Numerical methods and measurement systems for networks containing magnetic nonlinearities

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In the last years an increasing interest in computer aided circuit calculation methods could be observed. This can be seen in combination with the short innovation processes in commerical products. Especially there is a need in modelling of nonlinear magnetic elements. In order to overcome these problems, a new method was developed, which makes it possible to calculate the steady state solution of circuits containing nonlinear magnetic elements by the help of an interactive CAD-program. After separating the network into linear and nonlinear subnetworks, it is possible to choose between several models for the nonlinear elements. In applications, where numerical models are insufficient a realtime measurement system can be activated to extract the nonlinear behaviour (dynamic hystersis loops). This concept is discussed for earth-leakage circuit breakers. These networks contain a toroidal highly permeable NiFe-alloy and a relay as nonlinear elements and some resistors, inductors and capacitors as linear elements. AC-signals at the primary winding of the core in any waveform must be regarded as an input, 135 degree phase cut off sinusoidal signals are especially important. These signals with extreme high frequency components make it impossible to use numerical models for the description of the nonlinear behaviour of the core and the relay. Therefore for both elements the realtime measurement system must be used during the iteration process.

Übersicht

In den letzten Jahren konnte ein verstärktes Interesse an computerunterstützten Berechnungsverfahren von elektrischen Netzwerken beobachtet werden, welches auch in den kürzer werdenden Innovationszeiten kommerzieller Produkte begründet ist. Ein besonderer Bedarf ist in der Modellierung nichtlinearer magnetischer Bauelemente vorhanden. Zur Lösung dieser Probleme wurde eine rechnergestützte Methode entwickelt, die es durch die interaktive Nutzung des CAD-Programmes erlaubt, nichtlineare magnetische Bauelemente im eigeschwungenen Zustand zu berechnen. Nach der Zerlegung des Netzwerkes in lineare und nichtlineare Teilnetzwerke ist es möglich, zwischen verschiedenen Modellen für nichtlineare Bauelemente auszuwählen. Für Anwendungen, bei denen numerische Methoden unzureichende Ergebnisse liefern würden, ist ein Echtzeitmeßsystem vorhanden, welches das nichtlineare Verhalten erfaßt. Diese Methode wird anhand eines Fehlerstromschutzschalters vorgestellt. Dabei beinhaltet der nichtlineare Teil des Netzwerkes einen hochpermeablen NiFe-Kern und ein Relais. Das lineare Teilnetzwerk wird durch Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten gebildet. Als Anregung des Netzwerkes werden beliebige Kurvenverläufe zugelassen, besonders wichtig ist hierbei der 135°-Phasenanschnitt. Für Signale mit besonders hochfrequenten Spektralanteilen ist die Verwendung von numerischen Modellen zur Berechnung dieser oben erwähnten nichtlinearen Bauelemente unmöglich. Somit müssen die nichtlinearen Bauelemente über das Echzeitmeßsystem erfaßt werden.