Coupling reduced order dynamic electromagnetic models with circuit simulators.
Marjamäki, Antero (2017)
Marjamäki, Antero
2017
Sähkötekniikka
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2017-08-16
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201708241744
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201708241744
Tiivistelmä
The progress made in power electronics has raised new challenges concerning devices which contain magnetic components. It is crucial to be able to model the electromagnetic phenomena inside a device and also the behaviour of the device when it works as a part of a circuit. The first case is usually dealt with using finite element analysis and the second case by using circuit simulators. One goal of this thesis is to allow the results of the detailed analysis to be utilized also in the behavioural study conducted using circuit simulators. In this thesis we firstly introduce some background of electromagnetic modelling. Next two promising methods, proper orthogonal decomposition (POD) and discrete empirical interpolation method (DEIM), are studied with detail and they are applied as an example to a single-phase transformer. The main emphasis is to show how these methods are applied to a dynamic nonlinear electromagnetic model. First a finite element model of the transformer is constructed and reduced. The reduced order model is attached to a circuit simulator Simscape and a simple example circuit is solved to obtain numerical results. The results show that POD and DEIM methods decrease the computational work of the original model and the results remain feasibly accurate. The dimension of the equation system reduces 99% from the original. We also see a 75% decrease in stepwise computational time and a 44% decrease in the computational time of the circuit simulator run. However in this case the performance of the circuit simulator is limited and there is a lot of overhead involved. The reduction is expected to be better if these techniques are applied to larger 3-D problems and if the performance of the circuit simulator coupling is improved. In conclusion these methods can be applied to a general class of dynamic nonlinear electromagnetic problems. They could be used to link finite element models to circuit simulators. It could be possible to develop a software module which creates a circuit model automatically based on some finite element model. The techniques can also be used to form homogenized material models of materials which have a fine microstructure. Tehoelektroniikan kehitys ja yleistyminen asettavat magneettipiirejä sisältäville sähkölaitteille uusia vaatimuksia. On tärkeää pystyä mallintamaan sähkömagneettisia ilmiöitä laitteiden sisällä sekä laitteen käyttäytymistä ulkoisen piirin osana. Tässä työssä tutkitaan mallin redusointimenetelmiä sekä redusoitujen mallien liittämistä piirisimulaattoreihin. Aluksi työssä esitellään sähkömagneettisen mallintamisen perusteoriaa. Tämän jälkeen esitellään lyhyesti elementtimenetelmä sekä työssä käytettyjä muita numeerisia ratkaisumenetelmiä. Työn päätarkoitus on esitellä mallien redusointitekniikoita. Kaksi lupaavinta redusointitekniikkaa, proper orthogonal decomposition (POD) ja discrete empirical interpolation method (DEIM), käsitellään työssä tarkemmin. Näitä kahta menetelmää sovelletaan esimerkinomaisesti yksivaiheisen muuntajan mallintamiseen verkon osana. Näin tullaan esitellyksi menetelmä, jolla kyseisiä mallin redusointimenetelmiä voidaan käyttää yleisesti dynaamisten epälineaaristen sähkömagneettisten mallien redusoimiseen. Muodostettu redusoitu malli liitetään Simscape-piirisimulaattorilla mallinnettuun yksinkertaiseen piiriin tulosten laskemista varten. Saatujen tulosten perusteella voidaan sanoa, että POD- ja DEIM-menetelmät sopivat tähän käyttötarkoitukseen ja niiden tuottamat tulokset ovat riittävän tarkkoja. Lisäksi ne vähentävät tuntuvasti mallien laskentatyötä nopeuttaen piirisimulaattoriin liitettyjen mallien laskenta-aikoja. Elementtimenetelmän avulla saadun yhtälöryhmän koko pienenee 99%$, yhden aika-askeleen kohdalla laskenta-aika vähenee 75% ja piirisimulaattorin suoritusaika vähenee 44% alkuperäiseen malliin verrattuna. Piirisimulaattorikytkentä on tässä työssä suorituskyvyltään huono sekä redusoitava tehtävä alkujaan kevyt. Siksi onkin odotettavissa, että mikäli näitä tekniikoita käytetään työläämpiin 3D-tehtäviin, ja mikäli piirisimulaattorikytkentää tehostetaan päästään parempiin tuloksiin. Jatkossa voisi olla mahdollista kehittää liitännäinen elementtimenetelmäsovellukseen, joka voisi generoida piiriin liitettävän mallin automaattisesti yksityiskohtaisen mallin perusteella. Tekniikoita voidaan käyttää myös hienorakenteisten materiaalien mallien homogenisointiin.