Development of a methodology for optimizing transformers and devices with magnetic core

Abstract

(English) This thesis contributes to the field of design and optimization of magnetic core devices, specifically transformers for power electronics. A calculation software has been developed for the design of transformers, based on an analytical-parametric geometric, electromagnetic, thermal model of the main components of a transformer: the core and windings. Experimental studies have been carried out to analyze the magnetic losses in transformer cores, evaluating the contribution of the different constructive parts as well as the impact of voltage harmonics on the magnetic losses of the core. In addition, hysteresis and other loss models have been developed to improve the accuracy of core loss estimation. For the coils, electromagnetic (skin and proximity) and thermal effects have been modelled. Through experimental studies and simulations, the interaction between the temperature and frequency-dependent effects on winding resistance have been analyzed. These studies have demonstrated that winding losses can be, in fact, analytically and accurately calculated. Once a detailed design has been obtained, the core and winding losses are entered into a thermal model to predict the operating temperature of the transformer. After concluding the analytical-parametric model, a real-world industrial applications-oriented optimization system has been implemented. This system allows both single-objective and multi-objective optimization on any desired transformer parameter, always ensuring compliance with the technical and operational needed requirements through constraints. The optimization system has been validated using real cost-optimized prototypes and the results obtained have been compared with experimental tests, demonstrating the accuracy and reliability of the calculation system developed, and allowing its applicability in actual industrial manufacturing processes.

(Català) Aquesta tesi contribueix al camp del disseny i l'optimització de dispositius amb nucli magnètic, específicament transformadors en l’àmbit de l’electrònica de potència. Per dur-la a terme, s'ha implementat un programari de càlcul per al disseny de transformadors, basat en un model geomètric, electromagnètic i tèrmic, de tipus analític-paramètric, dels components principals del transformador: el nucli i els debanats. S'han realitzat estudis experimentals per analitzar les pèrdues magnètiques als nuclis de transformadors, avaluant la contribució de les diferents parts constructives així com l'impacte dels harmònics de tensió en les pèrdues magnètiques del nucli. A més, s'han desenvolupat models d'histèresi i altres models de pèrdues per millorar la precisió en l'estimació de les pèrdues del nucli. Pel que fa als debanats, s'ha modelat els efectes electromagnètics (pel·licular i proximitat) i tèrmic. A través d'estudis experimentals i simulacions, s'ha analitzat la interacció entre aquests efectes dependents de la temperatura i la freqüència en la resistència dels debanats, demostrant que es poden calcular analíticament i de forma acurada les seves pèrdues. Un cop modelades les pèrdues del nucli i els debanats, aquestes s’introdueixen en un model tèrmic per tal de predir la temperatura d'operació del transformador. Un cop finalitzat el model analític-paramètric, s’ha implementat un sistema d'optimització orientat a aplicacions industrials reals, fent servir un algoritme genètic amb variables discretes. Aquest sistema permet optimitzacions, tant mono-objectiu com multi-objectiu, sobre qualsevol paràmetre del transformador que es desitgi, sempre assegurant el compliment dels requisits tècnics i operatius pertinents a través de restriccions. El sistema d'optimització ha estat validat mitjançant prototips reals optimitzats en cost, i els resultats obtinguts han estat comparats amb assaigs experimentals, demostrant la precisió i la fiabilitat del sistema de càlcul desenvolupat i permetent la seva aplicabilitat en processos de producció industrials reals.

(Español) Esta tesis contribuye al campo del diseño y optimización de dispositivos con núcleo magnético, específicamente transformadores en el ámbito de la electrónica de potencia. Para llevarla a cabo, se ha implementado un programa de cálculo para el diseño de transformadores, basado en un modelo geométrico, electromagnético y térmico, de tipo analítico-paramétrico, de los componentes principales del transformador: el núcleo y los devanados. Se han realizado estudios experimentales para analizar las pérdidas magnéticas en los núcleos de transformadores, evaluando la contribución de las diferentes partes constructivas, así como el impacto de los armónicos de tensión en las pérdidas magnéticas del núcleo. Además, se han desarrollado modelos de histéresis y otros modelos de pérdidas para mejorar la precisión en la estimación de las pérdidas del núcleo. Por lo que respecta a los devanados, se han modelado los efectos electromagnéticos (pelicular y proximidad) y térmico. A través de estudios experimentales y simulaciones, se ha analizado la interacción entre estos efectos dependientes de la temperatura y la frecuencia en la resistencia de los devanados, demostrando que se pueden calcular analíticamente y de forma precisa las pérdidas en los mismos. Una vez modeladas las pérdidas del núcleo y los devanados, estas se introducen en un modelo térmico para predecir la temperatura de operación del transformador. Tras concluir el modelo analítico-paramétrico, se ha implementado un sistema de optimización orientado a aplicaciones industriales reales, utilizando un algoritmo genético con variables discretas. Este sistema permite llevar a cabo optimizaciones, tanto mono-objetivo como multi-objetivo, sobre cualquier parámetro del transformador que se desee, siempre asegurando el cumplimiento de requisitos técnicos y operativos pertinentes a través de restricciones. El sistema de optimización ha sido validado mediante prototipos reales optimizados en coste, y los resultados obtenidos han sido comparados con ensayos experimentales, demostrando la precisión y fiabilidad del sistema de cálculo desarrollado y permitiendo su aplicabilidad en procesos de producción industriales reales.