مدلسازی ترانسفورمرهای پالسی با هسته‌های نانو بلوری

محورهای موضوعی : انرژی های تجدیدپذیر

امیر بکتاش ¹ (دانشگاه علم و صنعت ایران)
ابوالفضل واحدی ² (دانشگاه علم و صنعت ایران)

تاریخ دریافت : 1393/01/10 تاریخ پذیرش : 1393/05/12 تاریخ انتشار : 1393/06/10

کلید واژه: روش تکرار نیوتن, روش شبکه‌های رلوکتانسی, مبدل رزونانسی سری, مدل مشخصه پسماند, مواد مغناطیسی نانو بلوری و هسته‌های مدور نواری,

چکیده مقاله :

امروزه هسته‌های نواری مدور نانو بلوری به‌واسطه ویژگی‌های مغناطیسی مطلوبی که دارند به ‌طور گسترده‌ای در ترانسفورمرهای پالسی و فرکانس بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساختار حلزونی این هسته‌ها بر روی نحوه توزیع شار درون آن تأثیر گذاشته و باعث پیچیدگی زیاد تحلیل مغناطیسی این هسته‌ها شده است. در این مقاله با استفاده از روش شبکه‌های رلوکتانسی یک مدل برای این هسته‌ها ارائه شده است. این مدل قادر به تعیین شار در نقاط مختلف هسته می‌باشد. ویژگی غیرخطی مغناطیسی هسته نیز با استفاده از یک مدل پسماند در مدل هسته گنجانده شده که با استفاده از آن به آسانی می‌توان تلفات مغناطیسی هسته را معلوم نمود. سادگی پیاده‌سازی مدل از ویژگی‌های مثبت آن می‌باشد. نتایج شبیه‌سازی مدل با استفاده از نرم‌افزار اجزاء محدود و همچنین تست‌های عملی بررسی شده‌اند. مقایسه نتایج نشان می‌دهند که روش ارائه شده علاوه بر سادگی دارای دقت مطلوب بوده و سرعت همگرایی آن در شبیه‌سازی نیز بالا است.

چکیده انگلیسی:

Recently tape wound cores, due to their excellent properties, are widely used in transformers for pulsed or high frequency applications. The spiral structure of these cores affects the flux distribution inside the core and causes complication of the magnetic analysis and consequently the circuit analysis. In this paper, a model based on reluctance networks method is used to analyze the magnetic flux in toroidal wound cores and losses calculation. A Preisach based hysteresis model is included in the model to consider the nonlinear characteristic of the core. Magnetic losses are calculated by having the flux density in different points of the core and using the hysteresis model. A transformer for using in a series resonant converter is modeled and implemented. The modeling results are compared with experimental measurements and FEM results to evaluate the validity of the model. Comparisons show the accuracy of the model besides its simplicity and fast convergence.

منابع و مأخذ:

[1] S. Zurek, F. Al-Naemi, A.J. Moses, “Finite-element modeling and measurements of flux and eddy current distribution in toroidal cores wound from electrical steel”, IEEE Trans. on Magn., Vol. 44, No. 6, pp. 902-905, 2008.

[2] T. Nakata, N. Takahashi, K. Fujiwara, M. Nakano, “Analysis of flux and eddy current distributions in wound cores and experiments”, Trans. on Engineering Sciences, Vol. 11, pp. 255-264, 1996.

[3] G. Loizosa, T. Kefalasb, A. Kladasb, T. Souflarisa, D. Paparigas, “Flux distribution in single phase, Si–Fe, wound transformer cores”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 320, No. 20, pp. 874-877, 2008.

[4] I. Hernandez, F. de Leon, J. M. Canedo, J.C. Olivares-Galvan, “Modeling transformer core joints using Gaussian models for the magnetic flux density and permeability”, IET Electr. Power Appl., Vol. 4, No. 9, pp. 761–771, 2010.

[5] J. Turowski, “Reluctance Networks”, in Sykulski, J. K., Computational Magnetics, Springer, Netherlands, pp. 145-164, 1995.

[6] C.R. Lines, W.A. Cronje, B. Wigdorowitz, “Extended 2D magnetic equivalent circuit method”, COMPEL, Vol. 29, No. 6, pp. 1435-1443, 2010.

[7] A. Ibala, A. Masmoudi, G. Atkinson, A.G. Jack, “On the modeling of a TFPM by reluctance network including the saturation effect with emphasis on the leakage fluxes”, COMPEL, Vol. 30, No. 1, pp. 151-171, 2011.

[8] V. Basso, “Hysteresis models for magnetization by domain wall motion”, IEEE Trans. Magn., Vol. 34, pp. 2207–2212, 1998.

[9] P. Nakmahachalasint, K.D. T. Ngo, L. Vu-Quoc, “A Static hysteresis model for power ferrites”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 17, No. 4, pp. 453-460, 2002.

[10] P. Nakmahachalasint, K.D. T. Ngo, L. Vu-Quoc, “A behavioral model for frequency-dependent hysteresis in power ferrites”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 40, No. 4, pp. 1784-1790, 2004.

[11] “Nano-crystalline: A special product announcement”, MK Magnetics, 2007, available at: http://www.mkmagnetics.com/dataSheets/pdf/mkm-nanoCurves.pdf.

[12] A. Baktash, A. Vahedi, “Calculation of parasitic elements in Toroidal core transformers,” IEEE Trans. on Plasma Science, Vol. 42, No. 6, pp. 1690 - 1696, 2014.