The continuously increasing demand for clean renewable energy has rekindled interest in multi-terminal high voltage direct current (HVDC) grids. Although such grids have several advantages and a great potential, their materialization has been thwarted due to the absence of HVDC breakers. In comparison with traditional alternating current (AC) breakers, they should operate and interrupt fault currents in a time frame of a few milliseconds. The aim of this thesis is focused on the design of ultra-fast electro-mechanical actuator systems suitable for such HVDC breakers.Initially, holistic multi-physics and hybrid models with different levels of complexity and computation time were developed to simulate the entire switch. These models were validated by laboratory experiments. Following a generalized analysis, in depth investigations involving simulations complemented with experiments were carried out on two of the sub-components of the switch: the ultra-fast actuator and the damper. The actuator efficiency, final speed, peak current, and maximum force were explored for different design data.The results show that models with different levels of complexity should be used to model the entire switch based on the magnitude of the impulsive forces. Deformations in the form of bending or elongation may deteriorate the efficiency of the actuator losing as much as 35%. If that cannot be avoided, then the developed first order hybrid model should be used since it can simulate the behavior of the mechanical switch with a very good accuracy. Otherwise, a model comprising of an electric circuit coupled to an electromagnetic FEM model with a simple mechanics model, is sufficient.It has been shown that using a housing made of magnetic material such as Permedyn, can boost the efficiency of an actuator by as much as 80%. In light of further optimizing the ultra-fast actuator, a robust optimization algorithm was developed and parallelized. In total, 20520 FEM models were computed successfully for a total simulation time of 7 weeks. One output from this optimization was that a capacitance of 2 mF, a charging voltage of 1100 V and 40 turns yields the highest efficiency (15%) if the desired velocity is between 10 m/s and 12 m/s.The performed studies on the passive magnetic damper showed that the Halbach arrangement gives a damping force that is two and a half times larger than oppositely oriented axially magnetized magnets. Furthermore, the 2D optimization model showed that a copper thickness of 1.5 mm and an iron tube that is 2 mm thick is the optimum damper configuration. / <p>QC 20150422</p>

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας εναλλακτικής μεθόδου μη καταστροφικού ελέγχου (ΜΚΕ) για αγώγιμα υλικά, που συνδυάζει την ηλεκτρομαγνητική διέγερση - επαγωγική θέρμανση του υλικού και επιθεώρηση με μεταβατική υπέρυθρη θερμογραφία. Με ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο επάγονται δινορρεύματα εντός του εξεταζόμενου δοκιμίου. Η θερμότητα που παράγεται από τα δινορρεύματα, δημιουργεί θερμοκρασιακές διαφορές οι οποίες τείνουν να εξομαλυνθούν μέσω της θερμικής αγωγής. Κάποια ατέλεια στη δομή του υλικού, όπως είναι μια ρωγμή, θα επηρεάσει άμεσα ή έμμεσα τη ροή της θερμότητας και κατ’ επέκταση τη θερμοκρασιακή κατανομή στην επιφάνεια του υλικού. Χρησιμοποιώντας την υπέρυθρη θερμογραφία μπορούμε να απεικονίσουμε σε δύο διαστάσεις τη θερμοκρασιακή κατανομή της επιφάνειας του επιθεωρούμενου δοκιμίου και να εντοπίσουμε την ατέλεια αυτή. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση της αποτελεσματικότητας και της αξιοπιστίας της ηλεκτρομαγνητοθερμικής μεθόδου ως μεθόδου ΜΚΕ σε αγώγιμα υλικά. Αφού πραγματοποιηθεί αναλυτική περιγραφή του μοντέλου με το οποίο προσεγγίζονται τα ηλεκτρομαγνητικά - θερμικά φαινόμενα της ηλεκτρομαγνητικής διέγερσης - επαγωγικής θέρμανσης αγώγιμων υλικών, αναπτύσσεται υπολογιστικός κώδικας για την υλοποίηση του μοντέλου. Με τη χρήση του υπολογιστικού προγράμματος διερευνάται η σημασία και η σπουδαιότητα ενός μεγάλου πλήθους παραμέτρων που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της ηλεκτρομαγνητοθερμικής μεθόδου με απώτερο στόχο τη βελτιστοποίηση της. Στη συνέχεια ακολουθεί πειραματική επαλήθευση των αριθμητικών αποτελεσμάτων, όπου και αποδεικνύεται η αξιοπιστία των υπολογιστικών μοντέλων που χρησιμοποιήσαμε κατά την αριθμητική διερεύνηση της μεθόδου. Κατ’ αυτόν τον τρόπο επαληθεύεται η αποτελεσματικότητα της μεθόδου στον ΜΚΕ έλεγχο αγώγιμων υλικών. Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι η ηλεκτρομαγνητοθερμική μέθοδος αποτελεί μια αξιόπιστη μέθοδο για τον ΜΚΕ αγώγιμων υλικών. Απομένει πλέον να διερευνηθούν οι δυνατότητες της μεθόδου στο έπακρο, ώστε να αναδειχθεί το εύρος των εφαρμογών αυτής και να χρησιμοποιηθεί ενδεχομένως σε περιπτώσεις όπου μέχρι σήμερα κυριαρχούν άλλες διαγνωστικές μέθοδοι. / The subject matter of the present dissertation is the development of an alternative method for non-destructive inspection of conducting materials, which combines electromagnetic excitation – thermal conduction and inspection with transient infrared thermography. A time-varying magnetic field is used to induce eddy currents inside the conducting material under inspection. The Ohmic power generated in the material by the eddy currents creates temperature gradients which tend to be ironed out through thermal conduction. A defect in the material structure, such as a cracking, will affect the heat flow either directly or indirectly and hence the temperature distribution at the surface of the material. By employing infrared thermography, it is then possible to visualize in two-dimensional the temperature distribution over the excited surface of the tested specimen and detect the defect. The present dissertation focuses on computational and experimental investigation of the effectiveness and reliability of electromagnetic-thermal method as a method for non destructive inspection of conductive materials. After have been made a detailed description of the model which describes the electromagnetic-thermal phenomena of electromagnetic excitation - induction heating in conductive materials, it was developed a computer program based on the above model. Using the computer program we investigated the significance and the importance of a large number of parameters affecting the effectiveness of electromagnetic-thermal method, with a view to optimize the method. The experimental verification of numerical results, indicate the reliability of computational model used in the numerical investigation of the method and verifies the method’s effectiveness for non destructive inspection of conducting materials. The general conclusion is that the electromagnetic - thermal method is a reliable method for non destructive inspection of conductive materials. It remains the full potentials of the method to be investigated, in order to extend the range of applications and use the method in cases where today dominate other diagnostic methods.

Rapporten behandlar simuleringar, beräkningar och mätningar av HVAC-kablar. En genomgång presenteras av kabelteori samt de olika magnetiska och elektriska effekterna som påverkar skärmströmmarnas storlek. / This report comprises simulations, calculations and measurements of HVAC cables. An introduction to cable theory and a review of the different magnetic and electric effects that has an impact on the amplitude of the screen currents in these cables.

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JULIA GRASIELA BUSARELLO WOLFF.pdf: 4663430 bytes, checksum: 6c78e4867094b8623e5a0412abf9b544 (MD5) Previous issue date: 2011-08-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Magnetic induction tomography is a developing technique for visualization of electromagnetic properties of an object. It differs from others imaging techniques from electromagnetic signals because it is a noninvasive and contactless method whose main purpose is to obtain the distribution of conductivity in objects, which has important applications in industry and medicine. This master s degree dissertation discusses the development of the impedance method in three dimensions and its use in a modeling system of magnetic induction tomography. This method allows the calculation of induced currents in an object from an applied magnetic field, using valid approximations for quasi-static conditions of operation, which allows the modeling of the medium by a three-dimensional network of impedances. Thus, the impedance method was used for the calculation of eddy currents while the primary and secondary fields were calculated using the Biot-Savart Law. A simulation program in the C language has been developed to obtain the current and field distributions and calculate the sensitivity matrix of the system. The simulation has been compared with analytical models and experimental results. Two methods have been used to obtain images of the conductivity distribution from the simulated values of phase variation in signals from sensors in the tomograph: Tikhonov regularization and an original method proposed in this study called successive approximations. The methods are discussed and their results compared. It has been found that both underestimate the conductivity value, but they provide images with good linear correlation with respect to the real object. The successive approximations method has slightly better performance. / A Tomografia de Indução Magnética é uma técnica em desenvolvimento para a visualização das propriedades eletromagnéticas de um objeto. Difere de outras técnicas de produção de imagens a partir de sinais eletromagnéticos por se tratar de um método não invasivo e sem contato cuja sua finalidade principal é a obtenção da distribuição de condutividade em objetos, o que encontra aplicações importantes na indústria e na medicina. Essa dissertação aborda o desenvolvimento do método das impedâncias em três dimensões e o seu uso na modelagem de um sistema de tomografia de indução magnética. Este método permite o cálculo de correntes induzidas em um objeto a partir de um campo magnético aplicado, usando aproximações válidas para as condições quaseestáticas de operação, o que permite a modelagem do meio por uma rede tridimensional de impedâncias. Assim, o método das impedâncias foi utilizado para o cálculo das correntes eddy enquanto que os campos primário e secundário foram calculados usando a lei de Biot-Savart. Um programa em linguagem C foi desenvolvido para realizar as simulações, obter as distribuições de corrente e campos e calcular a matriz de sensibilidade do sistema. Os resultados das simulações foram confrontados com modelos analíticos e com resultados experimentais. Dois métodos foram usados para obter imagens da distribuição de condutividade a partir de valores simulados da variação de fase nos sinais obtidos nos sensores do tomógrafo: a regularização de Tikhonov e um método original proposto neste estudo denominado aproximações sucessivas. Os métodos são discutidos e seus resultados comparados. Verificou-se que ambos subestimam o valor da condutividade, mas fornecem imagens com boa correlação linear em relação ao objeto real. O método de aproximações sucessivas apresenta desempenho levemente superior.

La machine à réluctance variable peut être utilisée dans les véhicules électriques où pour des considérations d’autonomie, le rendement est crucial. En raison du fort champ de fuite dans la région de l’entrefer de la machine à réluctance variable due à sa géométrie particulière à pôles saillants, les pertes « cuivre » peuvent devenir conséquentes. Il est alors recommandé de ne pas placer les conducteurs au voisinage de l’entrefer. Cependant, des instructions concrètes pour la conception d’un enroulement optimal sont manquantes. Généralement, les pertes « cuivre » dans les machines électriques sont la somme des pertes Ohm DC classiques et des pertes additionnelles dites par courants de Foucault. Les pertes DC étant constantes à un point de fonctionnement donné, l’optimisation est axée alors sur la réduction des pertes par courants de Foucault en jouant sur la configuration géométrique de l’enroulement. Dans le cas de calculs répétitifs fastidieux, rencontrés par exemple lors des processus de conception et d’optimisation du bobinage des machines électriques, il y a un intérêt significatif à réduire le temps de calcul. Dans ce travail, on présente trois techniques de réduction du modèle et leurs applications dans les analyses par la méthode des éléments finis. Outre l’influence de la fréquence d’alimentation et de la section du conducteur, plusieurs facteurs liés à la configuration de l’enroulement influent sur les pertes additionnelles par courants de Foucault :i) la position du conducteur dans l’encoche au voisinage de la dent du stator ou de la zone de l’entrefer .ii) la disposition des conducteurs envers les lignes du champ magnétique bidimensionnelles de l’encoche .iii) l’utilisation d’un conducteur massif ou multi filamentaire; les filaments sont connectés en parallèle et peuvent permuter leurs positions périodiquement au sein du conducteur tout au long du bobinage. Dans cette thèse, on étudie principalement l’influence de la disposition géométrique des spires dans l’encoche et du type du conducteur utilisé s’il s’agit d’un conducteur massif, en fils de Litz ou en fils torsadés. Les pertes par courants de Foucault sont la conséquence d’un couplage fort électrique-magnétique entre la densité du courant et la variation en fonction du temps du champ magnétique. En utilisant le modèle de Maxwell, ce couplage est décrit par une équation différentielle à dérivée partielle qui ne peut être résolue simplement. La résolution de cette équation utilisant l’approche analytique n’est possible que sous certaines hypothèses simplificatrices qui peuvent dégrader la fiabilité de la solution. La modélisation par la méthode des éléments finis permet quant à elle de prendre en compte le mouvement du rotor et la non-linéarité du circuit magnétique garantissant ainsi une meilleure précision. Néanmoins, cela conduit à une large capacité de stockage et à un temps de calcul substantiel qui peut entraver tout processus de conception ou d’optimisation. Pour surmonter ce problème, on propose dans ce manuscrit trois techniques de réduction du modèle. Ces techniques assurent une réduction efficace de la taille du système matriciel associé à la modélisation par la méthode des éléments finis et diminuent par conséquent le temps de calcul : i) une réduction spatiale qui évite une modélisation en 3D des conducteurs complexes en fils torsadés et en fils de Litz et propose une modélisation 2D satisfaisante .ii) la technique de la perturbation. iii) la réduction de l’ordre du modèle utilisant la méthode de la décomposition orthogonale aux valeurs propres combinée à la méthode d’interpolation empirique discrète. La comparaison du modèle réduit à un modèle complet de référence montre l’efficacité de la réduction du modèle à réduire le temps de calcul tout en restant en deçà d’une erreur de précision acceptable. / The switched reluctance machine can be used in hybrid or electric vehicle where, for autonomy considerations, energy efficiency is crucial. Because of the strong stray field in the air-gap region of the switched reluctance machine due to its salient pole geometry, the copper losses can become substantial. It is firmly recommended therefore not to place the coil conductors near the air-gap region. Nevertheless, concrete instructions for optimal winding design are missing. The copper losses in electrical machines are subdivided into classical DC ohmic losses and additional eddy current losses occurring due to the time varying magnetic fields penetrating the copper conductors. Based on the fact that the DC losses are constant at a given operating point, the optimization is focused on reducing the eddy current losses by modifying the winding geometry configuration. In the case of tedious repetitive calculations, met for example during design and optimization processes of electrical machine windings, there is a significant interest in reducing the computation time. This work suggests three model reduction techniques and their applications in the finite element analyses.Besides the frequency of the excitation current and the cross section of the coil conductors, several factors related to the winding configuration can affect the addition al eddy current losses:i) the coil conductor position in the winding slot especially near the stator pole or close to the air gapii) the disposition of the coil conductor against the two-dimensional flux lines in the slot windingiii) the subdivision of the solid conductor into multiple parallel strands swapping their positions periodically in the conductor cross section throughout the length of the machine winding.This thesis mainly studies the influence of the geometric coils disposition in the slot windings and the type of the conductor used whether it is solid or stranded, with Litz or twisted wires.The eddy current losses exit through the strong electro-magnetic coupling between the electric current density and the time dependent magnetic flux lines penetrating the conductors; it is described mathematically by a partial differential equation that cannot be solved easily. The analytical approach, which is used practically for a quick resolution of the strong electro-magnetic coupling equation, is only possible under certain simplifying assumptions that deteriorate brutally the reliability of the copper losses calculation. The finite element modeling as for it, allows taking into account the rotor motion and the non-linear behavior of the magnetic circuit, thus ensuring a higher accuracy. However, it leads under these conditions to a substantial calculation time and requires large storage capacity. These constraints are critical and may hinder therefore any process of conception or optimization. In this thesis, we suggest three different model reduction techniques that can be effective in reducing the size of large scale complete finite element models and enable therefore to shorten the computational time:i) the spatial reduction avoiding the 3D modeling which seems required in the case of twisted and Litz wires and suggesting an alternative satisfactory 2D modeling.ii) the perturbation technique.iii) the model order reduction using the proper orthogonal decomposition combined with the discrete empirical interpolation method.The comparison between the reduced model solutions to that of the complete finite element model has proved the effectiveness of the proposed model reduction techniques; they allow shrinking the required computational time while staying below an acceptable error of accuracy.

This master thesis deals with the estimation of magnet losses in a Permanent Magnet(PM) motor inserted in a nut-runner. This type of machine has interesting featuressuch as being slot-less and running at a very high speed (30000 rpm). An extensiveliterature review was performed in order to investigate the state of the art in estimationof the losses in magnets of a PM machine. Analytical models to calculate the no-loadback-emf and the magnetic ux density in the air-gap due to the currents in the statorare presented rst. Furthermore, several of the analytical models for calculating lossesin magnets described in the literature were tested and adapted to the case of a slotlessmachine with a parallel-magnetized ring. Then, a numerical estimation of thelosses with nite element method (FEM) 2D was carried out. In addition, a detailedinvestigation of the eect of simulation settings (e.g., mesh size, time-step, remanentmagnetic ux density in the magnet, superposition of the losses, etc.) was performed.Finally, calculation of losses with 3D FEM are also included in order to compare thecalculated losses with both analytical and FEM 2D results. The estimation of thelosses includes the variation of these with frequency for a range of frequencies between10 and 100 kHz. / Detta examensarbete handlar om uppskattningen av magnetforluster i en permanentmagnetmotor (PM) inford i en mutterdragare. Denna typ av maskin har intressantafunktioner, som att den ar slot-less och att den kors i en hog hastighet (30000rpm). En omfattande litteraturstudie utfordes for att kunna uppskatta forluster imagneterna pa basta satt. Forst presenteras analytiska modeller for att berakna denelektromotoriska kraften (EMK) och den magnetiska odestatheten i luftgapet somuppkommer pa grund av strommarna i statorn. Dessutom har era av de analytiskamodellerna for berakning av forlusterna som beskrivits i litteraturen testats och anpassatstill en slot-less maskin med en parallelmagnetiserad ring. En numerisk uppskattningav forlusterna har sedan utforts med hjalp av nita elementmetoden (FEM) 2D.Dartill har en detaljerad undersokning genomforts hur olika parameterinstallningarpaverka utfallet. De FEM parametrar som har undersokts har bland annat bestattav berakningsnatets storlek, tidssteg, remanens odestatheten i magneten och om superpositionav forlusterna galler. Till sist har berakningar for forluster med 3D FEMutforts och jamforts med resultaten for bade de analytiska och FEM 2D resultaten.Uppskattning av forluster innefattar variationen av dessa med ett frekvensomrade mellan10 och 100 kHz.

No description available.

Αναπτύσσεται ένα πλήρες δυναμικό μοντέλο μετασχηματιστή που λαμβάνει υπόψη τη γεωμετρία του πυρήνα και τη συνδεσμολογία των τυλιγμάτων. Το μοντέλο μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί στις καταστατικές εξισώσεις ενός συστήματος ισχύος με σκοπό τη μελέτη της δυναμικής του απόκρισης και τον υπολογισμό ανωτέρων αρμονικών. Ο βρόχος υστέρησης του υλικού του πυρήνα εισάγεται με το μοντέλο που: (α) προτείνει ο Tellinen και (β) προτείνουν οι Jiles και Atherton. Τα μοντέλα αυτά υπολογίζουν σωστά τις απώλειες υστέρησης του πυρήνα, επιτρέποντας στα διάφορα τμήματα του πυρήνα να διαγράφουν διαφορετικούς βρόχους. Η επίδραση των δινορευμάτων ενσωματώνεται στο μοντέλο με μη γραμμικές ωμικές αντιστάσεις για τον υπολογισμό των οποίων αξιοποιούνται οι σχετικές με τα δινορεύματα, ευρέως αποδεκτές, εργασίες του Bertotti. Ο πίνακας Ld των αυξητικών επαγωγών του μετασχηματιστή υπολογίζεται για οποιαδήποτε γεωμετρία πυρήνα και αριθμό τυλιγμάτων με την βοήθεια του Ισοδυνάμου Αυξητικού Κυκλώματος (ΙΑΚ) του πυρήνα. Ο αναλυτικός υπολογισμός των στοιχείων του πίνακα Ld αναδεικνύει τον τρόπο εξάρτησης των αυξητικών επαγωγών του μετασχηματιστή από τη γεωμετρία του πυρήνα και από τη χαρακτηριστική καμπύλη του υλικού. / A dynamic and complete transformer model is developed which takes into account the magnetic core geometry and the windings connections. This model can easily be incorporated with the state equations of a power system, in order to calculate its dynamic response and the harmonic content. The magnetic hysteresis of the core material is introduced the model that is proposed by: (a) Tellinen and (b) Jiles and Atherton. These models can estimate the hysteresis power losses even when the hysteresis loops into several parts of the core differ. The eddy currents effects are incorporated into the model by non-linear ohmic resistances which are based on Bertotti’s work for the eddy currents. The matrix Ld of the incremental inductances of the windings is calculated, for any possible core geometry and number of windings, using the Equivalent Incremental Circuit (EIC) of the core. The analytical calculation of the elements of the matrix Ld shows the dependency of the incremental inductances on the core geometry and the characteristic curve of the core material.

Οι μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών μικρής και μεγάλης ισχύος. Στην πλειονότητά τους οι μετατροπείς αυτοί περιλαμβάνουν μαγνητικά στοιχεία (μετασχηματιστές – πηνία), οι απώλειες ισχύος των οποίων καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση της εκάστοτε διάταξης. Είναι λοιπόν μεγάλης σημασίας η ανάπτυξη θεωρητικών μοντέλων, αλλά και πειραματικών μεθόδων, για τον ακριβή προσδιορισμό των απωλειών των μαγνητικών στοιχείων, ώστε να είναι εφικτός ο βέλτιστος σχεδιασμός τους, με τελικό πάντα στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας. Οι στόχοι της διατριβής κινούνται σε δύο βασικούς άξονες: α) Να γίνει διερεύνηση των φαινομένων που επηρεάζουν τις απώλειες χαλκού σε τυλίγματα που αποτελούνται από στρώσεις αγωγών, αλλά και να αναπτυχθεί ένα μοντέλο για τον υπολογισμό των απωλειών χαλκού σε τυλίγματα αγωγών κυκλικής διατομής με τυχαία κατανομή αυτών στο διαθέσιμο χώρο. β) Να γίνει ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας λήψης πειραματικών μετρήσεων σε μαγνητικά στοιχεία μέσα από τη διερεύνηση των διαφόρων παραγόντων πειραματικών σφαλμάτων και τη σχεδίαση μετατροπέα συντονισμού κατάλληλου για τη διέγερση μαγνητικών στοιχείων με ημιτονοειδή τάση υψηλής συχνότητας. Στο πρώτο μέρος της διατριβής (κεφάλαια Κεφ. 1, Κεφ. 2 και Κεφ. 3) γίνεται μια γενική περιγραφή των φυσικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στα μαγνητικά στοιχεία όταν αυτά διαρρέονται από ρεύμα περιοδικά μεταβαλλόμενο στο χρόνο, τα φαινόμενα δηλαδή της μαγνητικής υστέρησης και της ανάπτυξης δινορρευμάτων στο μαγνητικό υλικό του πυρήνα και τα φαινόμενα επιδερμικό και γειτνίασης, που οφείλονται στην ανάπτυξη δινορρευμάτων στα τυλίγματα. Επίσης, γίνεται παράθεση και αξιολόγηση των σπουδαιότερων ως τώρα θεωρητικών εργασιών που πραγματεύονται τα παραπάνω φαινόμενα και χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των απωλειών που σχετίζονται με αυτά. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, (κεφάλαια Κεφ. 4 και Κεφ. 5) πρώτα γίνεται η παράθεση των τριών κλασικών μοντέλων για τον υπολογισμό των απωλειών χαλκού σε τυλίγματα που απαρτίζονται από στρώσεις και με τη βοήθεια λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων διερευνάται η ακρίβεια και το πεδίο εφαρμογής καθενός εξ’ αυτών. Προκύπτει πως το μοντέλο του Dowell δίνει σαφώς πιο ακριβή αποτελέσματα και πως οι αποκλίσεις των μοντέλων από τα πραγματικά (σύμφωνα με τις προσομοιώσεις) αποτελέσματα οφείλεται στην αδυναμίας τους να λάβουν σωστά υπόψη τη δισδιάστατη ανάπτυξη του μαγνητικού πεδίου και τις πυκνότητας ρεύματος όταν αυξάνεται η συχνότητα ή όταν μειώνεται ο παράγοντας πλήρωσης χαλκού. Διερευνάται το φαινόμενο παρυφής σε τυλίγματα στρώσεων που αποτελούνται είτε από αγωγούς κυκλικής διατομής είτε από φύλλα χαλκού και περιγράφεται ποσοτικά και ποιοτικά η επίδρασή του στην τιμή της ενεργού αντίστασης, η οποία προκύπτει πως εμφανίζεται αυξημένη μόνο σε συχνότητες περί τη βασική αρμονική του ρεύματος. Μελετάται επίσης η γεωμετρική ανάπτυξη του φαινομένου στο χώρο του τυλίγματος και διαπιστώνεται η γενικά επιφανειακή του επίδραση που ελαχιστοποιεί την πιθανή εμφάνιση τοπικής υπερθέρμανσης. Ακόμη, για τυλίγματα στρώσεων με αγωγούς κυκλικής διατομής, αναλύεται η διαφοροποίηση στην τιμή της ενεργού αντίστασης μεταξύ των περιπτώσεων της τετραγωνικής και της εξαγωνικής διάταξης των αγωγών και αναδεικνύεται η μείωσή της στη δεύτερη περίπτωση. Ακολούθως αναπτύσσεται ένα νέο μοντέλο για τον υπολογισμό των απωλειών χαλκού σε τυλίγματα αγωγών κυκλικής διατομής που έχουν τοποθετηθεί στο παράθυρο του μαγνητικού στοιχείου με τυχαίο τρόπο, πράγμα το οποίο αποτελεί μια κοινότυπη σχεδιαστική πρακτική. Για τη διατύπωση της νέας έκφρασης χρησιμοποιούνται τα αριθμητικά αποτελέσματα πληθώρας προσομοιώσεων που έγιναν με το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων και αναζητείται η κατάλληλη εξίσωση περιγραφής τους. Η αναζήτηση αυτή στηρίζονται σε μεθόδους ελαχιστοποίησης του σφάλματος, που εδώ εφαρμόζονται με τη βοήθεια κατάλληλων λογισμικών. Η εξίσωση που τελικά προκύπτει είναι απλή και περιέχει μόνο τρεις εύκολα προσδιορίσιμες παραμέτρους σχετιζόμενες άμεσα με γνωστές κατασκευαστικές παραμέτρους. Δείχνεται πως η νέα έκφραση μπορεί να εφαρμοστεί και στην περίπτωση πολύκλωνου αγωγού και διερευνάται ως προς την ευαισθησία της σε σφάλματα μέτρησης κατά τον προσδιορισμό του πάχους του τυλίγματος, ενώ επίσης προτείνεται μια απλούστερη προσεγγιστική έκφραση για τις χαμηλές συχνότητες. Τέλος, η ισχύς της νέας έκφρασης επαληθεύεται με τη βοήθεια πειραματικών μετρήσεων. Η πρώτη εργασία που παρουσιάζεται στο τρίτο μέρος της διατριβής (κεφάλαια Κεφ. 6 και Κεφ. 7) είναι η σχεδίαση και κατασκευή ενός μετατροπέα συντονισμού κατάλληλου για την τροφοδότηση μαγνητικών στοιχείων με καθαρά ημιτονοειδή τάση υψηλής συχνότητας (ως και 1MHz) και πλάτους αρκετών εκατοντάδων Volt, σε επίπεδα ισχύος αρκετών δεκάδων Watt, για την πραγματοποίηση μετρήσεων σε αυτά. Η θεωρητική και πειραματική διερεύνηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη λειτουργία του μετατροπέα αναδεικνύει την αλληλένδετη σημασία των σχεδιαστικών επιλογών τόσο στο κύκλωμα ισχύος όσο και στο ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου και οδηγεί στην κατάλληλη διαστασιολόγηση των στοιχείων που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα δύο κυκλώματα έτσι ώστε να γίνει εφικτή η διεύρυνση του φάσματος συχνοτήτων λειτουργίας του μετατροπέα, η ελαχιστοποίηση του αρμονικού περιεχομένου και η μεγιστοποίηση του πλάτους της τάσης εξόδου. Στη συνέχεια περιγράφονται μέθοδοι μετρήσεων των απωλειών μαγνητικών στοιχείων και λήψης του βρόχου υστέρησης του μαγνητικού υλικού των πυρήνων τους. Αναλύονται οι διάφοροι παράγοντες σφάλματος και γίνονται μετρήσεις τόσο για τον προσδιορισμό των ειδικών απωλειών φερρίτη όσο και για τη λήψη του βρόχου υστέρησης φερριτών σε διάφορες συχνότητες. Προτείνονται μεθοδολογίες διόρθωσης του αποτελέσματος για τις απώλειες υστέρησης, όπως αυτές προκύπτουν από το εμβαδόν του μετρούμενου βρόχου υστέρησης, όταν υπάρχει γνωστό σφάλμα φάσης κατά τη λήψη της κυματομορφών της μαγνητικής έντασης και της μαγνητικής επαγωγής. Τέλος, εξηγείται η μείωση στις υψηλές συχνότητες της ενεργού αντίστασης των τυλιγμάτων όταν αυξάνεται η θερμοκρασία και δίνονται κάποια ενδεικτικά γραφικά παραδείγματα για τη σχετική διόρθωση για τυπικές αυξήσεις της θερμοκρασίας σε μαγνητικά στοιχεία. / Power electronics converters are used in a wide range of both low and high power applications. Most of these converters include magnetic components (transformers – inductors), the power losses of which determine in a major degree their efficiency. It is therefore very important to the power electronics converter designers to have available the proper theoretical models and experimental methods for the accurate determination of the magnetic component losses in order to make optimum design choices and achieve an effective energy saving. The present work has a twofold goal: a) To investigate the phenomena affecting the copper losses in windings that consist of conductor layers and to develop a new model for the calculation of copper losses in round cross section conductor windings with random distribution of these conductors in the available core window area. b) To develop a complete methodology of making experimental measurements on magnetics components, through the investigation of the several measurement error factors and to design a resonant converter suitable for the excitation of magnetic components with high frequency sinusoidal voltage. In the first part of this thesis (chapters Ch. 1, Ch. 2 and Ch. 3) there is a general description of the physical phenomena that take place in magnetic components when a periodically time variable current flows through them, i.e. magnetic hysteresis and eddy currents at the magnetic core material and skin as well as proximity effect at the windings, which are due to the development of eddy currents in them. Moreover, there is an overview citation and critical review of the most important by now theoretical works on these issues which are also widely used for the calculation of the losses related to them. In the second part of this thesis (chapters Ch. 4 and Ch.5) there is at first a short review of the three classic models for the calculation of copper losses in windings made of layers and then a finite element software is utilized for the investigation of the accuracy and field of application of each of them. It is shown that Dowell’s model is much more accurate and that the declination of the models from the real (according to simulations) results are due to their inherent inability to properly take into account the two-dimensional distribution of the magnetic field and the current density when the frequency increases or when the filling factor value decreases. The edge effect in layered windings with either round cross section or foil conductors is investigated and a qualitative as well as quantitative description of its effect on the effective resistance is given, showing that there can be an increase in it only at frequencies close to the fundamental frequency of the current waveform. There is also a study about the geometrical extent of the edge effect in the winding volume and it is concluded that the winding is generally affected only on its outer parts, a fact that minimizes the possibility for a hot spot to appear. Moreover, for layered windings with round cross section conductors, a study is carried out about the difference in the effective resistance between the cases of square and hexagonal fit schemes and it is shown that in the second case there can be an appreciable power loss reduction. Following this work, is the development of a new model for the calculation of copper losses in round cross section conductor windings with the several turns placed with a random manner in the available core window area, which is a common design choice. For the extraction of the new expression a computer aided curve fitting process has been applied on a large amount of numerical data coming from finite element simulations. The final equation of the model is simple and incorporates only three easily determinable parameters, directly related to known constructive parameters. It is shown that the new expression can also be applied in the case of stranded wire windings. Its sensitivity to the winding height measurement errors is investigated and a low frequency approximation is proposed. At last, the new expression is validated with experimental measurements. The first work presented in the third part of this thesis (chapters Ch. 6 and Ch. 7) is the design and construction of a resonant converter suitable for the excitation of magnetic components with a clearly sinusoidal voltage of high frequency (up to 1MHz) and amplitude of several hundreds volts, at several tenths of Watts power level, for the implementation of experimental measurements. The theoretical and experimental investigation of the factors affecting the converter performance reveals the interrelated importance of the design choices in the resonant tank and the electronic control board and leads to the proper component selection in both these circuits so as to expand the operating frequency range, minimize the harmonic distortion and maximize the amplitude of the output voltage. Following that, there is a description of the methods available to measure the power losses of magnetic components and acquire the hysteresis loop of their magnetic cores. The several error factors are analyzed and measurements are taken in order to determine the power losses and monitor the hysteresis loop of ferrite materials at several frequencies. Some methods are proposed for the correction of the measured hysteresis losses, if these are determined from area of the hysteresis loop, in the case of a known phase error when recording magnetic intensity or magnetic induction. At last, the reduction with temperature of ohmic resistance at high frequencies is explained and some indicative graphical examples are given for the correction in its calculated value for some typical magnetic component temperature rise values.

Wound Field Synchronous Generators provide more than 95% of the electricity need worldwide. Their primacy in electricity production is due to ease of voltage regulation, performed by simply adjusting the direct current intensity in their rotor winding. Nevertheless, the rapid progress of power electronics devices enables new possibilities for alternating current add-ins in a more than a century long DC dominated technology. Damping the rotor oscillations with less energy loss than before, reducing the wear of the bearings by actively compensating for the mechanic unbalance of the rotating parts, speeding up the generator with no need for additional means, these are just few of the new applications which imply partial or total alternated current supplying of the rotor winding. This thesis explores what happens in a winding traditionally designed for the direct current supply when an alternated current is injected into it by an inverter. The research focuses on wound field salient pole synchronous machines and investigates the changes in the field winding parameters under AC conditions. Particular attention is dedicated to the potentially harmful voltage surges and voltage gradients triggered by voltage-edges with large slew rate. For this study a wide frequency band simplified electromagnetic model of the field winding has been carried out, experimentally determined and validated. Within the specific application of the fast field current control, the research provides some references for the design of the rotor magnetic circuit and of the field winding. Finally the coordination between the power electronics and the field winding properties is addressed, when the current control is done by means of a long cable or busbars, in order to prevent or reduce the ringing.