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

Resumen

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.