Investigation into the formulation of core transformer design principles in the context of DC component interference

Transformers subjected to DC bias are likely to saturate which leads to a series of unwanted effects. Transformers that saturate have increased current absorption, increased losses and voltage distortion. This thesis studies the effects of combined AC and DC excitation on transformers and builds a lumped parameter simulation model to predict and study the phenomenon. A detailed lumped parameter model in the Ansys Simplorer© environment is presented here, justifying why it has been chosen over other simulation environments. The methodology presented should correctly estimate current and voltage waveforms of transformers subjected to DC bias. This thesis will also delve into hysteresis loop modelling through the modified Jiles- Atherton model, discussing how to retrieve the model parameters to correctly simulate the transformer behavior. To build the lumped parameter model some laboratory tests were made to retrieve hysteresis parameters and validate the simulation model. The simulation result obtained through the described procedure and information found in literature led to constructional considerations when designing the core for better DC tolerance. An analysis of the various kinds of joints has been presented, and the importance of a variable joint reluctance has been underlined for lumped parameters simulations.

I trasformatori quando soggetti a corrente continua tendono a raggiungere la saturazione, la quale comporta una serie di effetti indesiderati. La saturazione provoca un maggiore assorbimento di corrente, maggiori perdite e distorsione della tensione ai terminali del trasformatore. Questa tesi analizza e studia gli effetti della combinazione di alimentazione in corrente alternata (AC) e continua (DC) sui trasformatori e sviluppa un modello di simulazione a parametri concentrati per prevedere e studiare il fenomeno. Viene presentato un modello dettagliato nell’ambiente Ansys Simplorer©, motivando la scelta rispetto ad altri strumenti di simulazione. La metodologia proposta consente di stimare correttamente le forme d’onda di corrente e tensione dei trasformatori sottoposti a DC bias. La tesi affronta inoltre la modellazione del ciclo di isteresi tramite il modello modificato di Jiles-Atherton, illustrando come ricavare i parametri necessari per simulare accuratamente il comportamento del trasformatore. Per costruire il modello a parametri concentrati sono state effettuate prove di laboratorio per estrarre i parametri di isteresi e validare il modello di simulazione. I risultati ottenuti, insieme alle informazioni presenti in letteratura, hanno portato a considerazioni costruttive per migliorare la tolleranza alla corrente continua nella progettazione del nucleo. Infine, è stata condotta un’analisi delle diverse tipologie di giunti, evidenziando l’importanza di una riluttanza variabile delle giunzioni nelle simulazioni a parametri concentrati.