Projeto de Transformadores para Alta Frequência
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- Nina Casqueira de Paiva
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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 Florianópolis, abril de Prof. Clovis Antonio Petry.! Prof. Joabel Moia.
2 Biografia para Esta Aula Projeto de transformadores em alta frequência: Conversor Forward; Projeto do transformador do conversor Forward; Conversor Flyback; Projeto do transformador do conversor Flyback.
3 Nesta Aula Projeto de transformadores em alta frequência: Conversor Forward; Projeto do transformador do conversor Forward; Conversor Flyback; Projeto do transformador do conversor Flyback.
4 Conversor Forward
5 Conversor Forward
6 Projeto do Transformador: Conversor Forward Montagem do núcleo (com entreferro):
7 1) Dados de entrada: F P V V V s out out in = 20kHz Freqüência de operação; in min Projeto do Transformador: Conversor Forward = 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;
8 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; µ =4π 7 10 Wb / A / m Permeabilidade no vácuo.
9 2) Escolha do núcleo: Projeto do Transformador: Conversor Forward 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
10 3) Cálculo do número de espiras: Projeto do Transformador: Conversor Forward 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 = n Np = 0, = 8espiras Nt = Np = 59espiras
11 4) Perdas no núcleo: Projeto do Transformador: Conversor Forward K K H E = 4 10 = ( ) P = ΔB K F + K F V 2,4 2 nucleo H s E s e P nucleo ( ) = + 2, , ,5 Pnucleo = 2,26W
12 5) Profundidade de penetração: Projeto do Transformador: Conversor Forward 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
13 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, cu 22 5fios
14 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 = = = J 450 0,0043cm 2 Maior que a área do fio 22 AWG. N fios _ p S p 0,0043 = = = A 0, cu 22 2fios
15 7) Escolha da seção dos condutores (terciário): I = 0,2 I = 0,2 1,93 = 0,4 A tef Projeto do Transformador: Conversor Forward pef S t Itef 0,4 = = = J 450 0,00086cm 2 Menor que a área do fio 22 AWG. N fios _ t St 0,00086 = = = 0,26 = 1fio A 0, cu 22
16 8) Cálculo da resistência do fio: Projeto do Transformador: Conversor Forward ρ 0, = = 59 11,6 = 0,18Ω 2 22 R fiop Np lt N fios _ p ρ 0, = = 8 11,6 = 0,0098Ω 5 22 R fios Ns lt N fios _ s ρ 0, = = 59 11,6 = 0,36Ω 1 22 R fiot Nt lt N fios _ t
17 9) Perdas no cobre: Projeto do Transformador: Conversor Forward 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
18 12) Cálculo do fator de ocupação: Projeto do Transformador: Conversor Forward Aw neces Awneces = ( ) Np N + Ns N + Nt N S fios _ s fios _ s fios _ t 22 0, , = = 1,244 cm 0,7 ( ) 2 K ocup Awneces 1,244 = = = 0,5 Aw 2,5
19 Conversor Flyback
20 1) Dados de entrada: Projeto do Transformador: Conversor Flyback 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;
21 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; µ =4π Projeto do Transformador: Conversor Flyback 7 10 Wb / A / m Permeabilidade no vácuo. 2) Cálculo da corrente de pico no primário: I p 2 Pout = = = η V D 0, ,4 in min max 3,213 A
22 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
23 4) Cálculo do entreferro: Projeto do Transformador: Conversor Flyback Δ Pout 120 W = η F = 0,75 20k = s 8mJ δ m = = = 7 2 µ o ΔW 2 4π ΔB Ae 0,3 3, ,631mm δ 0,631mm lg = = = 0,316mm 2 1
24 5) Cálculo do número de espiras: Projeto do Transformador: Conversor Flyback 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
25 6) Perdas no núcleo: Projeto do Transformador: Conversor Flyback K K H E = 4 10 = ( ) P = ΔB K F + K F V 2,4 2 nucleo H s E s e P nucleo ( ) = + 2, , ,5 Pnucleo = 2,26W
26 7) Profundidade de penetração: Projeto do Transformador: Conversor Flyback 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
27 Projeto do Transformador: Conversor Flyback 8) Escolha da seção dos condutores (primário): max max I pef = I p = 3,213 = 1,173 A S p I 1, pef 2 = = = 0,0026cm Pode ser usado o fio 23 AWG. J D D 3 3
28 9) Escolha da seção dos condutores (secundário): max Isef = Is = = 16,9 A S N p 47 Is = I p = 3,213 = 37,75 A N2 4 1 D 1 0,4 3 3 s Projeto do Transformador: Conversor Flyback Isef 16,9 = = = 0,037cm J Maior que a área do fio 22 AWG. N fios _ s Ss 0,037 = = = 12fios A 0, cu 22
29 10) Cálculo da resistência do fio: Projeto do Transformador: Conversor Flyback ρ 0, = = 47 11,6 = 0,36Ω 1 23 R fiop Np lt N fios _ p ρ 0, = = 4 11,6 = 0,00205Ω R fios Ns lt N fios _ s
30 11) Perdas no cobre: Projeto do Transformador: Conversor Flyback 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
31 14) Cálculo do fator de ocupação: Projeto do Transformador: Conversor Flyback Aw neces = Np N S + Ns N S fios _ s 23 fios _ s 22 0,7 Awneces , , = = 0,7 0,49cm 2 K ocup Awneces 0,49 = = = 0,2 Aw 2,5
32 Próxima Aula Conversores cc-cc: Projeto do estágio de potência do conversor. S a L o + V i D Co Ro V o b -
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