Compact High-Turn-Ratio Transformer Design for Remotely Operated Underwater Vehicles

Abstract

Dette speciale omhandler udviklingen af en kompakt høj-vindingsforhold transformer til brug i en strømforsyning i en fjernstyret undervandsdrone (ROV). Projektet blev igangsat p˚a baggrund af Aalborg Power Group (APG), som havde identificeret et problem med den eksisterende transformer, leveret af producenten PREMO. Den oprindelige transformer havde en vindingsforhold p˚a 30:1, hvilket betød, at det maksimale inputspændingsniveau m˚atte begrænses til 750 V i stedet for det ønskede 1000 V. Dette ødede tabet igennem det 300m lange kabel forbundet til ROV’en. M˚alet med projektet var derfor at udvikle en ny transformer med et forbedret vindingsforhold p˚a 40:1 og reducer sekundær lækageinduktans, øge den primære læk induktans, og samtidig sikre at den kunne passe ind i de fysiske begrænsninger af ROV’ens kompakte design. Designet af transformeren blev udført i tre faser: teoretisk design, digitalt design og fysisk konstruktion. Den teoretiske fase omfattede beregninger til at finde en kerne og give et estimat af tab. I den digitale fase blev transformerens geometri modelleret i SolidWorks, og magnetiske egenskaber blev simuleret med Finite Element Method (FEM) i COMSOL. Designet anvendte en semi-planar struktur med en splittet sekundær vikling i kobberplader og en primær vikling best˚aende af Litz-tr˚ad. Form˚alet med denne struktur var at opn˚a høj magnetisk kobling og samtidig styre lækageinduktansen. Der blev foretaget laboratorie eksperimenter, herunder impedansm˚alinger, lækstrømstest ved op til 1400 V samt verifikation af vindingsforhold. Resultaterne viste, at den nye transformer opn˚aede et omsætningsforhold p˚a 39,89:1, hvilket er meget tæt p˚a det ønskede m˚al. Den sekundære lækageinduktans blev reduceret med cirka 35% sammenlignet med PREMO- transformeren, og den primære lækageinduktans blev næsten fordoblet, hvilket er fordelagtigt for strømforsyningen. P˚a trods af uoverensstemmelser mellem simulerede og m˚alte værdier, primært for PREMO transformeren var grunden usikkerheden om kernematerialets egenskaber og genneralt simplifi- ceret geometri, bidrog simulationsværktøjerne til forst˚aelsen af designet. Det konkluderes, at et semi-planar struktur er en effektiv løsning for kompakte, højt ydende transformere i krævende applikationer s˚a som undervandsdroner. Fremtidigt arbejde bør fokusere p˚a termisk simulering, yderligere forbedring af isolationsstyrke, integration af transformeren i den faktiske konverter, eventuel undersøge muligheden for at anvende fuldt planer design, hvilket kan forbedre simuleringens nøjagtighed og forsimple pro- duktionen. Projektet har demonstreret potentialet ved digitalt drevet transformatorudvikling og lagt fundamentet for videre optimering og implementering i praksis.

This thesis presents the development and evaluation of a compact, high-turn-ratio transformer intended for use in a power converter within a remotely operated underwater vehicle (ROV). The existing system, developed by AAL Power Group, utilizes a transformer manufactured by PREMO, which is constrained by an inadequate turn ratio of 30:1. This limitation restricts the input voltage from a 1000 V to 750 V, thereby reducing the system’s ability to efficiently deliver 2 kW of power through a 300- meter cable. To address this issue, a custom transformer with a 40:1 center-tapped winding configuration was developed. The new transformer design employs a semi-planar structure, which easily allows for a high number of turns one side and high current on the other. The design objectives was to minimizing secondary-side leakage inductance and in- creasing primary-side leakage inductance, to improve the performance of the phase-shifted full-bridge (PSFB) con- verter topology compared to the PREMO transformer. To meet these objectives, a combination of 3D CAD mod- eling (SolidWorks) and finite element method (FEM) sim- ulations (COMSOL) was used to guide the design pro- cess. However, notable discrepancies between simulated and experimental results were observed, primarily due to modeling simplifications and uncertainties in material properties. Despite these challenges, the final prototype achieved a 35% reduction in secondary-side leakage inductance and doubled the primary-side leakage inductance compared to the original PREMO transformer. While key design values were successfully validated through laboratory testing, integration into the full converter system remains as future work.

A master programme thesis from Aalborg University

Compact High-Turn-Ratio Transformer Design for Remotely Operated Underwater Vehicles

[Kompakt Høj-Vindingsforhold Transformerdesign for Fjernstyret undervandsfartøj]