Análisis experimental y modelado del comportamiento no lineal de inductores por efecto de la saturación magnética

Abstract

El diseño y la optimización de los sistemas electrónicos de potencia, especialmente en aplicaciones aeronáuticas, dependen en gran medida de las herramientas de simulación para garantizar un rendimiento fiable en diversas condiciones. Estos sistemas incorporan dispositivos magnéticos como inductores, transformadores y chokes que, aunque inicialmente exhiben un comportamiento lineal, a menudo muestran una no linealidad significativa debido a la saturación magnética. Este fenómeno es especialmente crítico en condiciones normales de operación, donde los materiales magnéticos (núcleos ferromagnéticos o de ferrita) alcanzan la saturación, afectando al rendimiento general del sistema. Este estudio tiene como objetivo desarrollar un procedimiento de análisis experimental para obtener un modelo heurístico que modele con precisión el comportamiento no lineal real de estos dispositivos inductores. La metodología incluye experimentos detallados para medir las variaciones de inductancia de los inductores con respecto a la intensidad de la corriente eléctrica para diferentes geometrías y frecuencias. Partiendo de un modelo teórico para la evolución de la inductancia normalizada con la intensidad, se hace uso de un algoritmo en MATLAB para el ajuste del mismo a los datos experimentales. Los resultados obtenidos se ajustan de manera satisfactoria a los datos recopilados. A partir de este ajuste, es posible predecir el comportamiento de la bobina en la región de funcionamiento no lineal con una precisión adecuada. Los resultados demuestran la importancia de considerar el comportamiento magnético no lineal en el diseño de los sistemas electrónicos de potencia. El modelo desarrollado se valida tanto con datos experimentales como en entornos de simulación, proporcionando una herramienta robusta para aplicaciones futuras. Este modelo ayudará a predecir el comportamiento y el rendimiento de los dispositivos, optimizando los procesos de diseño y reduciendo la necesidad de pruebas experimentales extensivas. Los hallazgos clave incluyen la identificación de los rangos de intensidad de corriente en los que los inductores exhiben un comportamiento no lineal debido a la saturación del núcleo y la validación del modelo teórico con datos experimentales. Este modelo validado se apoya en SIMetrix como entorno de simulación para explorar diversos escenarios operativos, destacando su utilidad en aplicaciones prácticas. Se propone como trabajo futuro explorar un circuito alternativo en el que se eliminen las resistencias de potencia para reducir comportamientos espurios observados, así como estudiar la incidencia de la geometría del bobinado sobre el comportamiento no lineal del inductor.

The design and optimization of power electronic systems, especially in aeronautical applications, heavily depend on simulation tools to ensure reliable performance under various conditions. These systems incorporate magnetic devices such as inductors, transformers, and chokes which, although initially exhibiting linear behavior, often show significant nonlinearities due to magnetic saturation. This phenomenon is particularly critical under normal operating conditions, where magnetic materials (ferromagnetic or ferrite cores) reach saturation, affecting the overall system performance. This study aims to develop an experimental analysis procedure to obtain a heuristic model that accurately represents the real non-linear behavior of these inductor devices. The methodology includes detailed experiments to measure the inductance variations of inductors concerning the electric current intensity for different geometries and frequencies. Starting from a theoretical model for the evolution of normalized inductance with intensity, a MATLAB algorithm is used to fit it to the experimental data. The results obtained satisfactorily fit the collected data. From this fit, it is possible to predict the coil behavior in the non-linear operating region with adequate accuracy. The results demonstrate the importance of considering non-linear magnetic behavior in the design of power electronic systems. The developed model is validated with both experimental data and in simulation environments, providing a robust tool for future applications. This model will help predict the behavior and performance of the devices, optimizing design processes and reducing the need for extensive experimental testing. Key findings include the identification of current intensity ranges in which inductors exhibit non linear behavior due to core saturation and the validation of the theoretical model with experimental data. This validated model is supported by SIMetrix as a simulation environment to explore various operational scenarios, highlighting its usefulness in practical applications. Future work proposes exploring an alternative circuit where power resistors are eliminated to reduce observed spurious behaviors, as well as studying the impact of winding geometry on the non-linear behavior of the inductor.