Tesis:
Power loss calculation in magnetic components : an accurate analytical approach for winding loss estimation
- Autor: HOLGUIN REYNOSO, Fermin
- Título: Power loss calculation in magnetic components : an accurate analytical approach for winding loss estimation
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73557/
- Director/a 1º: PRIETO LÓPEZ, Roberto
- Resumen: En la actualidad, las especificaciones de los sistemas electrónicos de potencia son cada vez más exigentes. Esto, unido a la tendencia de obtener sistemas de alta densidad de potencia y gran rendimiento, hacen que el diseño y análisis del sistema sea progresivamente más complejo y una de las fases dentro de este proceso de diseño que destaca por su importancia a la hora de la consecución de estos requisitos es la estimación de pérdidas de potencia en nuestro sistema.
A menudo los componentes magnéticos son elementos claves en el funcionamiento global de nuestra aplicación, por tanto, los modelos utilizados para el cálculo de los parámetros relativos a las pérdidas en este tipo de componentes deben ser lo suficientemente precisos como para evitar grandes errores de estimación y relativamente sencillos a modo de que su aplicación, por sí misma, no represente un inconveniente.
A lo largo de los años se ha realizado un gran esfuerzo en determinar métodos analíticos precisos para el cálculo de los principales mecanismos de pérdidas de potencia en componentes magnéticos (pérdidas en devanados y núcleos), sin embargo, las soluciones existentes suelen ser muy complejas y a menudo es requerido el uso de herramientas de análisis numérico, como por ejemplo análisis por elementos finitos (FEA por sus siglas en inglés), para la caracterización de dichos componentes. Un claro ejemplo de esto sería la estimación de las pérdidas en los devanados de un componente magnético con entrehierro, en donde el efecto del campo magnético en las proximidades del entrehierro sobre los conductores no es tomado en cuenta en los habituales modelos analíticos utilizados para dicha estimación y, como consecuencia, el valor estimado puede llegar a ser considerablemente distinto al valor real lo que obligaría a analizar estos casos con herramientas numéricas penalizando así el tiempo de diseño del componente.
De igual manera, cuando se refiere a la estimación de pérdidas en el núcleo magnético, dichas pérdidas son habitualmente modeladas mediante una de las siguientes formas: mediante la ecuación de Steinmetz o mediante métodos basados en las curvas de histéresis de los materiales utilizados para conformar el núcleo magnético. La expresión de Steinmetz, a pesar de constituir el principal medio de estimación para este tipo de perdidas, fue inicialmente concebida para su aplicación bajo condiciones de excitación sinusoidal y ha sido demostrado que su uso bajo regímenes de excitación diferentes, que son muy habituales en aplicaciones de electrónica de potencia, puede acarrear grandes errores en los resultados por lo que dicho método ha sido extendido a formas de onda no sinusoidales. Los métodos basados en las propiedades físicas de los materiales, en cambio, no están sujetos a esta limitación y pueden ser aplicados a cualquier forma de onda o régimen de operación. Sin embargo, debido a que se requiere un detallado conocimiento previo del material magnético, la validez de los resultados dependerá en gran medida del rigor con que se caracteriza cada material, por lo que los resultados obtenidos mediante su aplicación pueden considerarse validos siempre que lo sean los datos utilizados para el análisis.
Asimismo, son bien sabidos los beneficios del uso de simuladores dentro del proceso de diseño de cualquier tipo de sistema, siendo innumerables las ventajas que ofrecen estas herramientas de cara al desarrollo de nuevas aplicaciones. En este sentido conviene disponer de modelos de componentes magnéticos altamente precisos orientados a simulación y destinados a la integración en este tipo de herramientas con el fin de obtener información detallada y fiable del comportamiento del componente y su interacción con el sistema global que sirva de base para la toma de decisiones relevantes al diseño del sistema en estudio. En este renglón es conveniente mencionar, tanto por su relevancia de cara a un aspecto tan fundamental como lo es la compatibilidad electromagnética como por la importancia en aspectos básicos de funcionamiento y estabilidad tanto del componente mismo como el sistema final: el modelado de los efectos capacitivos del componente magnético.
La presente tesis doctoral pretende cubrir, mediante el desarrollo de modelos analíticos ya sea para la estimación precisa de pérdidas u orientados a simulación, las necesidades expuestas anteriormente definiendo los siguientes objetivos de acuerdo a dos categorías específicas:
Estimación de pérdidas en componentes magnéticos: en donde se pretende el desarrollo de modelos analíticos precisos para el cálculo de pérdidas en componentes magnéticos. En este sentido, esta tarea puede ser dividida en dos partes fundamentales que son la estimación de pérdidas en devanados, cuyo objetivo es la elaboración u obtención de modelos analíticos, apoyándose en resultados FEA (2D y 3D) y mediciones en componentes, para el cálculo de la resistencia equivalente en componentes magnéticos los cuales deben considerar los efectos 2D (entrehierro) y deben ser utilizables en herramientas de diseño y aplicables a procesos de optimización; y la estimación de pérdidas en núcleos magnéticos que tiene por objetivo ofrecer una visión global de los métodos actuales de estimación enumerando sus ventajas/inconvenientes e identificando debilidades en su aplicación bajo condiciones de operación específica y, a partir de estas, proponer (en caso de ser necesario) mejoras en su mecanismo de evaluación a fin de obtener resultados más precisos.
Modelos de simulación de componentes magnéticos basados en FEA: Dado que los métodos de análisis por elementos finitos son considerados una solución precisa, en esta tarea se trata de mejorar los modelos existentes basados en esta técnica. Este objetivo incluye, entre otras variables, modelos capacitivos más precisos y modelos de núcleos magnéticos no lineales orientados a simulación.
El documento está organizado en 4 capítulos. El primer capítulo, introductorio, es una contextualización mediante la definición/detalle de los objetivos y motivaciones que dan lugar al presente trabajo utilizando, a modo de ilustración, ejemplos de la problemática del uso de métodos de estimación de pérdidas de poca precisión y el impacto en el proceso de diseño y se esboza la estructura del documento y el contenido de cada sección. En la segunda parte se discuten los antecedentes al presente trabajo en lo relativo a los métodos de cálculos de perdidas en conductores y núcleo, así como también los modelos capacitivos existentes. En el tercer capítulo se detallan los modelos propuestos y los resultados obtenidos y por último, pero no menos importante, las conclusiones y líneas futuras conforman el cuarto capítulo.
ABSTRACT
Accurate estimation of losses in magnetic components is a very important step in the design process of power electronics systems because, in many applications, these components are key elements that directly affect the global performance of the system. In this context, the models used for calculating the parameters related to power losses need to be accurate enough to avoid the consequences of miscalculations and, at the same time, relatively simple in order that the implementation of such models do not represent a problem by itself.
Although a great effort has been made during last years in the development of precise models for the calculation of the main power loss mechanisms in magnetics components (both, core and winding losses), this issue has not been completely solved and numerical methods, such as the analysis by means of finite elements method (FEM), are frequently needed for characterizing the magnetic component. A good example of this would be the estimation of winding loss in gapped inductors where the effect of the fringing field due to the air gap is not considered in most commonly used methods and, as a consequence, the calculated value might be considerably different than actual parameters. This makes FEM tools mandatory in the analysis of these components affecting, from the time-to-design perspective, the corresponding design process.
On the other hand, the core loss is commonly modeled by either the Steinmetz based equations or the hysteresis-based models. The Steinmetz equation, although it is the most commonly used method to calculate core loss, was initially developed for sinusoidal excitations and it has been proven to be inaccurate under different excitation waveforms, which are very common in any power electronics application. The hysteresis-based models do not have this limitation and can be theoretically used for any excitation. However, the magnetic material needs to be characterized in advance and the validity and accuracy of the results will greatly depend on the thoroughness that the materials were defined or characterized. Additionally, as most hysteresis-based models have been developed for static conditions, the consideration of the frequency dependence of the core loss makes the implementation of hysteresis models even more complex.
Also, the countless benefits of simulation tools in the design process of any electronic circuits and the development of new applications are well known. In this sense, the convenience of highly accurate simulation models of magnetic components is beyond any doubt and can be very useful, for example, in gathering detailed and reliable information about the component performance and its impact in the final system behavior as a basis for making relevant decisions relative to the design of the system under study. In this category is important to mention, as well as its relevance in such a fundamental aspect as it is the electromagnetic compatibility and the importance of basic aspects of performance and stability of both the component itself and the final system, the modeling of capacitive effects in the magnetic component.
This thesis aims to cover, by either developing analytical models for accurately estimating losses or precise simulation models, the needs pointed out before and the following objectives were defined according to two specific categories:
Accurate loss estimation in magnetic components: The main objective is the development of accurate analytical models for the calculation of power loss in magnetic components. This task can be divided in two fundamental parts: the winding loss calculation where the main goal is to obtain analytical models for estimating the equivalent resistance of the windings that shall include or consider 2D effects (mainly from air gap) and could be easily implemented in design and optimization tools, and the precise core loss estimation which objective is to give a critical review of available methods summarizing their advantages and limitation and propose improvements in their evaluation mechanism in order to improve the obtained results.
Simulation oriented models of magnetic components based on FEM: Since FEM tools are considered a very accurate solution, in this task we will try to improve the available models base on FEM results. This goal shall include, among other variables, more accurate capacitive models and linear and non-linear magnetic core models.
This document is organized and structured in four chapters. In the first chapter the reader is introduced in the context of this work by means of the explanation of the objectives and motivations where the problematic of using non-accurate models in the design process of magnetic components is explained and some illustrative examples are used. After the introduction and the definition of the objectives, the structure of the document is briefly mentioned. In the second part the technical background for windings/core loss calculations, as well as capacitive simulation models, is reviewed and discussed. The proposed methods, along the implementation and experimental results, are detailed and discussed in chapter three. At last but no less important, conclusions and future work are detailed in the fourth chapter.