Método de estimación de las pérdidas de los conductores y del núcleo de componentes inductivos asimétricos mediante la técnica de análisis por método de elementos finitos en 3D
- Autores: Jorge Rafael González Teodoro
- Directores de la Tesis: Enrique Romero Cadaval (dir. tes.), R Asensi (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Extremadura ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Número de páginas: 163
- Tribunal Calificador de la Tesis: Pedro Alou Cervera (presid.), Ruth V. Sabariego (secret.), María Pilar Suárez Marcelo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Modelización y Experimentación en Ciencia y Tecnología por la Universidad de Extremadura
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Dehesa
- Resumen
- español
Dentro del campo de la ingeniería eléctrica, los convertidores electrónicos de potencia, que permiten generar una tensión y corriente de unas determinadas características a partir de una fuente de energía, juegan un papel crítico en las energías renovables, vehículos eléctricos o la ingeniería aeroespacial. Los componentes magnéticos constituyen uno de los elementos esenciales en los convertidores de potencia determinando el filtrado de corriente, la operación y la eficiencia del convertidor. Uno de los parámetros más críticos que influyen en la eficiencia de los convertidores son las pérdidas de los componentes magnéticos que dependen de determinados efectos electromagnéticos como el efecto pelicular, de proximidad, de entre-hierros y de borde. Estos efectos son aún más relevantes en rangos de alta frecuencia, a la que suelen operar habitualmente los convertidores electrónicos de potencia. La optimización del convertidor de potencia requiere un análisis detallado de los componentes magnéticos y de los efectos de frecuencia producidos en función de cada aplicación particular, y sus requisitos específicos, principalmente en los rangos de media y alta frecuencia. La trasmisión, almacenamiento y pérdidas de energía eléctrica y magnética son relevantes en este contexto y están determinadas por las ecuaciones de Maxwell, cuya resolución es compleja. Existen tres importantes enfoques para la resolución de estas ecuaciones: métodos analíticos, análisis utilizando herramienta de elementos finitos y por realización de ensayos. El primero de ellos consiste en la resolución analítica de las ecuaciones, con las necesarias simplificaciones, siendo la más habitual el asumir simetrías en las distribuciones de los campos magnéticos para poder resolver las ecuaciones de Maxwell en una o dos dimensiones. Como desventaja, dicha simplificación no permite determinar la distribución del campo magnético dentro de los conductores. El segundo enfoque utiliza un método de elementos finitos, resolviendo las ecuaciones de Maxwell en cada elemento finito, no siendo posible simular algunos componentes magnéticos complejos por precisar un tiempo de simulación sea muy elevado, haciendo que esta solución no resulte práctica para los ingenieros de desarrollo. El tercer enfoque, basado en la realización de ensayos de laboratorio, permite obtener los parámetros eléctrico de cualquier componente magnético. No obstante, el tiempo necesario es también alto y sólo es usado para los ajustes finales. La mayoría de los ingenieros electrónicos y científicos usan los análisis basados en elementos finitos de los componentes magnéticos realizando las posibles simplificaciones teniendo en cuenta la distribución de campo magnético y la simétrica del componente. Cuando el componente magnético no presenta ninguna simetría, deben utilizarse modelos 3D para la determinación de sus parámetros del circuito eléctrico equivalente y la optimización magnética del componente, así como un detallado estudio de los efectos pelicular y de proximidad, que son especialmente relevantes cuando el componente trabaja en alta frecuencia. En este trabajo, se proponer una metodología basada en elementos finitos en 3D con un bajo tiempo de simulación que permite obtener los parámetros que del modelo eléctrico equivalente para componentes magnéticos asimétricos a partir de la estimación de las pérdidas del bobinado y del núcleo.
- English
In electrical engineering, power converters, as devices that are able to transform a defined current and voltage from an energy source, have a critical role in different fields as renewable energy, electric vehicles or aerospace engineering. The magnetic components are relevant elements in power converters because determines the current filtering and conversion functions and converter efficiency and performance. One of the critical parameters that influence in the efficiency of converters are the losses in the magnetic components that depends on particular effects as they are the skin, proximity, airgap and edge effects. These effects are more relevant in the high frequency ranges where the power converters are usually operated. The optimization of the power converter requires of the detailed analysis of the magnetic component and the involved frequency effects according to the application when particular requirements are needed, mostly in the medium and high frequency. Transmission, storage and losses of magnetic and electric energy analysis is relevant in this context and are determined by the Maxwell´s equations whose resolution is a complex task. There are three main methods to solve this equation system: analytical method, finite element method analysis and experimental methodology. The first method consists on the analytical resolution of the equations with the necessary simplifications, being the most common approach the assumption of the magnetic field distribution in one or two dimensions to solve the equations system, however this simplification does not allow determining the magnetic field into the conductors. The second approach uses the Finite Element Method, solving the Maxwell equations in very finite element of the component, but is not possible to simulate some complex magnetic components because it requires a high computational time, being not useful for power electronics designers. The third method, based on experimental lab tests, allows to obtain the electrical parameters for any magnetic component. Nevertheless, the time cost is also huge and it is only used for adjustments in the final stage. Most of the power electronics designers and scientists use the analysis of the magnetic components based on Finite Element Method doing the available simplification taking into account the magnetic field distribution and the symmetry of the magnetic component. If the magnetic component has not any symmetric, a 3D model is necessary to determine the electromagnetic or thermal parameters for the electrical equivalent circuit and the magnetic component optimization, as well as a detailed study for skin effect and proximity effect, even more if the magnetic components work at high frequency. In this work, it is proposed a new method based in 3D Finite Element Analysis with a low computational time that allows obtaining the electrical equivalent model parameters for asymmetric magnetic components from the estimation of winding and core power losses
- español
