As a characteristic of magnetic materials, magnetic saturation technology can exhibit an excellent performance in many engineering applications. When the core is unsaturated, the material permeability is generally not a constant value, the magnetization curve presents a large non-linearity, the magnetization and demagnetization are characterized by the hysteresis loop. But after magnetic saturation, the hysteresis differences are not obvious, and the magnetic permeability is close to air permeability while excellent linearity will be reached. Those characteristics are often utilized in the electrical equipments based on magnetic saturation. This thesis first briefly introduced the main basic application of magnetic saturation technology - the development of valve reactors and the research status of large DC current detection solutions. Several models commonly used to describe magnetic saturation and their advantages and disadvantages were analyzed, and then proposes an improved structure of valve reactor and a novel sensor for large DC current detection. This thesis analyzed the problems existing in converter valve reactors, and proposes a control technology for valve reactors based on magnetic saturation. By controlling the saturation of the reactor core, the hysteresis loss and the magnetostrictive is reduced, thus the reactor noise, vibration and over-heating are supressed. Based on the Jiles-Atherton model of magnetic saturation, the valve reactor improvement scheme is demonstrated in principle, simulation and experiment. By designing the prototype experiment and measuring the practical work B-H curve of the core, the feasibility of the technology was verified. In addition, based on the magnetic saturation characteristics, this paper also proposed a new self-oscillating fluxgate scheme and deduced its linear relationship in detail. Through experimental verification, this scheme can be used for low-cost and high-precision detection of large DC currents. For large DC current measurement, the current sensor prototype is also developed based on the new scheme. The sensitivity, linearity, measurement range, resolution, temperature characteristics and repeatability have been detailed discussed. In this thesis, the working flux of converter valve reactor is limited to the saturation region, which achieves the goal of reducing noise, reducing vibration and heat and increasing the switching speed from the source; A compact self-oscillating current sensor for large DC current measurement with a new feedback strategy is proposed. In this novel fluxgate transducer, the excitation, compensation and demodulation are realized by only one winding and one core. Compared with the published feedback approaches, this novel strategy has a more compact structure and can suppress the modulation ripples without additional signal conditioning circuit. The experimental results show that the new sensor achieves 0.5% linearity, mA resolution, and 125 ppm / ° C drift within the ± 50 A and ± 100 A measurement ranges. Although the performance of the proposed sensor is inferior to the latest high-performance products on the market, however, it has reached an advanced level with only one core and one winding configuration.
La saturazione magnetica è una caratteristica dei materiali magnetici e la tecnologia di saturazione magnetica può offrire prestazioni eccellenti in molte applicazioni di ingegneria. Quando il nucleo è insaturo, la permeabilità del materiale non è generalmente un valore costante, la curva di magnetizzazione presenta una grande non-linearità, la magnetizzazione e la smagnetizzazione sono caratterizzate dal ciclo di isteresi; Ma dopo la saturazione magnetica, le differenze di isteresi non sono evidenti e la permeabilità magnetica è vicina alla permeabilità all'aria, mentre si raggiungerà un'eccellente linearità. Queste caratteristiche sono spesso utilizzate nelle apparecchiature elettriche basate sulla saturazione magnetica. Questa tesi ha brevemente introdotto la principale applicazione di base della tecnologia di saturazione magnetica - lo sviluppo di reattori a valvole e lo stato della ricerca di grandi soluzioni di rilevamento di corrente continua. Sono stati analizzati diversi modelli comunemente usati per descrivere la saturazione magnetica e i loro vantaggi e svantaggi, e quindi propone una struttura migliorata del reattore a valvole e un nuovo sensore per il rilevamento di grandi correnti CC. Questa tesi ha analizzato i problemi esistenti nei reattori delle valvole di conversione e propone una tecnologia di controllo per i reattori delle valvole basata sulla saturazione magnetica. Controllando la saturazione del nocciolo del reattore, la perdita di isteresi e la magnetostrittiva si riducono, quindi il rumore del reattore, la vibrazione e il surriscaldamento vengono soppressi. Basato sul modello di saturazione magnetica di Jiles-Atherton, lo schema di miglioramento del reattore della valvola è dimostrato in linea di principio, simulazione ed esperimento. Progettando l'esperimento prototipo e misurando il lavoro pratico curva B-H del nucleo, è stata verificata la fattibilità della tecnologia. Inoltre, sulla base delle caratteristiche di saturazione magnetica, questo documento propone anche un nuovo schema fluxgate auto-oscillante e deduce la sua relazione lineare in dettaglio. Attraverso la verifica sperimentale, questo schema può essere utilizzato per il rilevamento a basso costo e ad alta precisione di grandi correnti CC. Per la misura della corrente continua di grandi dimensioni, il prototipo del sensore corrente viene sviluppato anche in base al nuovo schema. La sensibilità, la linearità, la gamma di misurazione, la risoluzione, le caratteristiche della temperatura e la ripetibilità sono state discusse dettagliatamente. In questo documento, il flusso di lavoro del reattore della valvola del convertitore è limitato alla regione di saturazione, che raggiunge l'obiettivo di ridurre il rumore, ridurre le vibrazioni e il calore e aumentare la velocità di commutazione dalla sorgente; Viene proposto un sensore di corrente auto-oscillante compatto per grandi misure di corrente continua con una nuova strategia di retroazione. In questo romanzo trasduttore fluxgate, l'eccitazione, compensazione e demodulazione sono realizzati da un solo avvolgimento e un nucleo. Rispetto agli approcci di feedback pubblicati, questa nuova strategia ha una struttura più compatta e può sopprimere le ondulazioni di modulazione senza un ulteriore circuito di condizionamento del segnale. I risultati sperimentali mostrano che il nuovo sensore raggiunge linearità dello 0,5%, risoluzione mA e deriva 125 ppm / ° C entro i range di misurazione ± 50 A e ± 100 A. Sebbene le prestazioni del sensore proposto siano inferiori ai più recenti prodotti ad alte prestazioni sul mercato, tuttavia, ha raggiunto un livello avanzato con una sola configurazione di nucleo e una di avvolgimento.
The research of valve reactor's controllable technology and large DC current detection based on magnetic saturation
CHENG, SHUAI
2017/2018
Abstract
As a characteristic of magnetic materials, magnetic saturation technology can exhibit an excellent performance in many engineering applications. When the core is unsaturated, the material permeability is generally not a constant value, the magnetization curve presents a large non-linearity, the magnetization and demagnetization are characterized by the hysteresis loop. But after magnetic saturation, the hysteresis differences are not obvious, and the magnetic permeability is close to air permeability while excellent linearity will be reached. Those characteristics are often utilized in the electrical equipments based on magnetic saturation. This thesis first briefly introduced the main basic application of magnetic saturation technology - the development of valve reactors and the research status of large DC current detection solutions. Several models commonly used to describe magnetic saturation and their advantages and disadvantages were analyzed, and then proposes an improved structure of valve reactor and a novel sensor for large DC current detection. This thesis analyzed the problems existing in converter valve reactors, and proposes a control technology for valve reactors based on magnetic saturation. By controlling the saturation of the reactor core, the hysteresis loss and the magnetostrictive is reduced, thus the reactor noise, vibration and over-heating are supressed. Based on the Jiles-Atherton model of magnetic saturation, the valve reactor improvement scheme is demonstrated in principle, simulation and experiment. By designing the prototype experiment and measuring the practical work B-H curve of the core, the feasibility of the technology was verified. In addition, based on the magnetic saturation characteristics, this paper also proposed a new self-oscillating fluxgate scheme and deduced its linear relationship in detail. Through experimental verification, this scheme can be used for low-cost and high-precision detection of large DC currents. For large DC current measurement, the current sensor prototype is also developed based on the new scheme. The sensitivity, linearity, measurement range, resolution, temperature characteristics and repeatability have been detailed discussed. In this thesis, the working flux of converter valve reactor is limited to the saturation region, which achieves the goal of reducing noise, reducing vibration and heat and increasing the switching speed from the source; A compact self-oscillating current sensor for large DC current measurement with a new feedback strategy is proposed. In this novel fluxgate transducer, the excitation, compensation and demodulation are realized by only one winding and one core. Compared with the published feedback approaches, this novel strategy has a more compact structure and can suppress the modulation ripples without additional signal conditioning circuit. The experimental results show that the new sensor achieves 0.5% linearity, mA resolution, and 125 ppm / ° C drift within the ± 50 A and ± 100 A measurement ranges. Although the performance of the proposed sensor is inferior to the latest high-performance products on the market, however, it has reached an advanced level with only one core and one winding configuration.| File | Dimensione | Formato | |
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