< Terug naar vorige pagina

Project

Uitgangsfilters van netgekoppelde omzetters: componentdimensionering, co-design van de regelaar en analyse van de wikkelingsverliezen

Er is een groeiende vraag in de vermogenselektronica naar hoog-performante uitgangsfilters, met grote verzwakking en bandbreedte. Vele nieuwe toepassingen vereisen een hoge bandbreedte en lage uitgangsvervorming, zoals regelbare voedingen en netgekoppelde omzetters. Bovendien moet bij hoge schakelfrequentie de filterattenuatie voldoen aan de elektromagnetische-interferentie standaard, die strenger is dan de gebruikelijke standaard betreffende netharmonischen. Het ontwerpen van zulke uitgangsfiters is daarom bijzonder uitdagend, waarbij nieuwe vereisten nieuwe ontwerps- en modellerings-tools noodzakelijk maken.

In dit doctoraat worden verschillende aspecten van het ontwerp, de modellering en de validatie van uitgangsfilters bestudeerd, met in het bijzonder het ontwerp van een resonant-gedempte regelaar met componentwaarden, en de modellering en meeting van wikkelingsverliezen. De doelstelling is het verbeteren en vereenvoudigen van deze aspecten bij het invoeren van een nieuwe methode voor componentdimensionering en co-ontwerp van de regeling, een eindige-elementenmethode op basis van homogenisering voor de berekening van wikkelingsverlies en een nauwkeurigere methode voor de bepaling van de wikkelingsweerstand.

In het eerste deel van het doctoraat wordt een ontwerpmethode voorgesteld voor een virtueel-netwerkregelaar (VNR) voor netgekoppelde spanningsbronomzetters met uitgangsfilters, in discrete tijd en met resonantiedemping. De methode laat toe om het verlangde gesloten-lusgedrag te specifiëren via een virtueel netwerk in plaats van met abstracte mathematische criteria gebaseerd op gesloten-luspolen en wegingsmatrices. Bijgevolg kunnen bestaande ontwerpstechnieken voor passieve filters en de welgekende filtertheorie gebruikt worden; passieve filters kunnen niet zomaar worden aangewend wegens excessieve verliezen. De netstroom en de common-modecondensatorspanning, die het onderwerp zijn van de belangrijkste ontwerpsobjectieven, erven zo de voornaamste eigenschappen van de virtuele netwerken, zoals de resonantiedemping en het gedrag bij lage frequentie, zodat spannings- en stroomregelaars gemakkelijk kunnen worden ontworpen. Conventionele regelaars kunnen zo ook worden aangewend om de performantie van het systeem bijkomend te verbeteren, bijvoorbeeld door compensatie van harmonischen. Ter validering worden simulaties en experimentele tests uitgevoerd op een spanningsbronomzetter die aan het driefasig net is gekoppeld via een LCL-filter. De resultaten bevestigen dat de resonantie efficiënt wordt gedempt, alsmede de goede dynamische performantie.

De VNR-methode wordt vervolgens aangewend, in omgekeerde volgorde, om een nieuwe co-designmethode te ontwikkelen voor de componentdimensionering en de regeling met actieve demping met LC-laddernetwerkuitgangsfilter van algemene orde. Het virtuele netwerk wordt eerst ontworpen op basis van een één-poortladdernetwerk. Startende van de gewenste gesloten-lustransfertfunctie wordt het virtuele circuit gesynthetiseerd om aan de fysische eisen te voldoen. Het fysische netwerk wordt dan gerealiseerd met dezelfde componenten als in het virtuele netwerk. Op deze manier worden terzelfdertijd zowel de filterparameters als de resonantedempingregeling aangepakt. Het ontwerpvoorbeeld van LCL-filters voor driefasige netgekoppelde spanningsbronomzetters wordt gedemonstreerd en experimenteel getest. De gemeten bandbreedte van de kleine-signaalreferentietrackingtransfertfunctie komt overeen met die van het theoretische model. In permanent regime heeft de uitgangsstroom een uitstekende sinusoïdale golfvorm, zoals gewenst. Verder wordt de mogelijke uitbreiding naar het ontwerp van een 5de-orde-LCLCL-filter gedemonstreerd, met inbegrip van Pareto-front-muli-objectiefoptimisering (verliezen versus volume) en vergelijking met de 3de-orde-LCL-filter. De 5de-orde-filter toont beloftevolle volumereductie voor toepassingen met hoge bandbreedte- en/of verzwakkingvereisten.

Het derde deel van het doctoraat betreft een homogenisatiemethode voor de frequentiedomein-eindige-elementenmodellering  van litz-draadwikkelingen. De methode bestaat erin een frequentie-afhankelijke complexe reluctiviteit en impedantie te gebruiken, in resp. het eindige-elementdomein en het elektrische netwerk, beide met behulp van dimensieloze coefficiënten, om zo skin- en proximity-effect te beschouwen. Op deze manier wordt de litz-bundel een homogene geleider die eenvoudig kan worden geïntegreerd in het eindige-elementenmodel. De homogenisatiemethode wordt gevalideerd met een 2-D model van een transformator en een 3-D model van een axisymmetrische spoel, waarbij de referentieoplossing berekend wordt met fijne discretisatie van de litz-bundel. De berekende weerstand en inductantie komen goed overeen, met sterk gereduceerde rekentijd wanneer de homogenisatie wordt toegepast. 

De eindige-elementenhomogenisatie van een wikkeling wordt verder bestudeerd in het tijdsdomein via de synthese van een RL-Cauer-netwerk. Twee verschillende Cauer-netwerken worden gesynthetiseerd voor een goede overeenkomst van de complexe frequentie-afhankelijke reluctiviteit en impedantie, waarbij de nauwkeurigheid afhangt van de order van het netwerk. De voorgestelde methode geeft een hogere nauwkeurigheid tegenover de voorgaande studie waarbij de topologie van het laddernetwerk niet goed gekozen was. De resultaten worden gevalideerd met behulp van een 2-D axisymmetrische spoel met een niet-lineaire magnetische kern voorzien van een luchtspleet.

In het laatste deel van het doctoraat wordt de meting van de wikkelingsverliezen en -weerstand bestudeerd. In het algemeen behoeft de weerstandswaarde bekomen via een impedantiemeting compensatie van de ongewenste effecten, zoals kernverliezen en de verdeelde wikkelingscapaciteit. Hier wordt precies aangetoond dat de kernverliezen (of de kernverliesweerstand) gemeten met de twee-wikkelingsmethode steeds het effect van mutuele wikkelingsweerstand inhoudt. Bij hogere frequenties wordt dit effect belangrijker en kan dan leiden tot een overschatting van de gemeten kernverliesweerstand. Hierdoor kan de compenseerde wikkelingsweerstand in belangrijke mate onderschat worden. Om dit effect te beperken kan de kernverliesweerstand gemeten worden op een 1:1 transformator (met 1 winding aan zowel primaire als secondaire zijde), om vervolgens de werkelijke kernverliezen te berekenen via schaling. Deze methode is toepasbaar op componenten met 2 of meer wikkelingen. Ter validatie beschouwen we een hoog-frequente-transformator met luchtspleet en litz-wikkeling. De experimentele resultaten worden gevalideerd met behulp van een 3-D eindige-elementenmodel (met homogenisatie, zie het derde deel van het doctoraat). De voorgestelde meetmethode geeft een wikkelingsweerstandswaarde die nauwkeuriger is en in goede overeenkomst is met de eindige-elementennresultaten.

Datum:9 dec 2016 →  23 aug 2019
Trefwoorden:Power electronics, Power filters, Power converters
Disciplines:Modellering, Elektrische energieproductie en -distributie, Elektrische machines en transformatoren
Project type:PhD project