Nanokristal nüve malzemesi ile orta frekans güç transformatörünün analizi, tasarımı ve gerçekleştirilmesi
The analysis, design and implementation of the medium frequency power transformer with nanocrystalline core material
Yazar: SELAMİ BALCI
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM SEFA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Amorf ferromanyetik maddeler = Amorphous ferromagnetic alloys ; Amorf ferromanyetik şerit = Amorphous ferromagnetic ribbons ; Elektromanyetik = Electromagnetic ; Ferromanyetik = Ferromagnetic ; Ferromanyetik alaşımlar = Ferromagnetic alloys ; Geçici elektromanyetik = Transient electromagnetic ; Güç transformatörü = Power transformer

Özet:
Geçtiğimiz on yıl içerisinde yüksek frekanslı nüve malzemelerinin üretim teknolojisinde farklı seçenekler sunan birçok gelişme olmuştur. Bu gelişmelerin sonucunda, elektrikli taşımacılık sektörü gibi farklı birçok alanda güç elektroniği dönüştürücüsü içeren topolojilerde orta frekans güç transformatörleri görülmeye başlanmıştır. Yüksek güçlü dönüştürücülerde genellikle orta frekans bölgesi olarak adlandırılan 400 Hz ile 20 kHz değerlerinde anahtarlama içeren çalışmalar bulunmaktadır. Anahtarlama frekansının aralığı topoloji içeriğindeki tüm aktif ve pasif devre elemanlarının çalışabilme sınırlarına göre değişmektedir. Ayrıca, dönüştürücünün anahtarlama frekansı belirlenirken, günümüz teknolojisine uygun güç anahtarları ile birlikte çalışacak olan güç transformatörlerinin ilgili frekans değerindeki kayıpları ve termal davranışlarının önceden belirlenmesi tasarım aşamasında büyük önem arz etmektedir. Geçmiş yıllarda yüksek frekanslı tasarımlar için hemen hemen tek seçenek olan ferrit nüveler çok büyük boyutlarda üretilemediği için büyük güçteki transformatörlerin boyutlandırılmasına sınırlama getirmektedir. Bundan dolayı araştırmacılar daha küçük boyutlu ve daha yüksek verimli transformatör tasarımı için amorf ve nanokristal gibi yumuşak manyetik malzemeler ile gerçekleştirilebilecek nüve tasarımları üzerine yoğunlaşmışlardır. Bu çalışmada, elektromanyetik ve güç elektroniği yazılımlarından yararlanılarak nanokristal nüve malzemesi ile orta frekans güç transformatörü tasarlanmıştır. Tasarım işlemlerinde transformatör öncelikle sonlu elemanlar metodu ile üç boyutlu olarak modellenmiş ve daha sonra bu manyetik devre modelinin güç elektroniği yazılımı içerisinde gerçekçi koşullarda etkileşimli olarak benzetimi yapılmıştır. Böylece nanokristal nüve malzemesi ve alüminyum folyo sargılar ile prototip ürün elde edilmiştir. Daha sonra bu prototip bir fazlı tam köprü evirici devresindeki deney düzeneğinde test edilerek verimi ve sıcaklık artış değerleri belirlenmiştir. Geliştirilen orta frekans güç transformatörünün benzetim ve deneysel sonuçlarının karşılaştırılmasından değerlerinin uyumlu olduğu görülmüştür.

Abstract:
There have been many developments offering different options for the production technology of high-frequency core materials in the past decade. In many different areas which include power electronics converter topologies like electric transportation industry, the medium frequency power transformers began to be seen as a result of these developments. In high-power static power conversion, there are studies usually used the switching values called as medium frequency region between 400 Hz and 20 kHz. The range of the switching frequency varies depending on the operating limits of all active and passive components in the topology. Also, in determining the switching frequency of the converter, the predetermination of the losses and thermal behaviors in the related frequency values of the power transformers, which will operate with the appropriate power switch to modern technology, have great importance in the design phase. Ferrite cores, which were an important option for high frequency designs in the past years, have brought great sizing limitation for the transformers because of being not produced in great sizes. Therefore, researchers have focused upon the core structures which can be realized with the soft magnetic materials such as amorphous and nanocrystalline structures for smaller and more efficient transformer design. In this study, medium frequency power transformer was designed with nanocrystalline core material by usage of the electromagnetic and power electronics softwares. In the design process, the transformer was primarily modeled with a three dimensional finite element method, and then this magnetic circuit model was co-simulated in realistic conditions with the power electronics software. Thus, the prototype product was obtained with the nanocrystalline core material and aluminum foil windings. Then, this prototype was tested in the experimental setup of a single phase full bridge inverter circuit so that the efficiency and the temperature increase values were determined. The experimental results of the developed medium frequency power transformer were seen to be compatible with the values of the simulation.