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Tesis:

Modelado de componentes magnéticos en alta frecuencia mediante la aplicación de la técnica de análisis por elementos finitos

  • Autor: ASENSI OROSA, Rafael

  • Título: Modelado de componentes magnéticos en alta frecuencia mediante la aplicación de la técnica de análisis por elementos finitos

  • Fecha: 1998

  • Materia: CONVERTIDORES ELÉCTRICOS;CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL

  • Acceso electrónico:

  • Director/a 1º: UCEDA ANTOLIN, Javier
  • Director/a 2º: COBOS MARQUEZ, José Antonio

  • Resumen: El uso que se hace hoy en día de los sistemas electrónicos de potencia en general, y de las fuentes de alimentación conmutadas en particular es un hecho que no precisa de justificación alguna. Entre los elementos de los que constan estos sistemas de alimentación, destacan por el papel clave que juegan en la transferencia de energía los componentes magnéticos: bobinas y transformadores. Estos componentes magnéticos trabajan con formas de onda de tensión e intensidad no sinusoidales y de frecuencia elevada en el caso más general, lo que complica el estudio de su comportamiento eléctrico. Es también una realidad el papel clave jugado por los paquetes informáticos de simulación en el diseño de estos sistemas de alimentación. Resulta absolutamente necesario disponer de unos modelos o circuitos equivalentes de componente magnético precisos para sacar beneficio de la información obtenida por medio de estas herramientas informáticas. Estos modelos han de ser capaces de representar el comportamiento de los componentes magnéticos en las condiciones especiales en las que trabajan dentro de los sistemas electrónicos de potencia. Con objeto de analizar con precisión los efectos de la alta frecuencia en las bobinas y transformadores se utilizan herramientas de Análisis por Elementos Finitos. Estos programas resuelven mediante métodos numéricos las ecuaciones de un determinado fenómeno físico dividiendo previamente el volumen del espacio analizado en elementos discretos (finite elements) Existen herramientas de Análisis por Elementos Finitos para resolver muchas clases de problemas: transmisión de calor, mecánica, dinámica de fluidos, electromagnetismo, etc. Las herramientas de Análisis por Elementos Finitos que interesan en este caso son las que permiten resolver problemas de electromagnetismo En este caso, se resuelven las "ecuaciones de Maxwell", un conjunto de ecuaciones dependientes del espacio y del tiempo que permiten calcular campos magnéticos y eléctricos. Es posible procesar la información resultante para calcular magnitudes derivadas de las principales, como energías, potencias o flujos. A la vista de estas ideas se pretende en esta tesis doctoral realizar una aportación original al modelado de los componentes magnéticos trabajando en alta frecuencia desde dos puntos de vista: 1. Modelado de los efectos que afectan a los componentes magnéticos debido al hecho de trabajar con formas de onda no sinusoidales y de frecuencia elevada. Se propone un modelo o circuito equivalente modular que permite representar el comportamiento de cualquier componente magnético trabajando en alta frecuencia partir de datos extraídos de una herramienta de Análisis por Elementos Finitos. Este modelo es totalmente original, si bien existen modelos previamente descritos que consideran parcialmente algunos de los efectos tenidos en cuenta. 2. Automatización de la caracterización de los componentes magnéticos. No solamente es importante disponer de un modelo preciso de componente magnético, sino que también es necesario disponer de una metodología para calcular sus parámetros de una forma muy simple. Para cumplir estos objetivos, se va a seguir el siguiente proceso a lo largo del desarrollo de la tesis: En el capítulo1º se estudian los efectos que tienen lugar en los componentes magnéticos trabajando en alta frecuencia. Esto tiene como objetivo seleccionar aquellos efectos que más afectan al núcleo y a los devanados de estos componentes En el capítulo 2º se analiza el estado actual de la técnica de modelado de componentes magnéticos trabajando en alta frecuencia, orientado a sistemas de alimentación conmutados en alta frecuencia. Se estudian los circuitos equivalentes ya existentes teniendo en cuenta el tratamiento dado a los efectos ya vistos en el capítulo primero. Esto permitirá destacar aquellos aspectos del modelado en los que este trabajo realiza una aportación original. En el capítulo 3º se desarrolla el "modelo modular" de componente magnético así como la "metodología universal" para obtener sus parámetros. Este capítulo recoge las aportaciones principales de esta tesis doctoral. En el capítulo 4º se somete a distintas pruebas el modelo de componente magnético. Para ello, se modelan mediante Análisis por Elementos Finitos varios componentes magnéticos y a continuación se construyen y ensayan, comparándose los resultados obtenidos experimentalmente con los obtenidos de la simulación eléctrica del ensayo. Se hace también en este capítulo un análisis de las causas que pueden hacer inexacto el modelado de los componentes magnéticos por medio de la metodología presentada de cara a tenerlas en cuenta a la hora de utilizar el modelo en simulaciones de fuentes de alimentación conmutadas. En el capítulo 5º se sacan algunas conclusiones sobre la totalidad del trabajo desarrollado y se exponen varias líneas para trabajos futuros sobre este tema. La metodología de modelado desarrollada en el capítulo 3º es válida para realizar otros trabajos de interés relacionados con el expuesto en esta tesis. Finalmente, se incluye una bibliografía a la que se hace referencia a lo largo del desarrollo de la tesis que sirve de apoyo, a la vez que de complemento, a las ideas expuestas