Analiza stanów pracy i synteza transformatora impulsowego w ujęciu polowym

Przedstawiono problematykę dotyczą analizy stanów pracy i syntezy transformatora impulsowego. Omówiono budowę transformatorów wysokiej częstotliwości. Zaprezentowano model polowy i obwodowy transformatora impulsowego. Na podstawie modeli opracowano algorytmy i programy obliczeniowe.
Do analizy stanów pracy transformatora impulsowego zaproponowano model polowy uwzględniający wpływ histerezy magnetycznej oraz temperatury na przebieg nieustalonych zjawisk elektromagnetycznych. W modelu równania opisujące nieustalone pole magnetyczne i temperaturowe rozwiązuje się łącznie z równaniami obwodów elektrycznych. Rozpatrywano wymuszenia napięciowe. Do formowania równań pola w układzie zdyskretyzowanym wykorzystano metodę elementów skończonych powiązaną z metodą „kolejnych kroków czasowych”. Równania kompleksowego dyskretnego modelu zjawisk sprzężonych w transformatorze impulsowym rozwiązywano metodą relaksacji blokowej w połączeniu z metodą Newtona-Raphsona.
W opracowanym, efektywnym algorytmie rozwiązywania równań modelu kompleksowego uwzględniono prądy wirowe, histerezowe właściwości materiałów magnetycznych, nieliniowość materiałów elektrycznie czynnych oraz straty dielektryczne i histerezowe. Do odwzorowania histerezy zastosowano model Jilesa-Athertona. Na podstawie przedstawionego algorytmu opracowano oprogramowanie do symulacji stanów pracy transformatora impulsowego. Wybrane rezultaty obliczeń symulacyjnych porównano z wynikami badań eksperymentalnych transformatorów modelowych.
Przedstawiono algorytm obliczeń optymalizacyjnych obwodu elektromagnetycznego transformatora impulsowego. Zadanie optymalizacji z nieliniową funkcją celu oraz nieliniowymi ograniczeniami rozwiązano za pomocą algorytmu genetycznego. Wykonano obliczenia projektowe, w których w celu skrócenia czasu obliczeń wykorzystano model obwodowy. Przedstawiono wybrane wyniki optymalizacji obwodu elektromagnetycznego transformatora impulsowego. Wykorzystano je do dalszej optymalizacji struktury uzwojeń za pomocą opracowanego oprogramowania do kompleksowej, polowej analizy pracy transformatora impulsowego.

1. Wstęp 6 1.1. Wprowadzenie 6 1.2. Cel i teza pracy 7 1.3. Zakres pracy 8 2. Budowa transformatorów impulsowych 10 2.1. Wprowadzenie 10 2.2. Rdzenie 10 2.2.1. Rdzenie ze stopów nanokrystalicznych i amorficznych 11 2.2.2. Rdzenie ferrytowe 12 2.3. Uzwojenia 17 2.4. Materiały izolacyjne 20 3. Modele zjawisk sprzężonych w transformatorze impulsowym 23 3.1. Wprowadzenie 23 3.2. Modele polowe 23 3.2.1. Polowy model zjawisk elektromagnetycznych 23 3.2.2. Polowy model zjawisk cieplnych 29 3.2.3. Polowy model zjawisk sprzężonych 33 3.3. Modele obwodowe 37 3.3.1. Obwodowy model zjawisk elektromagnetycznych 37 3.3.2. Obwodowy model zjawisk cieplnych 39 4. Równania transformatora impulsowego w układzie zdyskretyzowanym 42 4.1. Wprowadzenie 42 4.2. Modelowanie zjawiska histerezy magnetycznej 43 4.2.1. Wprowadzenie 43 4.2.2. Model Jilesa-Athertona 45 4.2.3. Identyfikacja parametrów modelu Jilesa-Athertona 49 4.2.4. Model matematyczny właściwości magnetycznych ferromagnetyka 53 4.3. Równania zjawisk elektromagnetycznych 55 4.3.1. Równania różnicowe pola elektromagnetycznego 55 4.3.2. Równania obwodów elektrycznych 66 4.4. Równania zjawisk cieplnych 69 4.5. Równania dyskretnego modelu zjawisk sprzężonych 74 4.6. Algorytm rozwiązania równań modelu 75 4.7. Wyznaczanie strat mocy w układzie zdyskretyzowanym 79 5. Symulacja wybranych stanów pracy 86 5.1. Wprowadzenie 86 5.2. Analiza nieustalonych stanów pracy 90 5.3. Analiza ustalonych stanów pracy 96 5.4. Podsumowanie 105 6. Synteza transformatorów impulsowych 106 6.1. Wprowadzenie 106 6.2. Metody optymalizacyjne stosowane w syntezie transformatorów 108 6.2.1. Sformułowanie zadania optymalizacji 108 6.2.2. Funkcja celu 109 6.2.3. Metody rozwiązywania zadania optymalizacji 112 6.2.4. Algorytm genetyczny 113 6.3. Optymalizacja obwodu magnetycznego transformatora 116 6.4. Projektowanie transformatora w ujęciu polowym 120 7. Wnioski 126 Literatura 128