aula_mag_v1

Projeto Fsico de Indutores e Transformadores em Alta

Frequncia

Universidade Tecnolgica Federal do Paran Departamento Acadmico de Eletrotcnica

2Projeto Fsico de Indutores e Transformadores em Alta Freqncia

Projeto e aspectos construtivos de indutores e transformadores.

Qual o propsito de usar alta freqncia em conversores?

Introduo

- Reduo dos filtros (capacitores e indutores);

- Reduo do rudo audvel;

- Dinmica.


O sucesso na construo e no perfeito funcionamento de umconversor CC-CC est intimamente ligado com um projeto adequado doselementos magnticos.

Causas: Elementos parasitas (indutncia magnetizante e disperso,capacitncia entre enrolamentos, capacitncias entre espiras, saturaoetc.)

Consequncias: picos de tenso nos semicondutores, altas perdas,emisso de rudos, danos ao conversor etc.

Introduo


Introduo


Forma de onda da corrente sobre o indutor tpica:

Projeto Fsico de Indutores

I

I

pico

min



Escolha do Ncleo Apropriado de um Indutor

iNlHdlHLei de Ampre:( )( ) d tv t N Ndt t Lei de induo de Faraday:

Relao volt-ampre:

Induo magntica:

( )( ) di t iv t L Ldt t

HB o

Fluxo magntico: B Ae


FerriteDesvantagens:

-Baixa densidade de fluxo de saturao (0,3T);

-Baixa robustez a choques mecnicos;

Por que no ferro-silcio?

Ncleos de Ferrite do Tipo E

AeAw

Ncleos Carretel

BA

D

C

Perdas por histerese e por correntes parasitas induzidas.



Escolha do Ncleo Apropriado num Indutor

iN L

t t

B Ae

( )( ) d tv t N Ndt t

( )( ) di t iv t L Ldt t

iN L

iN L

B Ae




Considerando que, quando a corrente no indutor mxima (Ipico) tem-se o mximo valor de B (Bmax)

iN L

B Aemax

picoIN L

B Ae

p

eficaz

AIN

Jmax

A mxima densidade de corrente definida:

Ap = rea transversal do enrolamento de cobre

I

I

pico

min

10

Projeto Fsico de Indutores e Transformadores em Alta Freqncia



p w wA k Area ocupada

pelos enrolamentos

Aw

0,4 0,7wk

Kw = fator de ocupao docobre dentro do carretel

p

eficaz

AIN

Jmax

Ento: p w wA k A

eficazmax

w w

N IJk A

11




Isolando N:max w w

eficaz

J k ANI

max

picoIN L

B Ae

Relacionando as duas equaes de N ( induo magntica e densidadede corrente):

max w w

eficaz

J k ANI

4

max max

10pico eficaze ww

L I IA A

B J k

12



Nmero de Espiras

max

picoIN L

B Ae

Entreferro

A indutncia depende diretamente do nmero de espiras e da relutncia total do circuito magntico

2

total

NLR

Por melhor que seja o material utilizado no ncleo sempre existe uma

oposio passagem de fluxo (relutncia)

ncleonucleo

ncleo e

lRA

13



EntreferroOs entreferros so utilizados em indutores por duas razes:

Faz com que o valor de L seja praticamente insensvel s variaes na

permeabilidade do ncleo, que dependente da temperatura.

2

total

NLR

ncleonucleo

ncleo e

lRA

A adio de entreferro permite que o indutor opere com valores

maiores de corrente no enrolamento sem que ocorra saturao do

ncleo.

14



Entreferro

O entreferro aumenta a relutncia total do circuito magntico e evita variaes da indutncia com a permeabilidade relativa do ncleo.

eo

entreferroentrefeero A

lR

caminho magntico

comprimento do metade do

entreferro

entreferro de ar

15



Entreferro

Considerando a relutncia do entreferro muito maior que a relutncia do ncleo.

entreferro nucleoR R total entreferroR R

2 2

total entreferro

N NLR R

entreferroentreferro

o e

lR

A

2210 oentreferro N Ael L

No ncleo E-E normalmente cada perna lateral possui a metade do valor calculado do entreferro.

16



Entreferro

A adio de entreferro permite que o indutor opere com valores

maiores de corrente no enrolamento sem que ocorra saturao do

ncleo.=BAe

n.Isat1 n.Isat2

R +R1

R1nucleo

nucleo entreferro

Bsat . Ae

Bsat . Ae

nI H

17



Clculo da Bitola dos CondutoresAlta freqncia necessrio considerar o efeito pelicular (skin

efect).

O valor da profundidade de penetrao pode ser obtido atravs da

expresso abaixo:

f5.7

18



Clculo da Bitola dos Condutores

O clculo da bitola necessria para conduzir a corrente do

enrolamento depende da mxima densidade de corrente admitida no

condutor .

Para respeitar as equaes:max

eficazfio

IS

J

Utiliza-se condutores em paralelo:

f5.7

max

eficazfio

IS

J

fiocondutores

skin

SnS

Sskin = rea do condutor cujo o dimetro mximo limitado pelo valor

2.

19



Clculo da Elevao de Temperatura

Perdas totais= Perdas cobre + Perdas magnticas

Perdas cobre (efeito joule)

condotores

espirafiocobre n

NlR

Perdas magnticas (histerese)

2,4 2nucleo h f ncleoP B K f K f V Kh = coeficiente de perdas por histerese;Kf = coeficiente de perdas por correntes

parasitas;Vnucleo = volume do ncleo.

Para ncleos da Thornton:

Kh = 4.10-5;Kf = 4.10-10.

2efcobrecobre IRP

20



Clculo da Elevao de Temperatura

Resistncia Trmica do Ncleo:

Elevao de Temperatura

37.023 wenucleo AARt

nucleoncleocobre RtPPT

21



Possibilidade de Execuo

Verificar se possvel colocar os enrolamentos na janela do ncleo

escolhido (Aw).

_min

condutores fio escolhidow

N n SAw

KA Possibilidade de execuo definida como:

Caso no seja possvel construir o enrolamento na janela

disponvel, deve-se ajustar os parmetros Bmax, Jmax, e no. condutores ou

ainda escolher outro ncleo.

1min ncleoAw

AwExec

Sfio considerando isolamento

22


Projeto Fsico de Transformadores

Usa a mesma metodologia do projeto do indutor;

Analisar a forma de onda da tenso aplicada sobre o transformador;

Considerar o numero de enrolamentos;

No usa entreferro (com exceo do transformador do conversor

Flyback);

23



ct t

B Ae

( )( ) d tv t N Ndt t in pV N t

Escolha do Ncleo Apropriado num Transformador

in pB AeV Nt

ctDT

sDt D Tf

max

max

ine

p s

V DAN f B

e sin pB A fV N

D

24



p w p wA K K A


p

eficaz

AIN

Jmax

A mxima densidade de corrente definida:

Onde:

Ap= rea da seo transversal ocupada pelo enrolamento primriokp=fator de ocupao da rea de janela por este enrolamentoKw = fator de ocupao do cobre dentro do carretel

max

p eficazw

p w

N IpA

J k k

25




Como:

max

1, 2p eficazw

p w

N IpA

J k k

Corrente de magnetizao

maxmax max

1,2p eficazine w

p s p w

N IpV DA AN f B J k k

max

max

ine

p s

V DAN f B

26


Projeto Fsico de Trasformadores

Nmero de Espiras

max

max

inp

e s

V DNA f B

max

max

ine

p s

V DAN f B

s pN a N

27


Projeto Fsico de Trasformadores

Possibilidade de Execuo

A Possibilidade de execuo definida como:

1min ncleoAw

AwExec

Sfio considerando isolamento

. .

min

i condutores i fio ii

w

N n SAw

K

Clculo trmico similar ao indutor

28


Projeto Fsico de Transformadores para conversor Flyback:

Livro - Projetos de fontes chaveadas

Fios disponveis:

AWG 17

AWG 21

AWG 28

Documents

aula_mag_v1