Design methodology and optimization of integrated common-mode and differential-mode inductors for power drive system input filters
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
Título alternativo
Metodologia o otimização do projeto de indutores de modo-comum e modo-diferencial integrados para filtros de entrada de sistemas de acionamento de potência
Primeiro orientador
Membros da banca
Thiago Ribeiro de Oliveira
Porfírio Cabaleiro Cortizo
Hans Hoffmann Sathler
Porfírio Cabaleiro Cortizo
Hans Hoffmann Sathler
Resumo
Power drive systems based on wide bandgap devices play an essential role in the electrification of transportation industry. Still, their implementation faces many challenges that must be considered during design, especially regarding power quality on the network/load
side and electromagnetic interference (EMI). In that sense, input filter of power drive systems must be carefully designed to meet noise level defined on standards and be optimized in terms of weight and losses to reduce overall emissions. Inductors are usually the components that have the most significant impact on losses and weight of EMI and power quality filters. Input filters comprise a common-mode (CM) choke and a differential-mode (DM) inductor to reduce EMI conducted emissions and guarantee network stability and power quality. This work proposes an integrated CM and DM (or Dual-Mode) inductor to reduce the overall weight and losses of a power drive system’s input filter. The proposed topology consists of a nanocrystalline-based CM choke with two iron powder blocks on
the sides to serve as an alternative path for the leakage flux. In the first part of this work, a precise analytical model for the Dual-Mode inductor is developed, with validation by three-dimensional FEM simulations and experimental results. Subsequently, the design methodology and optimization routine are presented, and results are compared to those of discrete CM and DM inductors, showing a reduction of 20% in weight and 14% in losses. Lastly, a prototype of the Dual-Mode inductor was produced and compared to an optimized discrete solution for the same application to validate the optimization results and show that the proposed architecture is a viable solution for input filters.
Abstract
Sistemas de acionamento de potência baseados em dispositivos de banda larga desempe-nham um papel essencial na eletrificação das indústrias de transporte. No entanto, sua implementação enfrenta muitos desafios que devem ser considerados durante o projeto, especialmente em relação à qualidade da energia no lado da rede/carga e à interferência eletromagnética (EMI). Nesse sentido, os filtros de entrada dos sistemas de acionamento de potência devem ser cuidadosamente projetados para atender aos padrões de níveis de ruído e serem otimizados em termos de peso e perdas para reduzir as emissões. Indutores são geralmente os componentes que têm o maior impacto nas perdas e no peso dos filtros de EMI e qualidade de energia. Filtros de entrada compreendem um indutor de modo comum (CM) e um indutor de modo diferencial (DM) para reduzir as emissões conduzidas e garantir a estabilidade da rede e a qualidade da energia. Este trabalho propõe um indutor integrado de CM e DM (ou indutor de Modo Duplo, Dual-Mode em inglês) para reduzir o peso e as perdas gerais do filtro de entrada de um sistema de acionamento de potência. A topologia proposta consiste em um indutor de CM baseado em material nanocristalino, com dois blocos de pó de ferro nas laterais para servir como um caminho alternativo para o fluxo de dispersão. Na primeira parte deste trabalho, é desenvolvido um modelo analítico preciso para o indutor de Modo Duplo, validado por simulações de método de elementos finitos tridimensionais e resultados experimentais. Em seguida, a metodologia de projeto e a rotina de otimização são apresentadas e os resultados são comparados aos de indutores discretos de CM e DM, mostrando uma redução de 20% no peso e 14% nas perdas. Por fim, um protótipo do indutor de Modo Duplo foi produzido e comparado a uma solução discreta otimizada para a mesma aplicação para validar os resultados da otimização e mostrar que a arquitetura proposta é viável para filtros de entrada.
Assunto
Engenharia elétrica, Indutores elétricos, Otimização, Filtros elétricos passivos
Palavras-chave
Passive filters, Filter optimization, Integration
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