Projeto de Transformadores para Alta Frequência

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1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrônica Pós-Graduação em Desen. de Produtos Eletrônicos Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas Projeto de Transformadores para Alta Frequência Prof. Clóvis Antônio Petry. Florianópolis, maio de 2012.

2 Bibliografia para esta aula Introdução comparativa 1. Conversor Forward; 2. Projeto do transformador do conversor Forward; 3. Conversor Flyback; 4. Projeto do transformador do conversor Flyback.

3 Conversor Forward

4 Conversor Forward

5 Projeto do transformador Conversor Forward Montagem do núcleo (com entreferro):

6 Projeto do transformador Conversor Forward 1) Dados de entrada: F P V V V s out out in = 20kHz Freqüência de operação; in min = 120W Potência na saída; = 12V Tensão na saída; = 311± 20% V Tensão na entrada; = 249V Tensão mínima na entrada; 2 J=450 A/ cm Densidade de corrente;

7 Projeto do transformador Conversor Forward 1) Dados de entrada: B=0,3T Densidade de fluxo máximo; kp=0,5 Fator de ocupação do primário; kw=0,4 Fator de ocupação do primário; η=75% Rendimento da estrutura; V =1V F o max Queda de tensão dos diodos; D = 0,4 Razão cíclica máxima; 7 µ =4π 10 Wb / A / m Permeabilidade no vácuo.

8 Projeto do transformador Conversor Forward 2) Escolha do núcleo: AeAw Pout = = = k k J F ΔB η 0,4 0, k 0,3 0,75 w p s 5,9cm 4 Núcleo A e (cm 2 ) A w (cm 2 ) l e (cm) l t (cm) v e (cm 3 ) A e A w (cm 4 ) E-20 0,312 0,26 4,28 3,8 1,34 0,08 E-30/7 0,60 0,80 6,7 5,6 4,00 0,48 E-30/14 1,20 0,85 6,7 6,7 8,00 1,02 E-42/15 1,81 1,57 9,7 8,7 17,10 2,84 E-42/20 2,40 1,57 9,7 10,5 23,30 3,77 E-55 3,54 2,50 1,2 11,6 42,50 8,85

9 Projeto do transformador Conversor Forward 3) Cálculo do número de espiras: Np V 249 in min = = = 4 2 Ae ΔB Fs 2 3, ,3 20k 59espiras Ns V + V D ,4 = n = = = Np V D 249 0,4 out F max 1,1 1,1 0,137 in min max Ns Nt = n Np = 0, = 8espiras = Np = 59espiras

10 Projeto do transformador Conversor Forward 4) Perdas no núcleo: K K H E = 410 = ( ) P =ΔB K F + K F V 2,4 2 nucleo H s E s e P nucleo ( ) = + 2, , ,5 Pnucleo = 2,26W

11 Projeto do transformador Conversor Forward 5) Profundidade de penetração: 7,5 7,5 Δ= = = F s 0,053cm Dfiomax = 2 Δ= 2 0,053 = 0,106cm Não poderá ser utilizado condutor com diâmetro maior que 0,106 cm. Portanto, podem ser utilizados condutores mais finos que o fio 18 AWG. Escolheu-se o condutor 22 AWG. Acu 22 = 0,003255cm 2 S22 = 0,004013cm 2 ρ22 = 0, Ω/ cm

12 Projeto do transformador Conversor Forward 7) Escolha da seção dos condutores (secundário): I S sef s Iout 10 = = = 7,1A 2 2 Isef 7,1 = = = 0,016cm J Maior que a área do fio 22 AWG. N fios _ s Ss 0,016 = = = A 0, cu22 5fios

13 Projeto do transformador Conversor Forward 7) Escolha da seção dos condutores (primário): I S pef p 4 Pout = = = 1,93 A V 249 i min I pef 1,93 = = = 0,0043 cm J Maior que a área do fio 22 AWG. N fios _ p S p 0,0043 = = = A 0, cu22 2fios

14 Projeto do transformador Conversor Forward 7) Escolha da seção dos condutores (terciário): I = 0,2 I = 0,2 1,93 = 0,4 A tef pef S t Itef 0,4 = = = J 450 0,00086 cm 2 Menor que a área do fio 22 AWG. N fios _ t St 0,00086 = = = 0,26 = 1fio A 0, cu22

15 Projeto do transformador Conversor Forward 8) Cálculo da resistência do fio: ρ 0, = = 59 11,6 = 0,18Ω 2 22 Rfiop Np lt N fios _ p ρ 0, = = 8 11,6= 0,0098Ω 5 22 Rfios Ns lt N fios _ s ρ 0, = = 59 11,6 = 0,36Ω 1 22 Rfiot Nt lt N fios _ t

16 Projeto do transformador Conversor Forward 9) Perdas no cobre: P = R I + R I + R I cobre fiop pef fios sef fiot tef Pcobre = + + = ,18 1,93 0,0098 7,1 0,36 0,38 1,22 W 10) Perdas totais: P = P + P = 2,26 + 1,22 = 3,48W totais nucleo cobre 11) Elevação de temperatura: ( ) ( ) 0,37 0,37 o Rt = 23 AeAw = 23 8,85 = 10,26 C / W Δ T = Rt P = 10,26 3,48 = 35,7 o C total

17 Projeto do transformador Conversor Forward 12) Cálculo do fator de ocupação: Aw K ocup neces Awneces = ( ) Np N + Ns N + Nt N S Awneces 1, 244 = = = 0,5 Aw 2,5 fios _ s fios _ s fios _ t 22 0,7 ( + + ) , = = 1, 244 cm 0,7

18 Conversor Flyback

19 Projeto do transformador Conversor Flyback 1) Dados de entrada: F P V V V s out out in = 20kHz Freqüência de operação; in min = 120W Potência na saída; = 12V Tensão na saída; = 311± 20% V Tensão na entrada; = 249V Tensão mínima na entrada; 2 J=450 A/ cm Densidade de corrente;

20 Projeto do transformador Conversor Flyback 1) Dados de entrada: B=0,3T Densidade de fluxo máximo; kp=0,3 Fator de ocupação do primário; kw=0,4 Fator de ocupação do primário; η=75% Rendimento da estrutura; V =1V F o max Queda de tensão dos diodos; D = 0,4 Razão cíclica máxima; 7 µ =4π 10 Wb / A / m Permeabilidade no vácuo. 2) Cálculo da corrente de pico no primário: I p 2 Pout = = = 3,213 A η V D 0, ,4 in min max

21 Projeto do transformador Conversor Flyback 3) Escolha do núcleo: AeAw 4 4 1,1 Pout 10 1, = = = k k J F ΔB 0,4 0, k 0,3 w p s 4,0cm 4 Núcleo A e (cm 2 ) A w (cm 2 ) l e (cm) l t (cm) v e (cm 3 ) A e A w (cm 4 ) E-20 0,312 0,26 4,28 3,8 1,34 0,08 E-30/7 0,60 0,80 6,7 5,6 4,00 0,48 E-30/14 1,20 0,85 6,7 6,7 8,00 1,02 E-42/15 1,81 1,57 9,7 8,7 17,10 2,84 E-42/20 2,40 1,57 9,7 10,5 23,30 3,77 E-55 3,54 2,50 1,2 11,6 42,50 8,85

22 Projeto do transformador Conversor Flyback 4) Cálculo do entreferro: Δ Pout 120 W = 8mJ η F = 0,75 20k = s 7 2 µ o ΔW 2 4π 10 8m ΔB Ae 0,3 3,54 10 δ = = = 0,631mm δ 0,631mm lg = = = 0,316 mm 2 1

23 Projeto do transformador Conversor Flyback 5) Cálculo do número de espiras: Np 3 ΔB δ 0,3 0, = = = 7 µ I 4π 10 3,213 o p 47espiras Ns V + V 1 D ,4 Np V D 249 0,4 out D max = n = = = in min max 0,078 Ns = n Np = 0, espiras

24 Projeto do transformador Conversor Flyback 6) Perdas no núcleo: K K H E = 410 = ( ) P =ΔB K F + K F V 2,4 2 nucleo H s E s e P nucleo ( ) = + 2, , ,5 Pnucleo = 2,26W

25 Projeto do transformador Conversor Flyback 7) Profundidade de penetração: 7,5 7,5 Δ= = = F s 0,053cm Dfiomax = 2 Δ= 2 0,053 = 0,106cm Não poderá ser utilizado condutor com diâmetro maior que 0,106 cm. Portanto, podem ser utilizados condutores mais finos que o fio 18 AWG. Escolheu-se o condutor 22 AWG. Acu 22 = 0,003255cm 2 S22 = 0,004013cm 2 ρ22 = 0, Ω/ cm

26 Projeto do transformador Conversor Flyback 8) Escolha da seção dos condutores (primário): max max Ipef = Ip = 3,213 = 1,173 A S p I 1,173 0, pef 2 = = = cm Pode ser usado o fio 23 AWG. J D D 3 3

27 Projeto do transformador Conversor Flyback 9) Escolha da seção dos condutores (secundário): N p 47 Is = Ip = 3,213 = 37,75 A N2 4 1 Dmax 1 0,4 Isef I = s = = 16,9 A 3 3 Isef 16,9 0,037 2 Ss = = = cm J 450 Maior que a área do fio 22 AWG. N fios _ s Ss 0,037 = = = 12fios A 0, cu22

28 Projeto do transformador Conversor Flyback 10) Cálculo da resistência do fio: ρ 0, = = 47 11,6 = 0,36Ω 1 23 Rfiop Np lt N fios _ p ρ 0, = = 4 11,6= 0,00205Ω Rfios Ns lt N fios _ s

29 Projeto do transformador Conversor Flyback 11) Perdas no cobre: P = R I + R I 2 2 cobre fiop pef fios sef Pcobre = + = 2 2 0,36 1,173 0, ,9 1,08 W 12) Perdas totais: P = P + P = 2,26 + 1,08 = 3,34W totais nucleo cobre 13) Elevação de temperatura: ( ) ( ) 0,37 0,37 o Rt = 23 AeAw = 23 8,85 = 10,26 C / W Δ T = Rt P = 10,26 3,34 = 34,28 o C total

30 Projeto do transformador Conversor Flyback 14) Cálculo do fator de ocupação: Aw neces Awneces = Np N S + Ns N S fios _ s 23 fios _ s 22 0, , , = = 0,49 cm 0,7 2 K ocup Awneces 0,49 = = = 0,2 Aw 2,5

31 Próxima aula Conversores cc-cc: Projeto do estágio de potência do conversor. S Lo a Vi D + Co Ro Vo - b