1. Modeling of capacitance of magnetic element for high frequency and insulation class
- Author
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Chagas, Natalia Braun, Marchesan, Tiago Bandeira, Filho, Ály Ferreira Flores, Heldwein, Marcelo Lobo, Prado, Ricardo Nederson do, and Cardoso Junior, Ghendy
- Subjects
Elemento finito ,Solid state transformer ,Finite elements ,Smart grids ,ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA [CNPQ] ,Redes inteligentes ,Transformador de estado sólido ,Insulation class ,Classe de isolação - Abstract
This PhD thesis presents the development of models of magnetic elements for high frequency and insulation classes. Currently, there is an increasing demand for implementation of such elements as the power electronics has innovated with the development of technologies capable of operating under such conditions, high frequency and voltage. Different applications such as smart grids, distributed generation connection and solid-state transformers boost research in this area. The main motivation of this study is to develop a model to emulate the magnetic element, both for electrical insulation design as to verify the interaction of the element with the electronic circuit in which it is inserted. The model was based on the techno-scientific literature dedicated to power transformers, which have high insulation classes, but do not operate at high frequency. A new method is proposed for calculating the value of the parasitic capacitance between conductors of circular cross-section. Design techniques with the objective of reducing the self-capacitance, or parasitic capacitance, are presented. Comparisons between experimental results and simulations of the proposed model are presented, proving its effectiveness. The proposed model is further expanded and applied if insulation material is required between the layers of the coils to raise its electrical insulation. In the same way, experimental tests are performed to prove the conclusions presented for this modeling. Essa Tese de Doutorado apresenta o desenvolvimento de modelos para elementos magnéticos para elevadas frequências e classes de isolação. Atualmente, há uma crescente demanda de aplicação destes elementos uma vez que a eletrônica de potência tem sido inovada com o surgimento de tecnologias capazes de operar sob estas condições, elevada frequência e tensão. Diferentes aplicações como redes inteligentes, conexão de gerações distribuídas e transformadores de estado sólido impulsionam as pesquisas nestas áreas. A principal motivação deste estudo é o desenvolvimento de um modelo capaz de emular o elemento magnético, tanto para o projeto de isolação elétrica como para verificar a interação do elemento com o circuito eletrônico no qual está inserido. O modelo proposto foi baseado na literatura tecno-científica dedicada a transformadores de potência, que apresentam elevadas classes de isolação, porém não operam em elevada frequência. É proposto um novo método para o cálculo do valor da capacitância parasita entre condutores de secção transversal circular. Técnicas de projeto com o objetivo de redução da auto capacitância, ou capacitância parasita, são apresentadas. São apresentadas comparações entre resultados experimentais e simulações do modelo proposto comprovando a eficácia do mesmo. O modelo proposto é ainda expandido e aplicado para o caso de material isolador ser necessário entre as camadas das bobinas para elevar o isolamento elétrico das mesmas. Da mesma forma, são realizados testes experimentais para comprovar as conclusões apresentadas para esta modelagem.
- Published
- 2018