzeniu. W celu wyznaczenia tych prądów posłużono się modelem polowo-obwodowym transformatora impulsowego. Model ten obejmuje równania pola elektromagnetycznego (3) i równania opisujące rozpływ prądów w obwodach elektrycznych (2). Ze względu na nieliniowość, szybką zmienność pola w czasie oraz złożoną strukturę równań tych nie można rozwiązać analitycznie. W tym celu wykorzystuje metodę elementów skończonych, polegającą na dyskretyzacji przestrzeni i czasu. W wyniku uzyskuje się układ nieliniowych równań algebraicznych (4). Do rozwiązania tego układu równań wykorzystuje się iteracyjną metodę Newtona-Raphsona. Na podstawie obliczonych rozkładów gęstości prądów z zależności (1) wyznacza się wiroprądowe straty mocy w rdzeniu i straty mocy w uzwojeniach. Na podstawie przedstawionego algorytmu opracowano program do wyznaczania wiroprądowych strat mocy i sprawności w transformatorze impulsowym. Rozpatrzono transformator o mocy 240 W z rdzeniem ETD 44 wykonanym z ferrytu N 67 o strukturze przedstawionej na rys. 1. W rozważaniach uwzględniono nieliniowe właściwości materiałów magnetycznych oraz prądy wirowe indukujące się w rdzeniu i uzwojeniach. Transformator obciążono rezystancją Ro. Dla Ro = Rn uzyskano znamionowy prąd obciążenia. Ze względu na szeroki zakres zmian względnej rezystancji obciążenia r = Ro/Rn na zamieszczonych w artykule wykresach posłużono się skalą logarytmiczną. Badano wpływ zmian względnej rezystancji obciążenia r i kształtu sygnału zasilającego na względne straty mocy w uzwojeniach pu = ΔPu /ΔPun (rys. 2) i w rdzeniu pr = ΔPr /ΔPrn (rys. 3) oraz sprawność η transformatora (rys. 6). Przy obliczaniu sprawności uwzględniono straty histerezowe wyznaczone w sposób przybliżony na podstawie danych katalogowych. Sprawność tą porównano w pewnym zakresie obciążeń ze sprawności transformatora pracującego w zasilaczu impulsowym (rys. 4). Opracowane oprogramowanie umożliwia analizę wiroprądowych strat mocy w uzwojeniach i rdzeniu transformatorów impulsowych. Zatem może być przydatne w projektowaniu i optymalizacji rozpatrywanych transformatorów.

Słowa kluczowe

EN

pulse transformer; eddy current losses; FEM analysis

PL

transformator impulsowy; straty wiroprądowe mocy; metoda elementów skończonych

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Elektrotechniki
• Czasopismo: Prace Instytutu Elektrotechniki
• Rocznik: 2006
• Tom: Z. 229
• Strony: 75--85
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys.

Twórcy

autor

Łyskawiński W.

• Poznan University of Technology, Institute of Industrial Electrical Engineering, Electrical Machines Dept.,

Bibliografia

• 1. Besbes M., Ren Z., Razek A.: Finite element analysis of magnetomechanical coupled phenomena in magnetostrictive materials, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 32, No. 3, pp. 1058-1061, May 1996.
• 2. Demenko A.: Symulacja dynamicznych stanów pracy maszyn elektrycznych w ujęciu polowym, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1997.
• 3. Laouamri K., Keradec J.-P., Member, IEEE, Ferrieux J.-P., Barbaroux J.: Dielectric losses of capacitor and ferrite core in an LCT component, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 39, No. 3, pp 1574-1577, May 2003.
• 4. Łyskawiński W.: Field-circuit transient analysis of pulse-excited transformer, Proc. EPNC2004, Poznań, pp. 49-50, June 2004.
• 5. Nowak L: Modele polowe przetworników elektromechanicznych w stanach nieustalonych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999.
• 6. Rumatowski K.: Straty mocy w uzwojeniach transformatorów zasilaczy impulsowych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2002.
• 7. Schellmanns A., Berrouche K., Keradec J.-P.: Multiwinding transformers: a successive refinement method to characterize a general equivalent circuit, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 47, No. 5, pp. 1316-1321, October 1998.
• 8. Siemens Matsushita Components: Ferrite core, EPCOS, data book 1999.
• 9. Sullivan C. R.: Computationally efficient winding loss calculation with multiple windings, arbitrary waveforms, and two-dimensional or three-dimensional field geometry, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 16, No. 1, pp. 142-150, January 2001.
• 10. Szeląg W.: Demagnetization effects due to armature transient currents in the permanent magnet self starting synchronous motor, Proc. EMF2000, Gent, pp. 93-94, May 2000.