Mejora del cálculo de las pérdidas por el efecto proximidad en alta frecuencia para devanados de hilos de Litz

Fernández de Sevilla Galán, Javier (2019). Mejora del cálculo de las pérdidas por el efecto proximidad en alta frecuencia para devanados de hilos de Litz. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Mejora del cálculo de las pérdidas por el efecto proximidad en alta frecuencia para devanados de hilos de Litz
Author/s:
  • Fernández de Sevilla Galán, Javier
Contributor/s:
  • Oliver Ramírez, Jesús Angel
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: September 2019
Subjects:
Freetext Keywords: Transferencia de potencia inalámbrica, hilo de Litz, Métodos de Elementos Finitos, proceso de homogeneización, interpolación
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

La transferencia de potencia inalámbrica (en inglés, Wireless Power Transfer – WPT), debido a la creciente demanda de energía eléctrica, es el método que se está imponiendo en la actualidad para aplicaciones en las que el uso de cables es peligroso o no es posible. Consiste en la transmisión de energía, sin cables o conductores eléctricos, mediante la generación de un campo magnético producido por una bobina primaria conectada a una fuente de potencia y que recibe otra bobina, que sería la receptora conectada a la carga. Esto se basa en la inducción entre las bobinas, en las que haciendo circular una intensidad por la bobina transmisora se induce una corriente en la bobina secundaria. El sector donde más se está apostando por este tipo de transmisión es el de los vehículos eléctricos, sin embargo, estos vehículos todavía tienen los problemas de largos tiempos para cargarse, poca autonomía y pérdidas a la hora de transmitir la energía a las baterías del coche. La eficiencia es el criterio principal a tener en cuenta en el diseño de sistemas WPT y la alta frecuencia contribuye a reducir dicha eficiencia, por culpa de que se acentúan las pérdidas de corriente alterna, con los efectos pelicular y proximidad, que además provocan un aumento de la resistencia del devanado. Además, las altas frecuencias dificultarán la simulación porque el mallado aumenta y su resolución tarda más tiempo. Una posible solución es utilizar bobinados de hilos de Litz para los sistemas WPT, que permiten mejorar algunos de estos problemas, pero añaden otros, como se verá en este Trabajo Fin de Grado. Entre los problemas que aparecen está que las simulaciones de este tipo de conductores no son sencillas, ya que un conductor de Litz puede estar formado por cientos de hilos y las altas frecuencias dificultan la simulación, porque se necesita un mallado muy refinado para poder captar correctamente la densidad de corriente por cada hilo. En este trabajo, la simulación de los sistemas WPT es esencial para obtener las pérdidas que se producen en los sistemas de transmisión inalámbrica de una manera sencilla y segura, sin tener que construir el sistema. El programa de simulación que se utiliza es Ansys Electronics, que utiliza Métodos de Elementos Finitos (FEM) para la resolución de las simulaciones. La base del FEM es dividir el objeto que se simule en pequeñas regiones finitas y operar en ellas las ecuaciones de Maxwell, imponiendo unas condiciones específicas y consiguiendo una solución única. Las regiones creadas son el mallado, que cuanto más refinado sea mejores resultados se obtendrán, pero el tiempo que tarde el programa en resolver el problema será también mayor. Debido a la dificultad para simular este tipo de conductores, se realiza un proceso de homogenización para poder diseñar el conductor como un elemento sólido con una conductividad y permeabilidad homogéneas, que provocan que este conductor tenga la misma potencia activa y reactiva que el conductor original de hilo de Litz. Para conseguir esta homogeneización se parte de las ecuaciones basadas en funciones de Bessel ya existentes y que permiten calcular las pérdidas por proximidad y por efecto pelicular; sin embargo, aunque las pérdidas peliculares de las simulaciones a altas frecuencias y con varios conductores coinciden con los valores obtenidos por las ecuaciones teóricas, las pérdidas por proximidad obtenidas con las ecuaciones tienen un error con respecto a los valores obtenidos en la simulación cuando lo que se simulan son varios conductores y a alta frecuencia. Este error, aunque pequeño, debe solucionarse porque ya con la propia homogeneización se comete también un error inevitable por el hecho de homogeneizar y tratar un conductor que no es sólido como si lo fuera. Por estos motivos, mejorar el modelo teórico, a partir de los resultados obtenidos de las simulaciones, es necesario y se consigue con una aplicación de interpolación de Matlab, Curve Fitting, con la que se obtiene una ecuación que será parecida a la que ya existe, pero con unos nuevos parámetros que hacen que el modelo teórico proporcione resultados más válidos. Por último, se han diseñado algunos bobinados con diferentes hilos de Litz, para medir algunas de sus propiedades y comparar los resultados con la simulación, pudiendo extraer así conclusiones acerca de la validez de las simulaciones, la viabilidad del uso de este tipo de conductores y proponer posibles líneas futuras en relación con este proyecto.

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Item ID: 56807
DC Identifier: http://oa.upm.es/56807/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:56807
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 10 Oct 2019 06:51
Last Modified: 10 Oct 2019 06:51
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