Дисертації (РЕ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Перегляд Дисертації (РЕ) за Ключові слова "AC-DC power converterі"
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Результатів на сторінці
Налаштування сортування
Документ Відкритий доступ Удосконалення методики оцінки втрат в дроселях з одношаровою обмоткою(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Середін, Андрій Павлович; Мовчанюк, Андрій ВалерійовичСередін А.П. Удосконалення методики оцінки втрат в дроселях з одношаровою обмоткою. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 17 «Електроніка та телекомунікації» за спеціальністю 172 «Телекомунікації та радіотехніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуальної науковопрактичної задачі підвищення енергетичної ефективності силових індуктивних елементів з одношаровими обмотками без осердя в ультразвуковому діапазоні частот шляхом підвищення точності та коректності розрахунків величини втрат в їх обмотках за відомими аналітичними методиками. Останнє досягнуто шляхом емпіричного уточнення розрахункових виразів методик введенням ряду геометричних параметрів, знехтуваних у початкових виразах, та розрахунком коефіцієнтів для найбільш застосовуваних випадків в інженерноконструкторській практиці (робочих частот, діаметрів провідників, типорозмірів каркасів, кількості витків обмотки). Зміст дисертаційного дослідження викладено у чотирьох розділах, у кожному з яких представлено та пояснено основні результати дослідження: У вступі виконано обгрунтування актуальності обраної теми дисертаційної роботи: визначено роль силових індуктивних елементів у сучасних РЕА, розглянуто особливості їх роботи у різних частотних діапазонах, виділено силові індуктивні елементи, що працюють у діапазоні ультразвукових частот, пояснено, чому стандартні методи боротьби з впливом частотних ефектів, які успішно використовуються в інших частотних діапазонах, в даному випадку малоефективні або недоцільні. Виходячи з цього визначено, що пошук шляхів мінімізації величини втрат в обмотках силових індуктивних елементах є актуальним завданням. Визначено два основні шляхи мінімізації втрат в даних індуктивних елементах – шляхом оптимізації конструкції обмотки індуктивного елемента або шляхом підвищення точності теоретичного розрахунку за відомим методиками. Обгрунтовано вибір останнього способу. Розглянуто особливості роботи силових індуктивних елементах у складі узгоджуючих фільтрів ультразвукового технологічного обладнання, підкреслено важливість коректного розрахунку величини втрат дроселів фільтрів. Виходячи з цього сформульовано мету та визначено завдання дослідження, виконано опис методологічного апарату, надано інформацію про наукову та практичну новизну роботи, апробацію основних результатів дослідження на науково-практичних конференціях та їх публікацію у формі статей у фахових виданнях. У першому розділі на основі розгляду наукових джерел виконано системний підхід до аналізу факторів, що впливають на величину втрат індуктивних елементів (втрати в осерді, втрати в діелектрику, втрати у провіднику обмотки). Проаналізовано кожен із них. Визначено, що в ультразвуковому діапазоні частот найбільший вплив матимуть втрати у провіднику обмотки. Детально розглянуто складові втрат у провіднику з представленням відповідних пояснень механізму виникнення кожного з вказаних частотних ефектів. Розглянуто та проаналізовано поширені методики розрахунку індуктивності як одиночного прямого циліндричного провідника, так і одиночного витка, згорнутого з нього. Проаналізовано методики розрахунку величини втрат обмоток індуктивних елементів – графо-аналітичні та аналітичні, визначено переваги та недоліки кожної з них, відмічено більшу досконалість та універсальність аналітичних методик. Виконано розгляд поширених аналітичних методик, запропонованих Dowell та Ferreira. Визначено, що більш нові наукові праці за останні роки тим чи іншим чином базуються на основних результатах вищевказаних методик (як правило, теоретичного характеру без експериментальної перевірки результатів). Обгрунтовано передумови початку дисертаційного дослідження, зазначено, що розрахунок обмоток силових індуктивних елементів узгоджуючих фільтрів ультразвукових пристроїв за даними методиками дає некоректні результати, що проявлялося у перегріві обмоток, хоча розрахунок накопичувальних дроселів імпульсних джерел живлення у цьому ж частотному діапазоні за вказаними методиками проблем не проявляв. Відповідно, розглянуто особливості роботи індуктивних елементів данного діапазону частот у складі узгоджуючих фільтрів та імпульсних джерел живлення, визначено можливі причини появи некоректних результатів розрахунків у випадку дросселя узгоджуючого фільтра. Виконано аналіз підходу до вирішення задачі та відповідні розрахункові вирази кожної з вказаних методик. Визначено їх основні переваги та недоліки, висунуто припущення, що причиною появи некоректних результатів є нехтування у методиках певними геометричними параметрами обмотки. Для загального ознайомлення розглянуто підхід до аналітичного розрахунку розподілу струму в одиночному круглому витку, запропонованого В.А. Фоком. Визначено складність поширення данного підходу до багатовиткової обмотки, що стало причиною відмови від використання аналітичного підходу до розв'язання задачі у даній дисертаційній роботі. Обгрунтовано вибір емпіричного методу з виконанням ряду експериментальних досліджень. Зроблено висновок про необхідність проведення подальших досліджень, зроблено загальні висновки по розділу. У другому розділі дисертації виконано дослідження впливу знехтуваними у методиках геометричних параметрів одношарової обмотки на величину її втрат. Попередньо було обгрунтовано вибір тих чи інших геометричних параметрів індуктивних елементів, виходячи із практичного досвіду, обгрунтовано заміну натурних експериментальних вимірювань на машинні, у середовищі кінцево-елементного аналізу, виконано перевірку адекватності та коректності результатів машинного експерименту. Виконано дослідження впливу діаметра одиночного витка на його величину втрат з поясненням результатів та ілюстрацією явищ, що впливають на розподіл струму у провіднику при його згортанні у виток. Виконано дослідження впливу міжвиткової відстані на величину втрат багатовиткової одношарової обмотки також з поясненням отриманих результатів. Визначено, що обидва параметри суттєво впливають на розподіл струму та величину втрат, тому нехтувати ними не варто. Досліджено вплив форми поперечного перерізу провідника (квадратного та циліндричного) на розподіл струму у ньому за однакових площ перерізу. Обговорено отримані результати, зроблено відповідні висновки по розділу. У третьому розділі дисертації виконано дослідження впливу кількості витків на одношарову обмотку без осердя та з феромагнітним осердям. Попередньо обгрунтовано організацію експериментальної частини дослідження, де поєднано натурні експериментальні вимірювання з машинними у середовищі кінцево-елементного аналізу. Виконано дослідження впливу кількості витків на величину втрат одношарової обмотки без осердя, результати експериментальних вимірювань порівняно із теоретичними (Ferreira). Виконано аналогічне дослідження, але для обмотки із введеним феромагнітним осердям. Досліджено вплив феромагнітного осердя на величину втрат одношарових обмоток індуктивних елементів. Зроблено відповідні висновки по розділу. У четвертому розділі виконано модифікацію розрахункового виразу методики Ferreira шляхом внесення у вираз геометричних параметрів одношарової обмотки, упущених у початковому виразі, розраховано відповідні коефіцієнти для найбільш поширених на практиці геометричних параметрів одношарових обмоток (діаметрів каркасів, діаметрів провідників, кількості витків, робочих частот). Попередньо було проведено ряд експериментальних вимірювань для одношарових обмоток без осердя, проаналізовано можливі шляхи внесення в аналітичний вираз методики відповідних геометричних параметрів, визначено ряд залежностей, згідно з якими на основі експериментальних даних побудовано ряд кривих. Визначено вимоги до апроксимуючих функцій, за допомогою спеціалізованих математичних пакетів виконано апроксимацію отриманих кривих, розраховано відповідні коефіцієнти. Здійснено спробу безпосереднього введення у розрахунковий вираз методики знехтуваних параметрів для кількості витків та діаметра витка у вигляді уточнюючих множників, розраховано відповідні поправочні коефіцієнти. Виконано перевірку точності розрахунку доповненого (модифікованого) виразу відносно початкового виразу та відповідних експериментальних даних. Зроблено відповідні висновки про підвищення точності. Наукова новизна отриманих результатів, отриманих при виконанні дисертаційної роботи, полягає у наступному: 1) Вперше запропоновано метод оцінки величини втрат багатовиткової одношарової обмотки шляхом поєднання машинного моделювання (в середовищі FEM аналізу) та експериментальних вимірювань, що дозволяє оцінити вплив геометрії обмотки на розподіл струму у поперечному перерізі провідника; 2) Удосконалено методику розрахунку величини втрат індуктивних елементів з одношаровими обмотками, шляхом доповнення початкового виразу уточнюючими множниками в яку, на відміну від існуючих методик, включено знехтувані раніше геометричні параметри обмотки. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що: 1) Визначено, що наявні методики розрахунку потребують додаткового дослідження впливу знехтуваних у них геометричних параметрів на розподіл струму у провідниках обмотки (величину їх втрат), з метою подальшого удосконалення виразів методик; 2) Встановлено, що похибка в розрахунках (відносно результатів експериментальних досліджень) лежить в межах від 20.6% до 39.6% (як наслідок нехтування впливом діаметра витка) та від 17.8% до 65.99% (як наслідок нехтування нерівномірністю розподілу струму у витках); 3) Виявлено, що за даних умов дослідження, форма поперечного перерізу провідника (кругла та квадратна) незначним чином впливає на розподіл струму, тому нею можна знехтувати; 4) Визначено, що аналітичну методику розрахунку можливо використовувати для розрахунку величини втрат Kf одношарових обмоток індуктивних елементів за умови, що обмотка без осердя, кількість витків становить N 30, а кінцевий результат розрахунку скориговано на величину відносного відхилення теоретичних та експериментальних даних (до 20.5% залежно від діаметра провідника та частоти для обмотки діаметром Dcoil = 10 мм (ETD-29)); 5) Встановлено, що розрахунок величини втрат одношарових обмоток індуктивних елементів з феромагнітним осердям за аналітичною методикою Ferreira проводити не можна, оскільки розходження теоретичних обчислень за даною методикою та експериментальними даними сягає приблизно 1000% (11 разів), оскільки вплив осердя на величину втрат обмотки у даній методиці не враховано; 6) Виявлено, що можливою причиною розходження є вплив зміни конфігурації силових ліній магнітного поля всередині обмотки на розподіл струму у її провідниках при введенні феромагнітного осердя. Втрати в осерді, у даному випадку, майже не впливають на загальну величину втрат обмотки (зміна величини втрат в осерді у 50 разів спричиняє приріст величини втрат обмотки Kf лише на 3%), тому ними можна знехтувати; 7) Запропоновано ряд уточнень розрахункового виразу методики Ferreira, які дозволили врахувати вплив знехтуваних у початковому виразі геометричних параметрів. В результаті модифікації розрахункових виразів зменшено розбіжність між експериментальними та теоретичними результатами з 59.5% до 11% (для Kf= f(N)) та з 63% до 4% (для Kf= f(d/Dcoil)). Результати наукових досліджень можуть бути використані у практичній інженерно-конструкторській діяльності при розробці та конструюванні силових обмоток індуктивних елементів, що працюють в ультразвуковому діапазоні частот (особливо дроселів узгоджуючих фільтрів ультразвукового технологічного обладнання) та інших індуктивних елементів, що працюють в даному частотному діапазоні у випадку переважаючої змінної складової струму.