GEOMETRIA DE NÚCLEOS PARA ACOPLAMENTOS MAGNÉTICOS APLICADOS NA INTERLIGAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS

DENIZAR CRUZ MARTINS

GEOMETRIA DE NÚCLEOS PARA

ACOPLAMENTOS MAGNÉTICOS APLICADOS NA

INTERLIGAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS

INTRODUÇÃO

• Acoplar sistemas de potência por meio do fluxo magnético;

• Interligar cargas e fontes de energia com características e níveis de

tensões diferentes;

• Promover isolação galvânica;

• Multidirecionalidade do fluxo de potência.

INTRODUÇÃO

• Acoplamento CC: capacitor de acoplamento;

• Acoplamento CA de Baixa Frequência: freq. da rede (50 – 60 Hz);

• Acoplamento CA de Alta Frequência: acoplamento magnético.

INTRODUÇÃO

• Vantagens:

• Isolação galvânica:

• Desacoplamento elétrico dos sistemas;

• Segurança tanto para usuários como para os equipamentos;

• Adequação dos níveis de tensão;

• Redução de estresses nos conversores.

• Desvantagens:

• Número limitado de conexões:

• Complexidade do gerenciamento do fluxo de potência aumenta com o número de enrolamentos no barramento magnético;

• Aumento de perdas:

• Sistemas isolados tendem a apresentar maiores perdas.

MOTIVAÇÃO

• Porque estudar o barramento magnético?

• Geração distribuída:

• Geração próxima aos centros consumidores; • Acoplamento de fontes de energia:

• Cogeradores;

• Geradores de emergência;

• Energias renováveis: painéis fotovoltaicos e aerogeradores; • Pequenas centrais hidrelétricas.

• Modernização do sistema de distribuição:

PRINCÍPIO E PRINCIPAIS MATERIAIS

• Núcleo magnético:

• Confinar o fluxo magnético em um caminho bem definido,

reduzindo a dispersão e melhorando o acoplamento entre os

sistemas.

• Principais materiais:

• Ferro silício;

• Ferrite;

• Amorfo;

• Nanocristalino.

• Ferro silício:

• Ferro com adição de silício (1% a 3%);

• Elevado valor de B

;

• Alta permeabilidade magnética;

• Elevada temperatura de Curie;

• Robustez;

• Perdas elevadas em alta frequência.

• Ferrite;

• Amorfo;

• Ferro silício;

• Ferrite:

• Cerâmica policristalina;

• Versatilidade;

• Baixo custo;

• Perdas moderadas;

• Baixo valor de B

;

• Baixa temperatura de Curie

(150 °C a 300 °C).

• Amorfo;

• Ferro silício; • Ferrite:

• Amorfo;

• Ligas de ferro com outros materiais magnéticos, vidros metálicos;

• Elevado valor de B_sat;

• Alta permeabilidade magnética;

• Lâminas finas, na faixa de 15 μm (10 vezes mais finas que o ferro silício);

• Baixa resistividade;

• Perdas elevadas para valores elevados de B_max.

• Ferro silício;

• Ferrite:

• Amorfo;

• Nanocristalino:

• Aperfeiçoamento dos materiais amorfos;

• B

maior que do ferrite, mas menor que ferro silício;

• Custo elevado;

• Apenas no formato toroidal e C: baixa customização;

• Material mais usado em trabalhos dedicados ao barramento

magnético.

• Comparativo:

• PC95: Ferrite;

• 2605S3A e 2714A: Amorfo;

• Nanoperm®: Nanocristalino.

CONVERSOR MAB

• Principais topologias para o gerenciamento do fluxo de potência;

• Generalização do conceito por Falcones et al., 2013:

• Transferência de potência ocorre pela indutância de transmissão;

• Indutância de dispersão é “aproveitada”.

CONVERSOR MAB

• Modelagem por rede de alta frequência;

• Transferência de potência entre as portas:

• Número de conexões:

 

_

_

Conversor MAB como rede de alta frequência.

 

 

INDUTÂNCIA DE TRANSMISSÃO



DISPERSÃO

• Indutância de dispersão:

• Fluxo que não circula por todos os enrolamentos;

• Armazenamento de energia;

• Pode ser aproveitado para compor a indutância de transmissão nos conversores MAB.

• Duas vertentes na literatura:

1. Barramento magnético com indutância de dispersão equivalente à indutância de transmissão;

• Técnicas para ajustar a indutância de dispersão:

• Sobreposição parcial dos enrolamentos:

• Técnicas para ajustar a indutância de dispersão:

• Técnicas para ajustar a indutância de dispersão:

• Ajuste da distância entre as camadas dos enrolamentos.

• Barramento magnético com indutância de dispersão equivalente à

indutância de transmissão:

• Vantagens:

• Menor número de elementos no circuito; • Aumento da densidade de potência. ??? ???

• Desvantagens:

• Redução na eficiência;

• Indutância de dispersão tem forte dependência de aspectos construtivos; • Dificuldade de projetar o valor preciso;

• Dificuldade em realizar ajuste fino;

• Dispersão é prejudicial para algumas topologias de conversores usados em SSTs;

BARRAMENTO MAGNÉTICO

• Princípio de funcionamento: Lei de Faraday

• Geometrias de barramento magnético

• Solenoidal:

• Fluxo magnético flui em paralelo ao eixo cilíndrico; • Corrente circunda o eixo cilíndrico;

• Predominante na eletrônica de potência;

• Coaxial:

• Fluxo magnético circunda o eixo cilíndrico; • Corrente flui em paralelo ao eixo cilíndrico;

• Utilizada predominantemente em telecomunicações;

C d S _t d      





BARRAMENTO MAGNÉTICO

Estruturas solenoidais

Shell - Predominante na eletrônica de potência (núcleo EE);

• Indutância de dispersão baixa e equilibrada em todos os enrolamentos; • Proteção mecânica nos enrolamentos.

Core

• Baixa proteção mecânica nos enrolamentos; • Indutância de dispersão elevada.

Matrix - Variação da estrutura tipo Shell

• Melhor distribuição das linhas de fluxo magnético; • Baixa indutância de dispersão.

BARRAMENTO MAGNÉTICO

• Vantagens:

• Alto fator de acoplamento; • Baixa indutância de dispersão.

• Desvantagens:

• Dificuldade de fabricação;

• Volume elevado para manter a indutância magnetizante elevada; • Relações diferentes de 1:1 reduzem a vantagem do alto fator de

acoplamento;

• Capacitâncias parasitas deixam de ser desprezíveis, mesmo operando em frequências menores;

• Volume elevado para frequências baixas.

Estruturas coaxiais:

PROPOSTA DE GEOMETRIAS DE NÚCLEOS

• Geometrias originadas como variações dos núcleos XS e pote:

• Geometrias muito utilizadas em acoplamento de sinais;

• Usar as características destas geometrias em potências elevadas.

• Características buscadas:

• Melhor distribuição das linhas de fluxo magnético; • Elevado fator de acoplamento;

• Modularidade.

• Geometrias propostas:

PROPOSTA DE GEOMETRIAS DE NÚCLEOS

• Avaliar o efeito das diferentes geometrias de núcleos aplicados a

um conversor DAB (2 portas):

• Distribuição das linhas de fluxo magnético; • Perdas no ferro; • Fator de acoplamento; • Indutância de dispersão;

• Estruturas comparadas:

Objetivos

Estruturas propostas

PROJETO DOS NÚCLEOS

• Conversor DAB:

• Barramento magnético:

Dado Descrição Valor

V₁ Tensão de pico na porta 1 400 V

V₂ Tensão de pico na porta 2 800 V

I_L1rms Corrente eficaz na porta 1 3,04 A

I_L2rms Corrente eficaz na porta 2 1,52 A

S_total Potência total 2,43 kVA

P₁ = 1 kW

P₂ = 1 kW

PROJETO DOS NÚCLEOS

• Metodologia de projeto para comparação

• Projetar um barramento magnético com núcleo EE de acordo com os procedimentos padrões da literatura (Hurley, Wölfle, 2013);

• Projetar as demais geometrias preservando os valores de área da perna central e área da janela.

RESULTADOS DE SIMULAÇÃO POR MEF

• Dados geométricos dos núcleos:

Dado Shell Core Matrix Pote XS Pote Es. XS Es.

Perna central (mm2_{) 770,1 770,1 779,8 771,6 771,6 385,2 385,2}

Janela (mm2_{) 547,8 547,8 547,8 547,8 547,8 1100,0 1100,0}

Produto das áreas (cm4_{) 42,2 42,2 42,7 42,3 42,3 42,4 42,4}

Volume (cm3_{) 127,2 150,9 123,6 140,4 132,4 101,2 98,6}

Área da superfície (cm2_{) 29,1 26,0 46,5 42,2 39,64 47,4 46,2}

Comprimento médio da espira

(mm) 168,2 168,2 172,9 142,7 142,7 115,6 115,6

RESULTADOS DE SIMULAÇÃO POR MEF

Distribuição do fluxo magnético B = 0,054 T

RESULTADOS DE SIMULAÇÃO POR MEF

• Resumo dos resultados obtidos:

Geometria Dispersão (μH) Perdas no núcleo (W) Perdas por volume (kW/L) Perdas no cobre (W) 1 Perdas totais (W) Rendimento (%) Shell 50,69 1,29 10,14 2,22 3,51 99,649 Core 248,23 1,63 10,78 2,22 3,85 99,615 Matrix 49,06 1,40 11,51 2,29 3,71 99,629 Pote 26,94 1,19 8,50 1,89 3,08 99,692 XS 26,71 1,16 8,75 1,89 3,05 99,695 Pote Est. 76,90 0,91 9,03 3,16 4,07 99,593 XS Est. 77,31 0,90 9,13 3,16 4,06 99,594

COMENTÁRIOS

• Geometria influencia nas perdas e acoplamento;

• Estrutura do tipo XS apresentou melhor desempenho:

• Maior acoplamento;

• Menor indutância de dispersão; • Maior indutância magnetizante; • Menores perdas;

• Maior aproveitamento volumétrico.

• Estrutura do tipo Core apresentou pior desempenho;

• Estruturas estendidas:

• Rendimento global inferior as demais;

Obrigado pela Atenção

Denizar Cruz Martins

denizar@inep.ufsc.br