Area disciplinare: ELETTROTECNICA

MODELLAZIONE CIRCUITALE NEL CAMPO DELLE ALTE  FREQUENZE DI COMPONENTI AVVOLTI

Partecipanti alla ricerca: U. Reggiani, G. Grandi, G. Sancineto, A. Massarini (Università di Modena e Reggio Emilia), M. K. Kazimierczuck (State Wright University, Dayton,USA)

Obiettivi: sviluppo di modelli circuitali a parametri concentrati per la caratterizzazione in frequenza di componenti avvolti e di avvolgimenti.

Tematiche della ricerca:

Calcolo delle capacità parassite di induttori a solenoide

Sono sviluppati metodi per il calcolo analitico delle capacità parassite tra spire di uno stesso strato, tra spire di strati adiacenti, tra spire ed eventuale nucleo e/o schermo conduttore dell’induttore. In tali metodi si ipotizza a priori l’andamento delle linee di forza del campo elettrico nel dielettrico circostante le spire o si ricorre alla capacità per unità di lunghezza tra due conduttori rettilinei paralleli infinitamente lunghi. I valori calcolati sono confrontati con risultati sperimentali, ottenendo un buon accordo.

Calcolo dell’induttanza complessiva e progetto ottimizzato di induttori a solenoide in aria

E’ ricavata un’espressione analitica dell’induttanza complessiva dell’induttore, basata sulla formula che fornisce la mutua induttanza tra due spire circolari coassiali tramite integrali ellittici. Per induttori a singolo strato è sviluppato anche un progetto ottimizzato, dove le variabili di ingresso sono la prima frequenza di autorisonanza, l’induttanza e il valore nominale della corrente. La funzione da minimizzare è la lunghezza dell’avvolgimento (cioè le perdite e il peso). La procedura di ottmizzazione è formulato come un problema di ottimizzazione non lineare.

Induttori con nucleo ferromagnetico: induttanza principale e resistenza equivalente serie del nucleo in funzione della frequenza

Le espressioni di tali parametri in funzione della frequenza sono ottenute risolvendo le equazioni di Maxwell sia in un nucleo di ferrite sia in un nucleo ferromagnetico laminato. Nel caso di un nucleo di ferrite si introducono nelle equazioni del campo una permittività elettrica complessa ed una permeabilità magnetica complessa funzione della frequenza. Nel caso di nuclei ferromagnetici laminati si tiene conto di eventuali traferri definendo una permeabilità equivalente del circuito magnetico. La determinazione della distribuzione del campo induzione magnetica tempo-variante nel nucleo consente di ricavare la tensione indotta nell’avvolgimento dell’induttore dal corrispondente flusso, e quindi la resistenza equivalente serie del nucleo e l’induttanza principale. I valori calcolati sono confrontati con i valori misurati, ottenendo un buon accordo.

Induttori con nucleo ferromagnetico laminato: modello per l’analisi nel dominio del tempo

E’ proposto un circuito equivalente adatto alla simulazione dei transitori elettromagnetici di induttori con nucleo ferromagnetico laminato. L’analisi può essere effettuata tramite simulatori circuitali standard. L’avvolgimento è modellato mediante circuiti serie di Foster e ciascun lamierino del pacco è modellato mediante un circuito magnetico a costanti concentrate. Il modello è validato sperimentalmente.

Confronto delle prestazioni in frequenza di diverse topologie di induttore

L’individuazione di un modello circuitale per le differenti tipologie di induttori consente il confronto delle diverse prestazioni in frequenza in termini di induttanza, perdite e cifra di merito, rendendo possibile la scelta del tipo di avvolgimento e del tipo di nucleo più adatti a soddisfare le specifiche dell’applicazione considerata.

Applicazione agli avvolgimenti delle macchine elettriche in corrente alternata

In collaborazione con il Prof. D. Casadei del Gruppo “Macchine ed azionamenti lettrici", è stato sviluppato un modello circuitale alle alte frequenze per una singola bobina di un avvolgimento a matasse di una macchina elettrica in ca. Il modello è costituito da un circuito a tre terminali, i cui parametri sono identificati mediante la misura delle impedenze fra ciascuna coppia di terminali, per diversi valori della frequenza. Il modello è facilmente esteso ad un avvolgimento con più bobine e ad un avvolgimento trifase.

Elenco delle principali pubblicazioni

1.        A. Massarini, M. K. Kazimierczuck, G. Grandi, “Lumped Parameter Models for Single- and Multiple-Layer Inductors” Proceedings IEEE Power Electronics Specialist Conference (PESC’96), Baveno (Italy), June 17-22, 1996, Vol. 2, pp. 295-301

2.           G. Grandi, M. K. Kazimierczuck, A. Massarini, U. Reggiani “Optimal Design of Single-Layer Solenoid Air-Core Inductors for High Frequency Applications” (invited paper) Proceedings 40th Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS ‘97), Sacramento CA (USA), August 3-6, 1997, pp. 358-361

3.           G. Grandi, M. K. Kazimierczuck, A. Massarini, U. Reggiani “High-Frequency Small-Signal Model of Ferrite Core Inductors” IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 35, No. 5, September 1999, pp.4185-4191

4.        G. Grandi, M. K. Kazimierczuck, A. Massarini, U. Reggiani “Stray Capacitance of Single-Layer Solenoid Air-Core Inductors” IEEE Trans. on Industry Applications,Vol. 35, No. 5. September/October 1999, pp. 1162-1168  

5.        U. Reggiani, G. Grandi, G. Sancineto, M. K. Kazimierczuck, A. Massarini “High-Frequency Behavior of Laminated Iron-Core Inductors for Filtering Applications” Proceedings of Fifteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC 2000), New Orleans (USA), February 6-10, 2000, Vol. 2, pp. 654-660

6.        U. Reggiani, G. Grandi, G. Sancineto, G. Serra “Comparison Between Air-Core and Laminated Iron-Core Inductors in Filtering Applications for Switching Converters” Proccedings VII IEEE International Power Electronics Congress (CIEP 2000), Acapulco, Mexico, October 15-19, 2000, pp. 9-14

7.        G. Grandi, A. Massarini, U. Reggiani, G. Sancineto “Laminated Iron-Core Inductor Model for Time-Domain Analysis” in Proceedings 4^th IEEE Power Electronics and Drive Systems Conference (PEDS 2001), October 22–25, 2001, Bali, 2001, Vol. 2, pp. 680-686

8.      G. Grandi, D. Casadei, U. Reggiani, “Equivalent Circuit of Mush Wound AC Windings for High Frequency Analysis” Proceedings IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE’97), Guimaraes (Portugal), July 7-11, 1997, Vol. 1, pp. SS201-SS206

9.      G. Grandi, D. Casadei, A. Massarini “High Frequency Lumped Parameter Model for AC Motor Winding” Proceedings European Conference on Power Electronics and Applications, (EPE’97), Throndhein (Norway), September 8-10,1997

10.     G. Grandi, U. Reggiani, C. Rossi, G. Sancineto “High-Frequency Behavior of Three-Phase Induction Motor Windings” Proceedings 4^th International Symposium ElectroMotion (EM 2001), Bologna (Italy) June 19-20, 2001,Vol. 2, pp. 493-497