Design methodology of a transformer with an integrated inductor for avionic applications

López Pérez-Arroyo, Carlota (2016). Design methodology of a transformer with an integrated inductor for avionic applications. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Design methodology of a transformer with an integrated inductor for avionic applications
Author/s:
  • López Pérez-Arroyo, Carlota
Contributor/s:
  • Oliver Ramírez, Jesús Angel
  • Bouvier, Yann
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: 2016
Subjects:
Freetext Keywords: Design methodology, leakage inductance, converter, transformer, avionic applications
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El propósito de este proyecto es explicar la metodología del diseño del transformador de un convertidor de corriente continua de alta potencia (10kW a 50kW). El ejemplo que se detalla en este documento está enfocado hacia aplicaciones aviónicas, lo cual añade dos nuevas restricciones al proceso de diseño. Estas son: el tamaño y peso del transformador y la temperatura de trabajo del mismo. La temperatura del transformador no debe variar demasiado ya que a la altura de trabajo hay poca presión y el coeficiente de convección será bajo. Lo cual implica que la capacidad del transformador para disipar calor se verá reducida. Si el transformador no es capaz de disipar correctamente el calor, puede conllevar a la rotura del mismo debido al sobrecalentamiento. Además, un exceso de calor puede dar lugar a la rotura de los componentes que se encuentren próximos a él. Como se ha mencionado anteriormente,al tratarse de un convertidor para aplicaciones aeroespaciales las dimensiones y el peso son factores importantes. Cuanto menor es el peso, menor será el consumo del avión por lo tanto contaminará menos y será más eficiente. Para reducir el tamaño de dicho convertidor, se va a intentar integrar la bobina dentro del transformador. Para ello se utilizará el valor de la inductancia de dispersión. En un trabajo anterior se usó un núcleo nanocristalino para dicho propósito, pero a la hora de diseñarlo, se comprobó que el núcleo no era capaz de proporcionar el valor de la inductancia de dispersión requerido por esta topología. La incapacidad del núcleo para generar dicho valor se debe a que el flujo, al pasar por la zona laminada, genera corrientes parásitas muy pequeñas pero al atravesar la zona perpendicular, las corrientes son grandes. Por lo tanto el núcleo nanocristalino laminado presenta anisotropía. Para evitar esto, para el diseño de este transformador se eligió ferrita, la cual tiene una resistividad muy alta, por lo que las corrientes parásitas son bajas en toda la sección del material. La desventaja de utilizar ferrita reside en que el valor de la inductancia de saturación es muy bajo comparado con el del nanocristalino. Como se verá en este trabajo, el valor de la inductancia de saturación es muy importante porque determina el tamaño del transformador. En este trabajo se estudiará el efecto que tiene dicho valor en el diseño de un transformador y si se consigue introducir la inductancia dentro del transformador, disminuyendo el tamaño anteriormente conseguido con el nanocristalino. Es de vital importancia elegir los parámetros correctos para que se consiga el valor de la inductancia deseado, que el transformador no sature y que su volumen y peso sean adecuados. A la hora de calcular las pérdidas en el núcleo no sólo es importante conocer el material del núcleo pero también se debe conocer el comportamiento de la inducción magnética o densidad de flujo magnético. Como se verá detallado en este proyecto, para esta topología al ser la forma de onda triangular, se debe usar la ecuación de Steinmetz mejorada ya que evalúa mejor las pérdidas en el núcleo. Es importante dimensionar bien las pérdidas en el núcleo para que cuando se lleve a cabo la construcción del transformador este no sature y deje de funcionar. Se han propuesto varias configuraciones del cableado para el núcleo propuesto lo cual permite una mayor versatilidad a la hora de elegir el diseño más adecuado ya que tanto el valor de las pérdidas del cobre y de la inductancia de dispersión varían según la configuración. Estos valores también cambian en función del número de núcleos usado (variando el grosor del núcleo en la simulación) y del número de vueltas. Para las simulaciones se ha utilizado un programa de elementos finitos (Pemag) que se comunica con ANSYS Maxwell para conseguir el valor de la inductancia de dispersión y el de la resistencia de los cables. Se han utilizado el programa Pemag porque tiene en cuenta los efectos de alta frecuencia de los cables que son: el efecto piel, el efecto proximidad y el gap. Se han realizado simulaciones para los distintos diseños propuestos y entre los resultados obtenidos se ha elegido el más adecuado para la topología descrita. Para elegir dicho diseño se ha tenido en cuenta un valor adecuado de la inductancia de dispersión, y unas pérdidas totales del núcleo bajas, de tal forma que el aumento de temperatura del núcleo debido a dichas pérdidas no supere los 90ºC. El motivo de esta limitación en la temperatura del núcleo es evitar que este se sobrecaliente y pierda sus propiedades magnéticas. Además, como se ha mencionado anteriormente, a la hora de elegir un transformador, se ha calculado el volumen y el peso del mismo para asegurarse de que son apropiados para su uso en la aviación. Finalmente, cabe destacar que en este trabajo se llegó hasta el paso de “análisis de la construcción” ya que no se llevó a cabo la construcción del transformador.

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Item ID: 43788
DC Identifier: http://oa.upm.es/43788/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:43788
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 28 Oct 2016 05:28
Last Modified: 28 Oct 2016 05:28
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