Thermal modelling of high-frequency magnetic components for power electronics by finite element analysis
- Autores: Guillermo Salinas López
- Directores de la Tesis: Roberto Prieto López (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Javier Uceda Antolín (presid.), Alberto Abánades Velasco (secret.), Cristina Fernandez Herrero (voc.), Maeve Duffy (voc.), Zhe Zhang (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica y Electrónica por la Universidad de Oviedo y la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
Desde los comienzos de la industria electrónica, existe una tendencia a reducir el tamaño y mejorar la eficiencia de los sistemas de conversión de energía eléctrica, lo que incita a reducir los costos y cubrir los requisitos del desarrollo tecnológico cada vez más exigente. Del mismo modo, la preocupación por los problemas ambientales representa una motivación adicional para esta tendencia en las últimas décadas.
Existe una interdependencia entre los campos electromagnéticos y térmicos que hace crucial la gestión térmica de los sistemas de conversión de energía eléctrica. Como resultado, se requieren modelos precisos para ambos dominios con el fin de obtener dispositivos correctamente optimizados mientras se garantiza su operación robusta y segura. Aquí es donde el modelado térmico demuestra su relevancia.
Particularmente, los componentes magnéticos son uno de los dispositivos principales de los sistemas de conversión de energía eléctrica, siendo también los más voluminosos. Los modelos térmicos utilizados tradicionalmente para componentes magnéticos tienen un rango limitado de aplicación y precisión. Así pues, la optimización de estos dispositivos plantea nuevos desafíos. El enfoque de esta tesis doctoral se centra en desarrollar modelos térmicos generalizables y precisos para componentes magnéticos.
Las herramientas de análisis de elementos finitos (AEF) se limitan comúnmente a validar diseños finales debido al consumo de tiempo que requieren. Sin embargo, se propone una nueva metodología en esta tesis para superar esta limitación. Además, se propone el uso de estas herramientas para generar modelos térmicos precisos para componentes magnéticos, en lugar de usarlos exclusivamente para verificar diseños específicos.
En el Capítulo 2 se desarrolla una homogeneización de dos pasos para simplificar las simulaciones AEF 3D térmicas, manteniendo la precisión característica de estas herramientas. El objetivo principal de esta simplificación es reducir el tiempo de simulación y garantizar la convergencia de las simulaciones, incluso para geometrías complejas o devanados con hilo de litz, cuyo mallado es excesivamente exigente. Se describen algunas pautas para aplicar esta homogeneización a bobinas y transformadores, cuyo devanado puede estar construido con conductores redondos sólidos, hilos de litz o láminas de materiales conductores. Los resultados han sido validados para excitaciones de corriente continua y alterna mediante medidas experimentales.
Los modelos de orden reducido son útiles para caracterizar el comportamiento térmico de un sistema mediante ecuaciones simples. En el Capítulo 3 se propone una metodología de extracción de modelos a partir de los resultados de simulaciones térmicas AEF. La característica principal del modelo térmico de orden reducido propuesto es que es capaz de predecir las temperaturas máximas y superficiales de cada región del componente magnético (núcleo magnético, devanado primario, devanado secundario, devanado auxiliar, carrete y conectores) para cualquier condiciones de operación. Esto es especialmente útil para diseñar estos dispositivos. Se proporcionan mediciones experimentales para verificar el modelo.
Como prueba de concepto, se propone una optimización de componentes magnéticos basada en las simulaciopnes 3D simplificadas del Capítulo 2 y la extracción de modelos de orden reducido del Capítulo 3 en el Capítulo 4. Se ha demostrado que la nueva optimización basada en AEF logra el menor volumen posible y garantiza una operación segura por debajo de los límites térmicos, a diferencia de las optimizaciones tradicionales basadas en ecuaciones analíticas.
Las principales conclusiones y contribuciones de esta tesis se describen en el último capítulo. Para finalizar, se discute una breve visión de las posibles líneas de investigación futuras.
