Удосконалення методики оцінки втрат в дроселях з одношаровою обмоткою
| dc.contributor.advisor | Мовчанюк, Андрій Валерійович | |
| dc.contributor.author | Середін, Андрій Павлович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-09T13:42:45Z | |
| dc.date.available | 2024-02-09T13:42:45Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Середін 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. | |
| dc.description.abstractother | Seredin A. Improvement of the methodology for estimating losses in chokes with a single-layer winding. - Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of PhD in the field of knowledge 17 "Electronics and telecommunications" in the specialty 172 "Telecommunications and radio engineering". - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorskyi Kyiv Polytechnic Institute" MES of Ukraine, National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorskyi Kyiv Polytechnic Institute" MES of Ukraine, Kyiv, 2023. The dissertation is devoted to solving the actual scientific and practical problem of increasing the energy efficiency of power inductive elements with singlelayer windings without a core in the ultrasonic frequency range by increasing the accuracy and correctness of calculations of the amount of losses in their windings according to known analytical methods. The latter was achieved by empirically refining the calculation expressions of the methods by introducing a number of geometric parameters neglected in the initial expressions and calculating the coefficients for the most used cases in engineering practice (operating frequencies, conductor diameters, frame sizes, number of winding turns). The content of the dissertation research is presented in four chapters, each of which presents and explains the main results of the research: In the introduction, the relevance of the chosen topic of the dissertation is justified: the role of power inductive elements in modern radio electronic equipments is defined, the peculiarities of their operation in different frequency ranges are considered, power inductive elements operating in the ultrasonic frequency range are highlighted, it is explained why standard methods of combating the influence of frequency effects , which are successfully used in other frequency ranges, are ineffective or impractical in this case. Based on this, it was determined that the search for ways to minimize losses in the windings of power inductive elements is an urgent task. Two main ways of minimizing losses in these inductive elements have been determined - by optimizing the design of the winding of the inductive element or by increasing the accuracy of the theoretical calculation using known methods. The choice of the last method is justified. The peculiarities of the operation of power inductive elements in the composition of matching filters of ultrasonic technological equipment are considered, the importance of correct calculation of the amount of losses of filter chokes is emphasized. Based on this, the goal and tasks of the research were formulated, the methodological apparatus was described, information was provided about the scientific and practical novelty of the work, the approval of the main research results at scientific and practical conferences and their publication in the form of articles in specialized publications. In the first chapter, based on the review of scientific sources, a systematic approach to the analysis of factors affecting the amount of losses of inductive elements (losses in the core, losses in the dielectric, losses in the winding conductor) is performed. Each of them has been analyzed. It was determined that in the ultrasonic frequency range, losses in the winding conductor will have the greatest impact. The components of losses in the conductor are considered in detail, with corresponding explanations of the mechanism of occurrence of each of the specified frequency effects. Common methods of calculating the inductance of both a single straight cylindrical conductor and a single coil wound from it are considered and analyzed. The methods of calculating the amount of losses of windings of inductive elements are analyzed - grapho-analytical and analytical, the advantages and disadvantages of each of them are determined, the greater perfection and universality of analytical methods are noted. Common analytical techniques proposed by Dowell and Ferreira are reviewed. It has been determined that newer scientific works in recent years are based in one way or another on the main results of the abovementioned methods (as a rule, theoretical in nature without experimental verification of the results). The prerequisites for the beginning of the dissertation research are substantiated, it is stated that the calculation of the windings of the power inductive elements of the matching filters of ultrasonic devices according to these methods gives incorrect results, which was manifested in the overheating of the windings, although the calculation of the accumulative chokes of pulse power sources in the same frequency range according to the specified methods did not show any problems. Accordingly, the peculiarities of the operation of inductive elements of this frequency range as part of matching filters and pulse power sources are considered, possible reasons for the appearance of incorrect calculation results in the case of a choke of the matching filter are determined. The analysis of the approach to the solution of the problem and the corresponding calculation expressions of each of the specified methods were performed. Their main advantages and disadvantages are identified, the assumption is made that the reason for the appearance of incorrect results is the neglect of certain geometric parameters of the winding in the methods. For a general introduction, the approach to the analytical calculation of the current distribution in a single circular coil, proposed by V.A. Fock. The difficulty of spreading this approach to multi-turn winding was determined, which was the reason for refusing to use the analytical approach to solving the problem in this dissertation work. The choice of an empirical method with a number of experimental studies is justified. A conclusion was drawn on the need for further research, and general conclusions were drawn on the section. In the second chapter of the dissertation, the study of the influence of the geometric parameters of the single-layer winding neglected in the methods on the value of its losses was carried out. In advance, the choice of certain geometric parameters of inductive elements was justified, based on practical experience, the replacement of natural experimental measurements with machine ones in the environment of finite element analysis was justified, the adequacy and correctness of the results of the machine experiment were checked. A study of the influence of the diameter of a single turn on its loss value was carried out with an explanation of the results and an illustration of the phenomena affecting the current distribution in the conductor when it is wound into a turn. A study of the influence of interturn distance on the loss value of a multi-turn single-layer winding was also carried out with an explanation of the obtained results. It was determined that both parameters significantly affect the current distribution and the amount of losses, so they should not be neglected. The influence of the cross-sectional shape of the conductor (square and cylindrical) on the distribution of the current in it for the same cross-sectional areas was studied. The obtained results are discussed, relevant conclusions are drawn on the section. In the third chapter of the dissertation, the influence of the number of turns on a single-layer winding without a core and with a ferromagnetic core was studied. The organization of the experimental part of the research, which combines natural experimental measurements with machine measurements in the environment of finite element analysis, is preliminarily substantiated. The study of the influence of the number of turns on the value of losses of a single-layer winding without a core was carried out, the results of experimental measurements were compared with theoretical ones (Ferreira). A similar study was performed, but for a winding with an introduced ferromagnetic core. The effect of the ferromagnetic core on the loss value of singlelayer windings of inductive elements was studied. Appropriate conclusions were drawn on the section. In the fourth chapter, the calculation expression of the Ferreira method was modified by introducing into the expression the geometric parameters of the singlelayer winding omitted in the initial expression, the corresponding coefficients were calculated for the most common geometric parameters of single-layer windings in practice (diameters of frames, diameters of conductors, number of turns, operating frequencies). Previously, a number of experimental measurements were carried out for single-layer windings without a core, possible ways of introducing relevant geometric parameters into the analytical expression of the technique were analyzed, a number of dependencies were determined, according to which a number of curves were constructed on the basis of experimental data. The requirements for the approximating functions were defined, the obtained curves were approximated with the help of specialized mathematical packages, and the corresponding coefficients were calculated. An attempt was made to directly enter neglected parameters for the number of turns and the diameter of the turn into the calculation expression of the method in the form of clarifying factors, and the corresponding correction factors were calculated. The accuracy of the calculation of the supplemented (modified) expression relative to the initial expression and the corresponding experimental data was checked. Corresponding conclusions about increasing accuracy were made. The scientific novelty of the results obtained during the dissertation work is as follows: 1. For the first time, a method for estimating the loss value of a multiturn single-layer winding by combining machine modeling (in the environment of FEM analysis) and experimental measurements is proposed, which allows to estimate the influence of the geometry of the winding on the current distribution in the cross section of the conductor; 2. The method of calculating the amount of losses of inductive elements with single-layer windings has been improved, by supplementing the initial expression with clarifying factors, which, unlike the existing methods, includes previously neglected geometric parameters of the winding. Practical importance of obtained results is as follows: 1. It was determined that the existing methods of calculation require additional research into the effect of geometric parameters neglected in them on the distribution of current in the winding conductors (the amount of their losses), in order to further improve the expressions of the methods; 2. It was found that the error in the calculations (relative to the results of experimental studies) ranges from 20.6% to 39.6% (as a result of neglecting the influence of the diameter of the turn) and from 17.8% to 65.99% (as a result of neglecting the unevenness of the current distribution in the turns); 3. It was found that under the given research conditions, the shape of the cross section of the conductor (round and square) has a minor effect on the current distribution; 4. It was determined that the analytical method of calculation can be used to calculate the value of losses Kf of single-layer windings of inductive elements, provided that the winding is without a core, the number of turns is N 30, and the final result of the calculation is adjusted for the value of the relative deviation of theoretical and experimental data (up to 20.5% depending on the conductor diameter and frequency for a winding with a diameter of Dcoil = 10 mm (ETD-29)); 5. It was established that the calculation of the losses of single-layer windings of inductive elements with a ferromagnetic core according to the Ferreira analytical method cannot be carried out, since the difference between theoretical calculations according to this method and experimental data reaches approximately 1000% (11 times), since the influence of the core on the value of the winding losses in this method not taken into account; 6. It was found that the possible reason for the discrepancy is the influence of the change in the configuration of the magnetic field lines inside the winding on the current distribution in its conductors when a ferromagnetic core is introduced. Core losses, in this case, have almost no effect on the total value of the winding losses (a change in the value of the losses in the core by 50 times causes an increase in the value of the winding losses Kf by only 3%), so they can be neglected; 7. A number of refinements of the calculation expression of the Ferreira method were proposed, which allowed to take into account the influence of the geometric parameters neglected in the initial expression. As a result of the modification of the calculation expressions, the discrepancy between the experimental and theoretical results was reduced from 59.5% to 11% (for Kf = f(N)) and from 63% to 4% (for Kf = f(d/Dcoil)). The results of scientific research can be used in practical engineering and design activities in the development and construction of power windings of inductive elements operating in the ultrasonic frequency range (especially chokes of matching filters of ultrasonic technological equipment) and other inductive elements operating in this frequency range in the case of a prevailing variable current component. | |
| dc.format.extent | 243 с. | |
| dc.identifier.citation | Середін, А. П. Удосконалення методики оцінки втрат в дроселях з одношаровою обмоткою : дис. … д-ра філософії : 172 Телекомунікації та радіотехніка / Середін Андрій Павлович. – Київ, 2023. – 243 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64423 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | електромагнітне поле | |
| dc.subject | телекомунікації | |
| dc.subject | телекомунікаційна мережа | |
| dc.subject | ультразвукова кавітація | |
| dc.subject | імітаційне моделювання | |
| dc.subject | ультразвукова резонансна система | |
| dc.subject | ультразвукові коливання | |
| dc.subject | імпульсні перетворювачі електроенергії | |
| dc.subject | згладжування пульсацій | |
| dc.subject | потужність втрат | |
| dc.subject | опір втрат | |
| dc.subject | контактне мікрозварювання | |
| dc.subject | SEPIC перетворювач | |
| dc.subject | DC-DC перетворювач | |
| dc.subject | понижувально-підвищувальний перетворювач | |
| dc.subject | AC-DC перетворювач | |
| dc.subject | FEA аналіз | |
| dc.subject | безпровідна передача енергії | |
| dc.subject | перетворювач | |
| dc.subject | мостовий інвертор | |
| dc.subject | система імпульсно-фазового керування | |
| dc.subject | дросель | |
| dc.subject | скін-ефект | |
| dc.subject | ефект близькості | |
| dc.subject | експеримент | |
| dc.subject | electromagnetic field | |
| dc.subject | telecommunication | |
| dc.subject | telecommunication network | |
| dc.subject | ultrasonic cavitation | |
| dc.subject | simulation modeling | |
| dc.subject | ultrtasonic resonance system | |
| dc.subject | ultrasonic oscillations | |
| dc.subject | impulse converters of electricity | |
| dc.subject | smoothing out pulsation | |
| dc.subject | power loss | |
| dc.subject | loss resistance | |
| dc.subject | contact microwelding | |
| dc.subject | SEPIC converter | |
| dc.subject | DC-DC power converter | |
| dc.subject | buck-boost converter | |
| dc.subject | AC-DC power converterі | |
| dc.subject | FEA analysis | |
| dc.subject | wireless power transfer | |
| dc.subject | converter | |
| dc.subject | bridge inverter | |
| dc.subject | pulse-phase control system | |
| dc.subject | choke | |
| dc.subject | skin effect | |
| dc.subject | proximity effect | |
| dc.subject | experiment | |
| dc.subject.udc | 621.314.228:534](043.3) | |
| dc.title | Удосконалення методики оцінки втрат в дроселях з одношаровою обмоткою | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: