Thermal analysis and cooling concepts of three-phase medium-frequency transformer for dual active bridge DC-DC converters

The transformation of the energy production requires new technologies of electricity transmission as well. As a key part of the high power DC/DC converters, medium-frequency transformers are playing one of the vital roles. The activity in this project focusing on the modelling of the air-cooling of the prototype transformer in E.ON. Energy Research Center RWTH Aachen. MATLAB based 2-D FEMM simulation program is used to model the transformer in 2-D. The program used to model the electromagnetic and the heat transfer of the transformer with two different simulations in a coupled manner. The main idea is to include the temperature dependency of the transformer losses into the model. The program only allows to solution of conduction and give convection as a boundary condition. This limits the solution by neglecting the effects of fluid dynamics. Thus, the heat transfer coefficients can only calculated from a analytical background. To model the turbulent flow around the transformer, another open-source CFD program OpenFOAM is used to calculate the heat transfer coefficients with a more realistic approach. In the model, data acquired from the 2-D FEMM used as the heat loss input. The model consist of one solid region of the core and the fluid region of the cooling air flow. The conduction heat transfer of the winding were negligible compared to the convection. CFD simulations are used to analyze the critical hot-spots of the transformer and reported as 415 K, located in the mid-leg winding. Once the case setup was set and ready, this used to simulate alternative scenarios such as partial load of the transformer and the natural convection of other transformer designs from RWTH Aachen. For the partial load of the transformer, a correlation is detected with the inlet velocity of the flow. This further study aimed to create further energy savings from the cooling fan by adjusting the flow for the given partial load.

La trasformazione della produzione di energia richiede anche nuove tecnologie di trasmissione dell'elettricità. Come parte fondamentale dei convertitori DC/DC ad alta potenza, i trasformatori a media frequenza giocano un ruolo vitale. L'attività in questo progetto si concentra sulla modellazione del raffreddamento ad aria del prototipo di trasformatore di E.ON. Energy Research Center RWTH Aachen. Il programma di simulazione FEMM 2-D basato su MATLAB è usato per modellare il trasformatore in 2-D. Il programma ha usato per modellare l'elettromagnetismo e il trasferimento di calore del trasformatore con due diverse simulazioni in modo accoppiato. L'idea principale è di includere la dipendenza dalla temperatura delle perdite del trasformatore nel modello. Il programma permette solo di risolvere la conduzione e dare la convezione come condizione limite. Questo limita la soluzione trascurando gli effetti della fluidodinamica. Così, i coefficienti di trasferimento di calore possono essere calcolati solo da un fondo analitico. Per modellare il flusso turbolento intorno al trasformatore, un altro programma CFD open-source OpenFOAM è usato per calcolare i coefficienti di trasferimento di calore con un approccio più realistico. Nel modello, i dati acquisiti dal FEMM 2-D usato come input di perdita di calore. Il modello consiste in una regione solida del nucleo e la regione fluida del flusso d'aria di raffreddamento. Il trasferimento di calore per conduzione dell'avvolgimento è trascurabile rispetto alla convezione. Le simulazioni CFD sono state utilizzate per analizzare i punti caldi critici del trasformatore e riportati come 415 K, situati nell'avvolgimento di metà gamba. Una volta che il setup del caso è stato impostato e pronto, questo utilizzato per simulare scenari alternativi come il carico parziale del trasformatore e la convezione naturale di altri progetti di trasformatori da RWTH Aachen. Per il carico parziale del trasformatore, è stata rilevata una correlazione con la velocità di ingresso del flusso. Questo ulteriore studio mira a creare ulteriori risparmi energetici dalla ventola di raffreddamento regolando il flusso per il carico parziale dato.