Transformador para Fonte de Alta-tensão Contínua - PDF
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Daniel Gil Monsanto
1 INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Área Departamental de Engenharia de Sistemas de Potência e Automação Transformador para Fonte de Alta-tensão Contínua JOÃO DAVID FERREIRA DA SILVA (Licenciado em Engenharia Electrotécnica) Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica ramo de Automação e Electrónica Industrial Orientador: Professor Doutor Luís Manuel dos Santos Redondo Júri: Presidente: Professor Doutor Elmano da Fonseca Margato Vogais: Professor Doutor Luís Manuel dos Santos Redondo Professor Doutor Acácio João Galhardo Baptista Setembro de 2013
3 Agradecimentos Este trabalho é o culminar de um percurso no ISEL no qual, várias pessoas, directa ou indirectamente tiveram um papel importante. A todas elas o meu obrigado. Gostaria no entanto, deixar um especial agradecimento às pessoas que me são mais próximas, uma vez que foram as mais sacrificadas em prol do sucesso do mesmo. Como tal, quero agradecer aos meus pais, Domingos Silva e Maria Augusta Silva, à minha irmã Filipa Silva e à minha namorada Andreia Lino. Gostaria de deixar também um agradecimento especial, ao Professor Doutor Luís Redondo, por todo o apoio, disponibilidade e ensinamentos por si sempre demonstrados, ao professor Hiren Canacsinh, pela sua disponibilidade e suporte sempre que foi necessário e ao meu colega de laboratório António Cavaleiro, pela companheirismo e ajuda. A todos os demais, que fizeram parte deste percurso mas que não estão aqui referidos, o meu muito obrigado! i
5 Resumo Neste trabalho pretende-se fazer o estudo, o dimensionamento e a implementação experimental de dois transformadores de alta tensão e alta frequência e os respectivos circuitos ressonantes para uma fonte de tensão contínua. Estes sistemas serão alimentados por um inversor de tensão. Inicialmente realizou-se um estudo sobre o modo de funcionamento do inversor de tensão. De seguida procedeu-se ao dimensionamento dos transformadores e à construção do seu modelo matemático para posterior simulação, permitindo a optimização do mesmo. Posteriormente, foram determinados os parâmetros não lineares dos transformadores, feitas as devidas simulações e construídos os respectivos circuitos ressonantes. Por fim procedeu-se à implementação prática, dos sistemas previamente dimensionados e simulados e à apresentação dos devidos resultados. iii
7 Abstract In this work it s intent to study, the development and experimental implementation of two high frequency and high voltage transformers and their corresponding resonant converters, for a DC Power Supply. These systems are supplied from a voltage inverter. At the beginning, it was studied the voltage inverter s operating mode. The next procedure was transformer s development, its assembling and the mathematical model s design for testing in simulation environment, allowing the optimization of the parameters. Then, it was calculated all the typical parameters of high voltage and high frequency transformer and it was done the transformer model s simulation and assembled the resonant converters. Finally it was proceeded the practical implementation of the systems pre-developed and simulated, and the presentation of its results. v
9 Índicie Agradecimentos Resumo Abstract Índicie Lista de Figuras Lista de Tabelas Lista de Abreviaturas i iii v vii x xv xvi CAPÍTULO I Introdução Motivação Objectivos Estrutura da dissertação 3 CAPÍTULO II Fontes de Alimentação 4 2 Introdução Fontes de alimentação Fontes de regulação linear Fontes de alimentação comutadas Comparações entre fontes de regulação linear e comutadas Frequência de comutação Conversores Conversor Forward Conversor em ponte completa (Full-Bridge) ou inversor de tensão Circuito ressonante Transformador 23 vii
10 Energia armazenada no transformador Perdas e aumento de temperatura no transformador Factor de enchimento ou factor de utilização da janela Topologia Frequência e factor de ciclo Núcleo 27 CAPÍTULO III Modelo do transformador Introdução Transformador de dois enrolamentos Decomposição do fluxo magnético Coeficientes de auto-indução e de indução mútua Modelo do Transformador Influência da frequência no transformador 41 CAPÍTULO IV - Dimensionamento e determinação experimental dos parâmetros do transformador de alta tensão e alta frequência Introdução Dimensionamento do transformador Construção do transformador Parâmetros não lineares do transformador Coeficiente de auto-indução de magnetização do transformador Indutância de fugas do transformador Capacidades distribuídas do transformador Determinação experimental dos parâmetros não lineares do transformador Determinação da indutância de fugas Determinação da indutância de magnetização Cálculo da capacidade distribuída equivalente 62 viii
11 CAPÍTULO V - Conversor Ressonante Introdução Ressonância Tipos de conversores ressonantes Conversor ressonante série por modulação de fase Modos de operação Análise do modo 1 de operação Análise do modo 2 de operação Análise do modo 3 de operação Construção do circuito ressonante 78 CAPÍTULO VI - Simulações e Resultados Experimentais Introdução Conversor em ponte-completa Simulação do conversor em ponte-completa Ensaio do conversor em ponte completa Determinação das características não lineares do transformador Determinação da capacidade distribuída do transformador Simulação e ensaio dos transformadores a partir do modelo matemático Simulação e ensaio do conversor ressonante para os transformadores 92 CAPÍTULO VII Conclusões 105 Referências bibliográficas 106 ix
12 Lista de Figuras Figura 2.1 Regulação linear da tensão de saída de uma fonte de tensão contínua 5 Figura 2.2 Diagrama de blocos de uma fonte comutada com o mecanismo de regulação de tensão 6 Figura 2.3 Formas de onda de tensão e corrente 9 Figura 2.4 Conversor Forward 14 Figura 2.5 Conversor Forward com malha de desmagnetização no primário do transformador 15 Figura 2.6 Formas de onda de tensão características do circuito 16 Figura 2.7 Conversor em ponte completa 17 Figura Etapas de funcionamento de um conversor em ponte completa 18 Figura 2.9 1ª Etapa de funcionamento do conversor 18 Figura ª Etapa de funcionamento do conversor 19 Figura ª Etapa de funcionamento do conversor 20 Figura ª Etapa de funcionamento do conversor 20 Figura 2.13 Formas de onda de tensão de entrada e corrente no conversor em ponte completa 21 Figura 2.14 Conversor série ressonante 22 Figura 2.15 Conversor paralelo ressonante 22 Figura 2.16 Conversor série paralelo ressonante 23 Figura 2.17 Gráfico para a determinação do conversor da potência de saída em função da tensão de entrada 26 Figura Esquema simplificado de um transformador de 2 enrolamentos 28 Figura 3.2 Ilustração de campo que atravessa uma superfície 29 x
13 Figura Esquema simplificado das linhas de fluxo de um transformador com o primário energizado e o secundário em vazio 32 Figura 3.4 Espira amperiana (rectângulo abcd) utilizada para calcular o campo magnético de um solenóide 36 Fig (a) Curva de magnetização; (b) ciclo de histerese típico de um transformador com núcleo ferro magnético 37 Figura 3.6 Modelo eléctrico equivalente de um transformador 40 Figura Modelo eléctrico equivalente de um transformador real para frequências elevadas 42 Figura Modelo eléctrico equivalente de um transformador real com as grandezas do secundário referidas ao primário 42 Figura 3.9 Esquema equivalente em T do transformador elevador de tensão ligado a uma carga com as grandezas do secundário referidas ao primário 44 Figura 4.1 Forma de onda aproximada da potência no primário do transformador para uma carga resistiva 47 Figura 4.2 Estrutura simplificada dos transformadores de dois enrolamentos, onde 1 e 2 correspondem respectivamente as camadas do primário e secundário: a) núcleo ETD, b) núcleo AMCC 53 Figura 4.3 Construção dos transformadores: a) ETD 59, b) AMCC Figura 4.4 Aspecto final dos transformadores: a) ETD 59, b) AMCC Figura 4.5 Configuração inclinada dos enrolamentos com o objectivo de reduzir a capacidade entre espiras 57 Figura 4.6 Modelo equivalente do transformador para o ensaio em vazio 57 Figura 4.7 Modelo equivalente do transformador para o ensaio em vazio em que o bloco Z representa o medidor de impedâncias 58 Figura 4.8 Modelo equivalente das impedâncias do transformador reduzido ao primário para o ensaio em curto-circuito 59 Figura 4.9 Representação de uma bobina com capacidade distribuída sobre o efeito de uma onda quadrada 62 xi
14 Figura 4.10 Comparação da corrente medida e preditiva no indutor (a) ; tensão de excitação e corrente deduzida através da capacidade distribuída (b) 62 Figura 4.11 Circuito simplificado para o teste da capacidade distribuída do transformador 63 Figura 4.12 Representação ideal das formas de onda esperadas, onde a primeira onda representa a tensão no MOSFET, a segunda a tensão no primário do transformador e a terceira a tensão no díodo e a quarta a tensão no secundário do transformador 63 Figura 4.13 Circuito Integrado Figura 4.14 Circuito Integrado 555 (montagem como astável ou oscilador) 67 Figura 4.15 Diagrama de ligações inversor NAND 68 Figura 4.16 Circuito para geração de um impulso no primário do transformador para o cálculo da capacidade distribuída 69 Figura 5.1 Circuito completo com o conversor em ponte completa, conversor ressonante e o transformador 72 Figura 5.2 Formas de onda aproximadas dos MOSFETS do conversor em ponte completa e tensão e corrente no conversor ressonante 73 Figura 5.3 Modo 1 de operação do circuito ressonante 75 Figura 5.4 Modo 2 de operação do circuito ressonante 76 Figura 5.5 Modo 3 de operação do circuito ressonante 77 Figura 5.6 Gráficos do factor de qualidade e do ganho em função da frequência de ressonância para o transformador ETD 81 Figura 5.7 Gráficos do factor de qualidade e do ganho em função da frequência de ressonância para o transformador METAGLAS 82 Figura 6.1 Modelo em MATLAB/SIMULINK para a simulação do conversor em ponte-completa 84 Figura 6.2 Simulação dos sinais de comando aplicados aos semicondutores do conversor em pontecompleta 85 Figura 6.3 Simulação das formas de onda de tensão e corrente do conversor em ponte completa para uma carga resistiva 85 Figura 6.4 Ensaio dos sinais V GS de cada MOSFET 86 Figura 6.5 Ensaio em vazio da tensão de saída do conversor em ponte completa 86 xii
15 Figura 6.6 Tensão de excitação e corrente no primário do transformador ETD 87 Figura 6.7 Tensão de excitação e corrente no primário do transformador AMCC 88 Figura 6.8 Simulação do modelo do transformador reduzido ao primário em MATLAB/SIMULINK 89 Figura 6.9 Simulação das formas de onda de tensão do transformador ETD no primário e secundário e a corrente no primário 90 Figura 6.10 Formas de onda de tensão do transformador ETD no primário (CH1) e secundário (CH3) e a corrente no primário (CH2) 90 Figura 6.11 Simulação das formas de onda de tensão do transformador AMCC no primário e secundário e a corrente no primário 91 Figura 6.12 Formas de onda de tensão do transformador AMCC no primário (CH1) e secundário (CH4) e a corrente no primário (CH2) 91 Figura 6.13 Simulação dos modelos dos transformadores com a introdução do circuito ressonante 92 Figura 6.14 Simulação das formas de onda da tensão do primário e secundário e corrente do primário com o circuito ressonante do modelo do transformador ETD 93 Figura 6.15 Ensaio experimental das formas de onda da tensão e corrente no transformador com o circuito ressonante do modelo do transformador ETD 93 Figura 6.16 Etapas do funcionamento do conversor em ponte completa e corrente no conversor ressonante no primário do transformador 94 Figura 6.17 Primeira etapa de funcionamento do conversor em ponte completa em que os MOSFET 1 e MOSFET 4 estão em condução 95 Figura 6.18 Segunda etapa de funcionamento do conversor em ponte completa em que os MOSFET 1 e o díodo D 2 estão em condução 95 Figura 6.19 Terceira etapa de funcionamento do conversor em ponte completa, onde os díodos D 2 e D 3 estão em condução durante o tempo morto, e o MOSFET 2 e o MOSFET 3 estão em condução após o tempo morto 96 Figura 6.20 Quarta etapa funcionamento do conversor em ponte completa, em que os MOSFET 2 e o díodo D 4 estão em condução 96 xiii
16 Figura 6.21 Início da primeira etapa de funcionamento do conversor em ponte completa em que os díodos D 1 e D 4 estão em condução durante o tempo morto 97 Figura 6.22 Simulação das formas de onda da tensão do primário, no condensador (tensão no condensador com ganho de 20) e corrente do primário (corrente com ganho de 20) no circuito ressonante do modelo do transformador ETD 97 Figura 6.23 Tempo de descarga do da indutância ressonante 98 Figura 6.24 Simulação das formas de onda da tensão do primário e secundário e corrente do primário com o circuito ressonante do modelo do transformador AMCC 99 Figura 6.25 Ensaio experimental das formas de onda da tensão e corrente no transformador com o circuito ressonante do modelo do transformador AMCC 99 Figura 6.26 Primeira etapa de funcionamento do conversor em ponte completa em que os díodos D 1 D 4 e os MOSFETS M 1 e M 2 estão em condução 100 Figura 6.27 Segunda etapa de funcionamento do conversor em ponte completa em que os MOSFET 1 e o díodo D 2 estão em condução 100 Figura 6.28 Terceira etapa de funcionamento do conversor em ponte completa, onde os díodos D 2 e D 3 estão em condução durante o tempo morto e os MOSFETS M 2 e M 3 estão em condução após o tempo morto 101 Figura 6.29 Quarta etapa de funcionamento do conversor ponte completa em que o MOSFET 2 e o díodo D 4 estão em condução 101 Figura 6.30 Simulação das formas de onda da tensão do primário e no condensador, e corrente do primário (corrente com ganho de 15) no circuito ressonante do modelo do transformador AMCC 102 Figura 6.31 Respostas típicas do amortecimento de um circuito RLC série 103 xiv
17 Lista de Tabelas Tabela Comparação de alguns parâmetros entre fontes comutadas e de regulação linear 10 Tabela 4.1 Valores de funcionamento do transformador 46 Tabela 4.2 Valores dos parâmetros físicos dos transformadores a serem construídos 52 Tabela 4.3 Grandezas eléctricas e físicas para o projecto do transformador 53 Tabela 4.4 Resultados experimentais do ensaio em vazio do transformador 58 Tabela 4.5 Resultados experimentais do ensaio em curto-circuito do transformador 60 Tabela 4.6 Resultados experimentais do ensaio em curto-circuito do transformador 60 Tabela 4.7 Valores das resistências equivalente dos enrolamentos dos transformadores Construídos 61 Tabela 4.8 Pressupostos iniciais para o ensaio da capacidade distribuída 64 Tabela 4.9 Pin Out do CI Tabela 4.10 Valores dos parâmetros da montagem do CI Tabela 4.11 Pin Out do inversor NAND 68 Tabela 5.1 Quadro dos parâmetros ressonantes para vários valores de frequência e factor de qualidade para o transformador ETD 80 Tabela 5.2 Quadro dos parâmetros ressonantes para vários valores de frequência e factor de qualidade para o transformador METAGLAS 82 Tabela 6.1 Resumo dos parâmetros dos transformadores para a construção do modelo em MATLAB/SIMULINK 89 Tabela 6.2 Valores dos parâmetros dos circuitos ressonantes 92 xv
18 Lista de Abreviaturas AC DC MOSFET SMPS PWM duty-cycle SRC PRC SPRC - alternating current (corrente alternada) - direct current (corrente contínua) - metal oxide semiconductor field effect (transístor de efeito de campo de porta isolada) - switched-mode power supply (fontes de tensão comutadas) - pulse with modulation - factor de ciclo - serie ressonant converter (conversor série ressonante) - parallel ressonant converter (conversor paralelo ressonante) - serie parallel ressonant converter (conversor série -paralelo ressonante) MATLAB/SIMULINK - programa de computador para simulação numérica Ferrite e METAGLAS - tipo de material magnético de núcleo para alta frequência ETD e AMCC ZVS ZCS Flyback - geometria do núcleo magnético do transformador - zero voltage switching (comutação de tensão em volta de zero) - zero current switching (comutação de corrente em volta de zero) - tipo de conversor de contínuo para contínuo - valores instantâneos de tensão, do primário e secundário respectivamente (V) - valores instantâneos de corrente, do primário e secundário respectivamente (A) - valores de resistência em corrente contínua, do primário e secundário respectivamente (Ω) - valores instantâneos dos fluxos ligados, do primário e secundário - fluxo magnético ou fluxo por espira - densidade de fluxo xvi
19 H - campo magnético e - número de espiras de cada um dos enrolamentos - fluxo ligado de magnetização - fluxo ligado de dispersão ou de fugas f.e.m - força electro motriz - indutor (F) - coeficiente de auto-indução (F) - coeficiente de indução mútua entre os enrolamentos e (F) - comprimento dos seguimentos da espira amperiana (m) µ 0 - permeabilidade do vácuo com o valor de - coeficiente auto-indução associada ao fluxo de fugas do primário e secundário (F) - coeficiente de auto-indução de magnetização associado ao fluxo mútuo de magnetização (F) - corrente do secundário vista pelo primário (A) C eq1 - Capacidade equivalente distribuída do primário (F) C eq2 - Capacidade equivalente distribuída do secundário (F) C eq12 - Capacidade equivalente distribuída entre o primário e o secundário (F) - tensão do secundário vista pelo primário (V) - resistência do enrolamento secundário reduzido ao primário (Ω) - resistência da carga secundário reduzido ao primário (Ω) N f - relação de transformação - frequência de comutação (Hz) - potência média activa (W) - potência aparente (VA) - valor eficaz de tensão (V) xvii
20 - valor eficaz da corrente (A) - potência activa eficaz (W) - secção transversal do núcleo do transformador (mm 2 ) - secção do condutor de cobre do primário e secundário do transformador (mm 2 ) e - áreas ocupadas pelos enrolamentos primário e secundário (mm 2 ) e - factor de enchimento do primário e secundário (mm 2 ) - Valor eficaz da densidade de corrente nos enrolamento primário e secundário (A/m 2 ) - permeabilidade efectiva do núcleo - relutância do núcleo magnético - tensão dreno-source (V) - resistência dreno-source (Ω) - tensão do díodo de zerner 1 e 2 (V) - frequência de ressonância (Hz) - indutância de ressonância (H) - capacitância de ressonância (F) - impedância característica do circuito ressonante (Ω) - factor de qualidade - resistência da carga do circuito (Ω) - ganho do conversor ressonante - capacidade distribuída equivalente (F) xviii
21 CAPÍTULO I 1 Introdução Nos dias hoje, existem um conjunto vasto de equipamentos electrónicos que fazem uso de fontes de alimentação contínuas. Como tal, surgiu o interesse de dimensionar dois transformadores com núcleos distintos e os respectivos circuitos ressonantes, que são parte integrante nas fontes de alimentação. A alimentação dos mesmos será garantida por um inversor de tensão. Existe um vasto grupo de aplicações deste tipo de fontes de alimentação, que vão desde das aplicações domésticas, tais como electrodomésticos e computadores, carregadores DC-DC de carros eléctricos, aplicações médicas, como os equipamentos de diagnóstico e aplicações espaciais, tais como os satélites. Neste trabalho propõe-se o estudo, dimensionamento e implementação de dois transformadores, e dos seus respectivos conversores ressonantes. Os principais temas para a execução deste trabalho são os seguintes: Fonte de alimentação DC de 100 V Inversor de tensão Circuito ressonante Transformador elevador De referir que os transformadores foram projectados para uma tensão no primário de 300 V, no entanto devido à indisponibilidade de equipamento em laboratório, foi utilizada uma fonte de alimentação de 100 V. 1
22 1.1 Motivação Esta dissertação insere-se na área de investigação e desenvolvimento no âmbito da secção de Automação e Electrónica. Este trabalho procura passar pelas principais de conhecimento do curso de mestrado, tais como a electrónica de potência e o electromagnetismo. Uma vez que, estes tipos de equipamentos fazem parte do nosso quotidiano diário, a grande motivação deste estudo será o de estar por dentro do tema e perceber o funcionamento dos sistemas. 1.2 Objectivos Tendo em conta o que foi dito anteriormente, pretende-se atingir os seguintes objectivos com esta dissertação: Análise das topologias mais comuns associadas às fontes de alimentação de alta tensão contínua, tendo em conta as suas aplicações, os vários tipos de conversores e transformadores de altafrequência usados; Estudo do funcionamento dos parâmetros que caracterizam o seu funcionamento: tensão, frequência de comutação, corrente, potência; Estudo dos elementos constituintes deste trabalho para posterior implementação; Dimensionamento e implementação dos sistemas para as condições de funcionamento previamente definidas; Análise dos resultados experimentais, comparando com os resultados obtidos em ambiente de simulação; 2
23 1.3 Estrutura da dissertação Esta dissertação está dividida em sete capítulos, organizados da seguinte maneira: O primeiro capítulo, denominado por introdução, define o enquadramento do trabalho realizado, a motivação e os objectivos a que se propõe; No segundo capítulo, procura-se mostrar o tipo de fontes de alimentação contínuas que existem, assim como as suas características e principais diferenças. Pretende-se ainda, fazer uma introdução teórica dos sistemas constituintes dessas fontes, com especial enfâse nos conversores utilizados e no transformador; No terceiro capítulo, é feito a construção do modelo matemático do transformador para a sua utilização em ambiente de simulação. O quarto capítulo visa o dimensionamento dos transformadores para o funcionamento previsto, assim como os ensaios e cálculos para os parâmetros não lineares dos mesmos; O quinto capítulo tem como foco o circuito ressonante, fazendo introduções teóricas sobre o mesmo, o seu propósito, e os seus modos de funcionamento; No sexto capítulo são apresentados os resultados obtidos em simulação e experimentalmente; O sétimo e último capítulo é dedicado às respectivas conclusões; 3
24 CAPÍTULO II Fontes de Alimentação 2 - Introdução Neste capítulo, pretende-se mostrar as topologias mais comuns associadas às fontes de alimentação contínua existentes e as diferenças entre elas. Pretende-se assim, demonstrar os vários tipos de aplicações deste tipo de fontes, bem como os blocos constituintes deste tipo de fontes tais como os conversores, circuito ressonante e o transformador. Relativamente ao transformador, uma vez que é o foco deste trabalho, são também introduzidas as principais características que devem ser levadas em conta quando se desenvolve um transformador de alta de tensão e alta frequência Fontes de alimentação Nos dias de hoje, todos os circuitos electrónicos requerem uma fonte de alimentação contínua, com um determinado grau de estabilização. Em equipamentos de pequeno porte, tal alimentação pode ser obtida através de pilhas ou pequenas baterias, mas num panorama geral, utiliza-se a energia disponível na rede, através de um conversor. Uma fonte de alimentação pode definir-se como um dispositivo electrónico que serve para transformar energia eléctrica sob a forma de corrente alternada (AC) da rede, em energia eléctrica de corrente contínua (DC), indicada para cargas que precisem de energia de corrente contínua. As fontes de alimentação modernas, podem ser divididas em dois grupos: i) Fontes de regulação linear ii) Fontes de regulação por comutação (frequência). Ambas partilham o primeiro estágio de alimentação, ou seja, a partir da tensão alternada disponível na rede eléctrica é obtida uma tensão alternada em que o fluxo de corrente ocorre apenas num sentido bloqueando o sentido contrário a partir de um circuito rectificador. Para tal, é preciso um dispositivo que execute essa tarefa. 4
25 Fontes de regulação linear Para o funcionamento estável de um determinado equipamento electrónico, não basta ter-se uma tensão contínua, tornando-se também necessário a regulação da mesma. A regulação de tensão pode ser feita recorrendo-se aos reguladores lineares ou então através do controle de tempo de condução de um elemento semicondutor. A regulação linear caracteriza-se pelo controlo da condutividade de um transístor, ajustandose a intensidade de corrente fornecida obtendo-se dessa forma a regulação. Tensão alternada da rede Rectificador e Filtro Transistor Saída Tensão de referência Comparador Figura 2.1 Regulação linear da tensão de saída de uma fonte de tensão contínua A Figura 2.1 ilustra de forma esquemática essa alternativa, onde existe um elemento semicondutor (transístor) cuja condutividade pode ser ajustada. A tensão de saída é sucessivamente comparada com a tensão de referência, onde o transístor comporta-se como uma resistência variável, absorvendo qualquer de valor de tensão. Ao funcionar na sua zona linear, o transístor apresenta uma dissipação de potência elevada, só mitigada pelo uso de dissipadores de calor volumosos e pesados, tornando-se assim no principal responsável pelo menor rendimento desta topologia. Apesar das aparentes desvantagens da regulação linear, ela permite obter uma tensão de saída extremamente estável, assim com uma óptima resposta a regimes transitórios. A vantagem do funcionamento do transístor na zona linear é a não emissão de qualquer tipo de interferência electromagnética de alta frequência. Em função desse facto, os reguladores lineares encontram ainda nos dias de hoje, uma grande aplicação nos sistemas de telecomunições, onde existem grandes problemas ao nível de ruído, apesar de que por princípio, serem mais indicados para sistemas de baixa potência. 5
26 Fontes de alimentação comutadas As fontes comutadas (switched-mode power supply (SMPS)) são dispositivos electrónicos de incorporam um conversor com a função de controlar a corrente, ligando e desligando-a rapidamente de forma a manter a de saída estabilizada. Neste tipo conversor, tanto a tensão de entrada como a de saída são contínuas (conversor DC-DC). Dependendo do tipo de conversor utilizado, o valor da tensão de saída pode ser maior ou menor do que o valor de tensão de entrada. O semicondutor utilizado neste conversor, funciona como um interruptor, sendo as suas zonas de operação, a de saturação (ligado) e a de corte (desligado), com uma frequência de operação muito superior à da rede eléctrica, resultando por fim, numa tensão alternada não sinusoidal que é novamente rectificada e entregue por à carga. A figura seguinte ilustra o digrama de blocos de uma fonte comutada, onde se inserem os subsistemas de ressonância, transformador, rectificador, e sinal de tensão de referência. Tensão alternada da rede Rectificador e filtro Conversor DC-DC Conversor Ressonante Transformador de Alta Frequência Rectificador e filtro de alta frequência Saída Circuitos de comando e protecção Controlo de alta frequência (PWM) Tensão de referência Figura 2.2 Diagrama de blocos de uma fonte comutada com o mecanismo de regulação de tensão Filtro de entrada: evita a passagem do ruído eléctrico produzido pelo conversor para a rede eléctrica (harmónicas) e em algumas fontes pode também funcionar no sentido inverso, ou seja da rede para a fonte. Rectificador e filtro de entrada: tem a função de rectificar a tensão alternada proveniente da rede, para a tensão contínua que irá alimentar o conversor DC-DC a montante. 6
27 Conversor DC-DC: tem a função de gerar um impulso de tensão na entrada do transformador com uma determinada frequência/período. Conversor ressonante: tem como função a absorção das características não lineares do transformador, permitindo uma comutação mais suave nos semicondutores do conversor DC-DC, mitigando assim as perdas de comutação e filtrando o ruído para a rede. Transformador de alta frequência: tem como função a levação ou redução da tensão de impulso gerada pelo conversor DC-DC, dependendo do valor desejado na saída. O transformador possibilita também o isolamento galvânico entre a saída da fonte comutada e a rede eléctrica. Rectificador e filtro de alta frequência: tem como função a de rectificação e filtro da tensão de impulso de saída do transformador. Controlo de alta frequência: é responsável pelo controlo do tempo de condução do semicondutor do conversor DC-DC. Normalmente o controlo é feito através de um comparador, que recebe uma amostra da tensão de saída e compara-a com uma tensão de referência. Com o objectivo de garantir o isolamento entre a saída da fonte e o sistema eléctrico, normalmente é usado um acoplador óptico entre a saída e o circuito de controlo. Na maioria dos circuitos, se a tensão de saída estiver baixa, o semicondutor do conversor DC-DC é comandado a permanecer conduzindo por um tempo maior, se estiver alta, o circuito de comando determinará um tempo mais curto de condução. Por este motivo o controlo é chamado de largura de impulso (PWM) e muitas vezes as fontes comutadas são também conhecidas como fontes PWM. Circuitos de comando e protecção: normalmente as fontes comutadas incorporam circuitos de protecção contra curto-circuitos e outras condições anormais de funcionamento, que podem ser implementadas através de controlos adicionais sobre o semicondutor do conversor DC-DC. 7
28 Comparações entre fontes de regulação linear e comutadas Face ao descrito anteriormente, torna-se evidente que o grau de complexidade das fontes comutadas é bastante superior ao das fontes de regulação linear. No entanto a grande vantagem das fontes comutadas está relacionada com o funcionamento do semicondutor do conversor DC-DC. A potência eléctrica é definida pelo produto entre a tensão e a corrente. (2.1) Deste modo, quando um semicondutor está a operar na zona linear é evidente que o produto da equação 2.1 não é nulo, ou seja, existe uma certa potência que é dissipada sobre a forma de calor. No caso de o semicondutor estar a operar como um interruptor (zona de saturação), tem-se as seguintes situações: Interruptor aberto : sobre um modo idealizado um interruptor aberto não tem qualquer tipo de fluxo de corrente, sendo assim o produto da equação 2.1 será nulo independentemente do valor de tensão. Interruptor fechado : neste caso existe um fluxo de corrente através do interruptor, no entanto se fizer-se uma análise sob o ponto de vista ideal, a tensão é nula. Sendo assim, o produto da equação 2.1 será novamente nulo. Na verdade, os semicondutores quando empregados na função de interruptor electrónico apresentam uma pequena tensão aos seus terminais quando colocados no estado de saturação, resultando na prática numa certa dissipação de potência. Também as transições entre estados, aberto-fechado e fechado aberto (comutação de condução e de bloqueio) não ocorrem de uma forma instantânea, de forma que, também origine uma dissipação de potência nesses instantes de comutação. Mesmo assim a dissipação resultante é bastante inferior comparativamente ao que seria obtida através da regulação linear, resultando numa maior eficiência por parte da fonte comutada. A figura seguinte ilustra a dissipação de um semicondutor a funcionar como um interruptor electrónico. 8
29 Figura 2.3 Formas de onda de tensão e corrente a) Semicondutor a funcionar como interruptor b) potência dissipada no semicondutor Da figura 2.3 é possível observar-se que, enquanto o interruptor está no estado desligado a corrente é nula, de modo que a potência (resultado do produto da equação 2.1) é também nula, o que naturalmente resulta numa dissipação também ela nula. No momento em que o interruptor passa para o estado ligado, a corrente sobe de zero até um determinado valor, enquanto que a tensão desce. Deste modo o valor da potência apresenta um pico, chamado de dissipação de ligação (turn-on loss). Durante o intervalo em que o interruptor está ligado a corrente flui entre os seus terminais e devido às características do material semicondutor, há uma pequena tensão entre os seus terminais. Mais uma vez o produto da tensão pela corrente não é nulo, resultando na chamada dissipação por condução (conduction loss). Ao passar do estado ligado para desligado, a corrente diminui o seu valor até zero à medida que a tensão aumenta. Nos componentes electrónicos usados nas fontes comutadas, esta transição é mais lenta que a transição verificada no momento desligado ligado (comutação de condução). Como consequência, a dissipação da saída de condução (turn-off loss) é maior do que a de ligação. Os esforços para mitigar-se estas perdas podem ser feitos em duas áreas distintas: a redução de dissipação durante a condução está baseada na tecnologia de fabrico do semicondutor, sendo que este papel cabe aos fabricantes destes dispositivos electrónicos desempenhá-lo; 9
30 a redução da dissipação durante a comutação pode ser obtida através do recurso ao fenómeno da ressonância. Esta é uma técnica que tira partido da capacidade parasita dos componentes de modo a obter, durante os momentos de comutação, uma circulação de corrente através de circuitos auxiliares. Como resultado, pode obter-se no momento de comutação uma tensão nula sobre o semicondutor ZVS (Zero Voltage Switching) ou uma corrente nula ZCS (Zero Current Switching), diminuindo-se a dissipação total. O quadro seguinte, ilustra de uma forma geral a comparação entre uma fonte de regulação linear e uma fonte comutada. Parâmetro Regulação Linear Fonte comutada Eficiência Temperatura dos componentes Ondulação da tensão de saída Resposta a transitórios Relação potência/peso Relação voluma/peso Emissão de Rádio-Interferência Interferência à rede eléctrica Fiabilidade Na ordem dos 25%, podendo em alguns casos chegar aos 50% O transistor usado como regulador opera a alta temperatura, atigindo cerca dos 80⁰. Os outros componentes acabam também auqecendo diminuindo a sua vida útil É muito baixa devido ao transistor trabalhar na zona linear É muito baixa devido ao transistor trabalhar na zona linear +/- 25 W/kg +/- 30cm3 Praticamente nula. Existe somente o ruído normal decorrente da operação do retificador de entrada. Devido ao nº baixo de componentes electrónicos a fiablidade é aparentemente alta, mas no caso da dissipação do transistor regulador não seja adequada ela pode descer consideravelmente. Para fontes simples cerca de 65%, para projectos de alta qualidade na ordem dos 95% Sendo a dissipação menor, torna-se mais fácil manter a temperatura do transistor em níveis baixos. Sendo dispositivos de menor volume é recorrente o uso de ventiladores para ajudar na dissipação. O uso de alta frequência introduz uma ondulação adicional. Para uma resposta rápida é necessário freq. De comutações elevadas e circuitos de comando sofisticados. Cerca de 100 W/kg. Com o uso de ventilação forçada e circuitos de comando de última geração este valor pode subir consideravelmente. Normalmente 8cm3/W. Podendo o valor ser reduzido a exemplo do caso anterior. O uso do interruptor electrónico operando em alta frequência produz ruído tornando necessárias a blindagem e a filtragem. É necessário filtrar o ruído de comutação do interruptor electrónico. Devido ao uso de um alto nº de componentes e da própria complexidade a fiabilidade é baixa. No entanto o uso de circuitos integrados que reúnam várias funções da fonte comutada pode aumentá-la. Tabela Comparação de alguns parâmetros entre fontes comutadas e de regulação linear 10
31 É possível observar que a principal vantagem das fontes comutadas relativamente às fontes de regulação linear são o peso e o volume. No entanto, apesar de volumosas e pesadas, as fontes de regulação linear continuam a ter variadíssimas aplicações quando os requisitos de fiabilidade são relevantes. Uma outra questão que emerge quando tem que se optar por uma destas topologias, é o custo de fabrico. Num primeiro momento, as fontes comutadas só tinham a vantagem do seu peso e volume, apresentando um custo superior às fontes de regulação linear. A sua utilização só se justificava assim, quando as fontes de regulação linear comprometiam de certa maneira o peso do produto final para qual eram desenhadas. Um exemplo deste caso referido, eram os microcomputadores pessoais que devido à necessidade de uma potência de 200W, o uso de uma fonte de regulação linear faria com que o dispositivo pesa-se sensivelmente o dobro, comparativamente com um de regulação comutada. Actualmente, com o desenvolvimento dos circuitos integrados próprios para as fontes comutadas, a tarefa de projectá-las tem sido facilitada, resultando numa complexidade e num custo inferior. Como consequência, nos dias de hoje a fonte comutada, está presente na maioria de equipamentos industriais e de lazer. Para citar alguns exemplos, este tipo de fontes encontra-se em televisores, carregadores de telemóveis e computadores etc., para além de aplicações militares, aeronáuticas, aeroespaciais Frequência de comutação A principal motivação na procura do aumento da frequência de comutação é a redução de tamanho dos transformadores, indutores e condensadores da fonte comutada. O aumento da frequência, reduz assim o tamanho dos componentes magnéticos e capacitivos devido ao seu modo de operação. Esse modo de operação, resume-se da seguinte maneira: O semicondutor é responsável pela transferência de energia durante cada ciclo de condução, sendo a energia armazenada em condensadores ou indutores e transferida de seguida para a carga. Aumentando a frequência, o dispositivo pode ser mais reduzido devido à menor quantidade de energia necessária a ser armazenada em cada ciclo. 11
32 2.2 Conversores Até agora, falou-se em dois tipos de conversores distintos, integrantes no processo de uma fonte comutada. São eles o conversor AC-DC e o conversor DC-DC. O conversor AC-DC como referido anteriormente, converte a corrente proveniente de sistemas alternados em corrente contínua que podem ser controladas (rectificadores) ou não controladas. Os rectificadores podem ser monofásicos ou trifásicos dependendo da aplicação que se pretende. Os conversores DC-DC são sistemas normalmente utilizados para fornecer uma tensão contínua regulada a partir de uma fonte de tensão contínua não regulada. No geral, estes conversores são constituídos por transístores e por elementos passivos como díodos, condensadores e resistências. Estes conversores são controlados através de um sinal PWM, sendo o factor de ciclo (duty-cycle) a principal característica que controla o valor de tensão da tensão na saída do circuito. Existem três modos diferentes para os conversores DC-DC, que são, o modo de funcionamento contínuo (regime não lacunar), o modo de funcionamento descontínuo (regime lacunar) e o modo de funcionamento crítico. Cada modo de funcionamento está relacionado com a corrente da bobina integrada no circuito. Se esta corrente nunca for nula, o conversor estará a funcionar no modo de funcionamento contínuo. Se a corrente atingir o valor zero, o conversor estará então a funcionar no modo descontínuo. O modo de funcionamento crítico ocorre quando a corrente na bobina atingir o valor zero no preciso momento em que termina o período de comutação. As topologias de conversores DC-DC podem ser divididas em dois grupos, dependendo da existência de isolamento galvânico (transformador) entre a fonte de alimentação e a saída do circuito: conversores não isolados e conversores isolados. Pretende-se neste trabalho apenas introduzir as topologias existentes na construção de uma fonte comutada e a finalidade de cada uma, entrando em detalhe apenas nas duas topologias usadas no decurso do mesmo. Conversores não isolados: i. Buck - O conversor Buck gera à sua saída uma tensão DC igual ou inferior à tensão de entrada. ii. Boost - O conversor Boost gera à sua saída uma tensão DC igual ou superior à tensão de entrada. iii. Buck Boost - O conversor Buck-Boost combina as funções dos dois conversores anteriores, ou seja, gera à sua saída uma tensão DC superior ou inferior à tensão de entrada, conforme seja propósito para o qual for dimensionado. 12
33 Conversores isolados: Dá-se o nome de conversores isolados, devido a estes utilizarem um transformador de alta frequência que assegura o isolamento galvânico entre a entrada e saída do circuito. Existem os seguintes conversores isolados: i. Conversor Flyback - permite gerar à saída um sinal de tensão DC inferior ou superior ao sinal de entrada. ii. Conversor Forward dependendo da relação de transformação, este conversor gera à saída do circuito um sinal com um nível superior ou inferior ao da entrada. iii. Conversor Push Pull a exemplo do conversor anterior, este conversor também tem como objectivo gerar à saída um sinal com nível superior ou inferior ao sinal de entrada. Este conversor é constituído por dois conversores Forward a operar em oposição de fase. iv. Conversor Half-Bridge este conversor permite também um sinal inferior ou superior ao sinal de entrada. v. Conversor Full-Bridge ou inversor de tensão também este conversor permite também um sinal inferior ou superior ao sinal de entrada. 13
34 2.2.1 Conversor Forward O conversor Forward permite gerar à saída um sinal de tensão DC, inferior ou superior ao sinal de entrada. O funcionamento deste conversor, baseia-se na transferência de energia entre a entrada e a saída do circuito. id D1 Vin NP NS C Ro Vo T it Figura 2.4 Conversor Forward Do esquema da figura anterior, verifica-se que quando o transístor está ligado, o primário do transformador está ligado directamente à fonte de alimentação. A corrente do primário e o fluxo do transformador, vão crescendo em valor durante o tempo de condução do transístor, armazenando energia no núcleo do transformador. A voltagem induzida no secundário irá ter polaridade negativa, logo, o díodo irá estar inversamente polarizado. Quando o transístor estiver ao corte, a corrente do primário e fluxo magnético do transformador irão diminuir. A tensão do secundário do transformador será positiva, polarizando directamente do díodo, permitindo este, que circule corrente pelo secundário do transformador carregando o condensador e fornecendo corrente à carga. Quando o transístor entrar novamente à condução, o condensador carregado, servirá para alimentar a carga do circuito. O ganho estático do conversor Forward pode ser representado pela seguinte expressão: (2.2) 14
35 Este circuito, será usado no decorrer deste trabalho para a determinação da capacitância equivalente do transformador ou capacitância parasita, parâmetro este, que juntamente com as indutâncias de dispersão afectam a forma de onda do transformador à saída do mesmo. Para a determinação de tal parâmetro, é necessário a inclusão de uma malha de desmagnetização no primário do transformador. A malha de desmagnetização no primário do transformador, representada na figura 2.5, permitirá que o transformador funcione na sua zona linear, não atingindo desta forma a saturação durante o tempo em que o transístor está ao corte. D1 Vin Vz Vp NP NS C Ro Vo D2 T Figura 2.5 Conversor Forward com malha de desmagnetização no primário do transformador Deste modo, quando o semicondutor entra ao corte a energia acumulada no primário do transformador vai-se descarregar, circulando através do díodo e do Zener. O seu dimensionamento deverá garantir a desmagnetização, para quaisquer condições de carga, durante o período de tempo em que o interruptor estiver ao corte. A tensão de desmagnetização pode calcular-se a partir do valor médio da tensão no primário do transformador. (2.3) Em que: Período do sinal de disparo do interruptor Tensão de desmagnetização Tempo de desmagnetização Factor de ciclo do sinal de disparo do interruptor 15
36 Quando o interruptor T está à condução, durante, o díodo está também a conduzir e a tensão na carga pode representar-se da seguinte forma: (2.4) As formas de onda do circuito, onde se podem observar as expressões anteriores apresentadas, podem-se representar da seguinte forma na figura 2.6. Figura 2.6 Formas de onda de tensão características do circuito 16
37 2.2.2 Conversor em ponte completa (Full-Bridge) ou inversor de tensão O conversor em ponte completa, ou também designado de um inversor de tensão, é um conversor estático destinado a controlar o fluxo de energia entre uma fonte de tensão contínua e uma carga em corrente alternada monofásica ou polifásica, com controlo dos níveis do valor eficaz da tensão e da frequência, dependendo do tipo de aplicação um tipo de conversor que permite obter na saída do circuito, um sinal inferior ou superior ao sinal de entrada. De referir ainda, que uma vez que estamos perante uma carga indutiva, utilizam-se díodos em paralelo com os semicondutores, denominados de díodos de roda livre. O esquema deste conversor é o representado na figura 2.7. S1 D1 S2 D2 L R Vin ir S3 D3 S4 D4 Figura 2.7 Conversor em ponte completa Este conversor apresenta um ganho que é o dobro do ganho do conversor Half-Bridge. Tal facto ocorre devido a ser aplicada uma tensão. Deste modo, o ganho estático do conversor em ponte completa é: (2.5) Para a determinar o tempo máximo que um impulso pode ser aplicado no primário do transformador de maneira a que este não sature, utiliza-se a equação do fluxo máximo, (2.6) Este circuito caracteriza-se por ter quatro etapas de funcionamento representadas na figura 2.8. Nos instantes em que e conduzem, a tensão na carga é igual a e nos instantes em que e conduzem, a tensão na carga é igual a. 17
38 S1 D1 S2 D2 S1 D1 S2 D2 L R L R Vin Vin ir ir S3 D3 S4 D4 S3 D3 S4 D4 1 2 S1 D1 S2 D2 S1 D1 S2 D2 Vin L ir R Vin L ir R S3 D3 S4 D4 S3 D3 S4 D4 3 4 Figura Etapas de funcionamento de um conversor em ponte completa Deste modo, os quatro modos de operação regem-se da seguinte forma: 1ª Etapa: A primeira etapa acontece quando os interruptores e conduzem e os interruptores e encontramse bloqueados. Esta etapa encontra-se na representada na figura 2.9. Vin S1 A S3 Lr Cr B ir S2 S4 Figura 2.9 1ª Etapa de funcionamento do conversor 18
39 2ª Etapa: A segunda etapa ocorre quando após um impulso positivo durante Ton, existe um tempo de prolongamento de condução com a corrente a circular pelo díodo. A seguir entra o interruptor à condução. Durante este processo é garantido que o valor médio da tensão no primário do transformador é zero, permitindo a desmagnetização do transformador e por conseguinte que este não sature. Esta etapa pode ser observada na figura Vin S1 A B S3 ir Lr Cr S2 S4 Figura ª Etapa de funcionamento do conversor 19
40 3ª Etapa: Esta etapa é semelhante à primeira, mas agora é aplicado um impulso negativo no primário do transformador através do accionamento dos interruptores e. Vin A S1 B S3 ir Lr Cr S2 S4 Figura ª Etapa de funcionamento do conversor 4ª Etapa: Na quarta e última etapa, serão accionados os interruptores e de modo a proceder-se à desmagnetização do transformador à semelhança do que acontece com segunda etapa, só que desta vez após o impulso negativo. Vin A S1 B S3 ir Lr Cr S2 S4 Figura ª Etapa de funcionamento do conversor 20
41 Figura 2.13 Formas de onda de tensão de entrada e corrente no conversor em ponte completa 2.3 Circuito ressonante O uso do circuito ressonante torna-se essencial num circuito de alta frequência e neste em especial, porque permite a redução das perdas por comutação e dos problemas causados pelos transitórios derivados de uma comutação rápida, como referido anteriormente. Sendo o transformador um elemento crucial na construção de uma fonte de alta tensão, uma vez que é preciso ter em conta as suas características não-lineares tais como a capacitância entre enrolamentos e as indutâncias de fugas, foram feitas várias tentativas para que estas sejam absorvidas como elementos úteis para o circuito. O resultado culminou no desenvolvimento de conversores ressonantes série (serie ressonant converter (SRC)), paralelo (parallel ressonant converter (PRC)) e série-paralelo (serie parallel ressonant converter (SPRC)) cada um com as respectivas vantagens e desvantagens. Estes conversores podem ser controlados por modulação de frequência ou por modulação de fase com frequência constante. A modulação por fase com frequência constante é normalmente a topologia preferida devido à frequência de comutação ser constante que permite obter um rendimento superior dos elementos reactivos. Os conversores SRC são livres da possibilidade de saturação do transformador de alta tensão e permitem um filtro capacitivo na saída. Permitem também a absorção da indutância de fuga do transformador e têm um alto rendimento numa faixa alargada de valores de carga. Embora não absorvam as capacitâncias entre enrolamentos do transformador o SRC é utilizado em conversores de alta-tensão e alta-potência devido a várias outras vantagens. A figura 2.14 ilustra o conversor SRC assinalado a vermelho. 21
42 A S1 S3 Lr Cr Vin B ir S2 S4 Figura 2.14 Conversor série ressonante O conversor PRC permite ao contrário do anterior, a absorção das capacitâncias entre enrolamentos, mas requere o uso de um filtro LC na saída, o que leva naturalmente a um aumento do volume da fonte comutada. Esta restrição pode ser suprimida sem degradação da performance, mas mesmo assim este conversor apresenta algumas limitações tais como, a possível saturação do transformador numa topologia full-bridge e um baixo rendimento em cargas de baixo valor. A figura 2.15 ilustra o conversor PRC assinalado a vermelho. S1 S3 A Lr Vin B ir Cr S2 S4 Figura 2.15 Conversor paralelo ressonante O conversor SPRC conjuga as capacidades dos conversores anteriores, sendo a sua grande vantagem a absorção de todos os fenómenos parasitas do transformador de alta tensão. No entanto, a análise e o controlo destes conversores híbridos é bastante complexa. A figura 2.16 ilustra o conversor SPRC assinalado a vermelho. 22
43 S1 S3 A Lr Cr1 Vin B ir Cr2 S2 S4 Figura 2.16 Conversor série paralelo ressonante O estado-da-arte das fontes de alta tensão é o uso dos conversores ressonantes como processadores de potência. No capítulo V, será discutido mais em detalhe este tema, onde será demonstrada a análise do tipo de conversor usado neste trabalho, assim como as técnicas de controlo que o caracterizam Transformador Numa fonte de alimentação, o objectivo do transformador é o de transferir potência de uma maneira eficiente e instantânea, de uma fonte eléctrica externa para uma carga externa, elevando ou reduzindo a tensão para um nível desejado através da sua relação de transformação. No entanto para o seu correcto dimensionamento é necessário fazer a introdução de alguns conceitos importantes que o caracterizam Energia armazenada no transformador Idealmente o transformador não armazena energia, ou seja toda a energia é transferida instantaneamente da entrada para a saída do transformador. No entanto, na prática não é isso que se verifica e o transformador acaba por armazenar alguma dessa energia sobre a seguinte forma: Indutância de Fugas: representa a energia armazenada nas regiões não magnéticas entre enrolamentos, causada pela imperfeição do acoplamento do fluxo. No circuito eléctrico equivalente, a indutância de fugas representa-se em série com os enrolamentos e a energia armazenada é proporcional ao quadrado da corrente de carga. 23
44 2.4.2 Perdas e aumento de temperatura no transformador Relativamente às perdas no transformador, estas são limitadas pelo ponto de temperatura máxima na superfície do núcleo e no interior dos enrolamentos. A variação de temperatura (ºC) vem em função da resistência térmica (ºC/Watt) e das perdas do núcleo (Watts), como demonstra a equação (2.7). (2.7) Para um determinado projecto, o tamanho apropriado do transformador será o mais pequeno dos que permite trabalhar com a potência desejada e onde as perdas serão aceitáveis em termos de variação de temperatura ou rendimento do transformador. A temperatura limite em termos de consumidor ou em ambientes industriais andará entre os 40 a 50ºC, resultando numa temperatura máxima interna de 100ºC. O aumento da temperatura no transformador, não depende só das perdas mas também da resistência térmica (ºC/Watt), do ambiente externo para o interior dos enrolamentos. Esta resistência térmica é um parâmetro chave, mas com cálculo de precisão extremamente difícil. Tem dois componentes principais: a resistência interna térmica, entre o núcleo e os enrolamentos e a superfície do transformador, e a resistência térmica externa da superfície para o ambiente exterior. A resistência interna térmica depende da construção física do transformador, tornando-se no entanto difícil de calcular devidos às fontes de calor estarem distribuídas através do transformador. A grande parte do calor gerado no núcleo é perto da superfície do transformador e o calor gerado dentro dos enrolamentos é distribuído da superfície para o interior do núcleo. Embora o núcleo tenha uma resistência térmica muito baixa, o isolamento eléctrico e os espaços entre enrolamentos aumentam a da resistência térmica do transformador. A resistência térmica externa é uma grandeza que depende da circulação do ar à volta da superfície do transformador, podendo esta ser forçada ou natural. Com uma circulação do ar natural, a resistência térmica externa varia com a maneira com que o transformador é montado e os impedimentos existentes à circulação do ar. Um transformador montado na horizontal e rodeado por componentes altos, terá sempre uma resistência térmica externa mais elevada caso seja montado na vertical onde beneficia do efeito chaminé. Com um sistema de ventilação forçado, a resistência térmica externa pode ser reduzida para os valores desejados dependendo apenas da velocidade de circulação do ar. Neste caso, a resistência interna térmica torna-se no principal problema. 24
45 Para a situação com a circulação de ar natural vem: [ ] (2.8) Onde, é a área total de superfície do transformador, excluindo a superficie de montagem. Para a determinação experimental dos valores das perdas do transformador, estas deverão ser examinadas sobre as piores condições de funcionamento em que a fonte de tensão comutada será expectável estar a funcionar durante longos períodos de tempo e não só durante períodos transitórios. Estas perdas podem ser divididas em três categorias: Perdas no núcleo por histerese: são em função da frequência e da alternância (oscilação) do fluxo. Sobre uma frequência fixa de operação, o volts-segundo (Campo) e a alternância de fluxos são constantes, originadas perdas por histerese também elas constantes, excepto quando existem alterações na tensão de entrada ou na corrente na carga. Perdas por efeito de Joule: são perdas que se reflectem ao nível do aquecimento dos enrolamentos, devido à resistência destes, ou seja é energia que se dissipa sob a forma de calor devido à resistividade dos enrolamentos do transformador Perdas por correntes parasitam ou de Foucault: São as devidas à variação de fluxo no núcleo, que põe em movimento as cargas livres no mesmo gerando corrente eléctrica que se dissipa sob a forma de calor. A sua redução encontra-se, passa por usar núcleos de baixa condutividade eléctrica ou laminar os núcleo evitando a passagem de cargas através do núcleo. 25
46 2.4.3 Factor de enchimento ou factor de utilização da janela O factor de enchimento representa a fracção da janela do núcleo que é preenchida pelo cobre. Existem alguns factores que impedem que este preenchimento seja unitário, tais como: Técnica de enrolamento, uma vez que um fio cilíndrico não se arruma perfeitamente, reduzindo assim o factor de enchimento para valores de entre 0,55 e 0,7; O isolamento do condutor reduz os valores do factor de enchimento para valores de entre 0,65 e 0,95, dependendo do tipo de isolamento; Outros valores típicos de são: 0,5 para bobines simples de baixa tensão; 0,05 a 0,2 para transformadores de alta tensão (kv) 0,65 para bobines de baixa tensão com enrolamentos de fita de cobre Topologia A escolha da topologia do inversor de tensão a utilizar terá obviamente um grande impacto no desenvolvimento do transformador, no entanto uma discussão detalhada sobre este assunto sai fora do âmbito deste trabalho. Contudo a figura 2.17, apresenta uma visualização geral do melhor conversor a utilizar-se em função da potência pretendida para o circuito e da tensão de entrada do mesmo. Figura 2.17 Gráfico para a determinação do conversor da potência de saída em função da tensão de entrada 26
47 2.4.5 Frequência e factor de ciclo A frequência, ou frequência de comutação é a o número com que um determinado número de ciclos de comutação dos semicondutores acontece num determinado tempo. Esta frequência de comutação é a frequência vista pelo filtro de saída. O factor de ciclo D, é visto como a quantidade de tempo em que um circuito de comutação está a entregar potência na saída, em relação ao período de comutação. (2.9) Núcleo Podem ser usados dois tipos de materiais distintos para os núcleos dos transformadores de alta frequência, as ferrites e a ligas metálicas. As ferrites são materiais que apresentam uma resistividade alta para altas frequências, com a vantagem que as perdas por efeitos de Foucault são inferiores relativamente às ligas metálicas. A desvantagem deste tipo de material é que a sua permeabilidade é inferior, resultando numa corrente de magnetização mais alta. As ligas metálicas são materiais que também eles, apresentam uma resistividade alta para frequências altas. Embora a densidade de saturação do fluxo seja geralmente bastante maior que a ferrite, acaba por tornar-se irrelevante porque o balanço de fluxo é severamente limitado devido às perdas por efeitos de Foucault. No capítulo IV, este tema relativo ao material do núcleo será discutido mais em detalhe. Também a forma, ou configuração do núcleo merece especial atenção quando se está a desenvolver um transformador, uma vez que a janela de enrolamento deverá ser o maior possível com o objectivo de maximizar-se a extensão dos enrolamentos e reduzir-se assim o número de camadas, minimizando-se as indutâncias fugas do transformador uma vez que a dimensão da área de dispersão também diminua. Os formatos E-E e U-U utilizados neste trabalho, têm uma ampla área de enchimento para os enrolamentos em relação ao tamanho do núcleo. Existem muitos outros formatos de núcleo, no entanto não se torna relevante falar no decurso deste trabalho. 27
48 CAPÍTULO III Modelo do Transformador 3.1 Introdução Neste capítulo procede-se ao dimensionamento de um modelo eléctrico equivalente de um transformador linear, com o objectivo de poder-se simular o mesmo. Para tal, para além de a introdução de alguns conceitos respeitantes ao fluxo magnético é preciso ter em conta os fenómenos parasitas já referidos no capítulo anterior, tais como a dispersão do fluxo magnético, o acoplamento capacitivo entre espiras e enrolamentos, e as perdas no núcleo que se representam no modelo eléctrico do transformador sob a forma de resistências, indutâncias e capacidades equivalentes, uma vez que têm grande influência na forma de onda do impulso de tensão à saída. Este aspecto ganha assim maior relevância na fase de construção do transformador, uma vez que estas características não ideais, são afectadas pela disposição e o número de espiras dos enrolamentos, as propriedades e a geometria dos materiais a utilizar. 3.2 Transformador de dois enrolamentos A figura 3.1 ilustra um exemplo de um transformador monofásico, que de uma maneira geral pode ser visto visto como um conjunto de duas bobinas com um acoplamento magnético entre si. O primário do transformador identifica-se pelo enrolamento onde é aplicada uma tensão a partir de um circuito exterior e o secundário o enrolamento onde se aplica uma carga. Ao ser aplicada uma tensão no primário, a corrente que circula neste circuito produz um fluxo magnético variável no núcleo do transformador. A variação deste fluxo magnético variável origina no secundário uma tensão, com base na Lei de Faraday. Figura Esquema simplificado de um transformador de 2 enrolamentos 28
49 Na figura anterior, as correntes estão definidas em sentido, de modo a entrarem pelos terminais positivos dos enrolamentos, originando fluxos que se somam no núcleo. Não serão considerados alguns fenómenos que ocorrem no transformador como o de histerese, correntes de Foucault no núcleo e as capacidades distribuídas entre enrolamentos. Assim, por aplicação da lei de Faraday a cada um dos enrolamentos obtêmse as seguintes equações das tensões nos terminais dos enrolamentos: (3.1) (3.2) : valores instantâneos de tensão, do primário e secundário respectivamente; : valores instantâneos de corrente, do primário e secundário respectivamente; : valores de resistência em corrente contínua, do primário e secundário respectivamente; : valores instantâneos dos fluxos ligados, do primário e secundário; Decomposição do fluxo magnético Para a modelação do transformador, para além do fluxo ligado é necessário introduzir o conceito do fluxo por espira. O fluxo por espira pode ser considerado como sendo uma medida do número de linhas de campo que passam através de uma superfície. Figura 3.2 Ilustração de campo que atravessa uma superfície 29
50 Deste modo o fluxo magnético ou fluxo por espira através de qualquer superfície, pode ser definido pela seguinte equação: (3.3) Ou de uma forma mais simplificada pela seguinte equação: (3.4) O fluxo ligado, é igual ao produto do número de espiras do enrolamento pelo fluxo magnético que circula no núcleo. (3.5) Deste modo os fluxos ligados das bobinas da figura 2.1 podem escrever-se da seguinte forma: (3.6) (3.7) Onde e representam o número de espiras de cada um dos enrolamentos e e o fluxo instantâneo de cada uma das espiras. Desta forma e tendo em conta as equações (3.6) e (3.7), as equações (3.1) e (3.2) podem escrever-se da seguinte maneira: (3.8) (3.9) De maneira a facilitar a compreensão de um circuito eléctrico linear, deve-se seguir o caminho da separação das grandezas consideradas nas suas componentes, calculando cada componente e os seus efeitos em separado, facilitando a compreensão dos efeitos produzidos. 30
51 Admitindo que o material do núcleo tem um comportamento linear, pode assim utilizar-se o princípio da sobreposição linear, ou seja, o fluxo por espira de cada enrolamento pode ser decomposto em duas componentes, devido à acção individual de cada corrente. Uma devido à corrente que circula no próprio enrolamento, fluxo de auto-indução, e outra devido à corrente que circula no outro enrolamento, fluxo de indução mútua, ou seja, o fluxo que envolve o primário originado pela corrente do secundário, e que representa o fluxo que envolve o secundário originado pela corrente do primário. (3.10) (3.11) Analogamente as equações anteriores dos fluxos por espira, podem ser expressas em termos de fluxo ligado, da seguinte maneira: (3.12) (3.13) Podem-se agora introduzir dois novos conceitos, que são o fluxo de magnetização e o de fugas. Uma vez que o fluxo originado pela passagem de corrente pelos enrolamentos não se fecha todo pelo núcleo, mas uma parte fecha-se por trajectos de baixa permeabilidade, o fluxo de auto-indução divide-se desta forma em duas componentes com percursos diferentes: O fluxo ligado de magnetização com uma trajectória exclusivamente pela secção transversal do núcleo. O fluxo ligado de dispersão ou de fugas, com um percurso pelas regiões de baixa permeabilidade. (3.14) (3.15) Quantos aos fluxos mútuos, é o fluxo que se fecha apenas pelo núcleo quando o secundário está energizado, e é o fluxo que se fecha apenas pelo núcleo quando o primário está energizado. (3.16) (3.17) 31
52 Substituindo nas equações (3.10) e (3.11) as equações (3.16) e (3.17) tem-se: (3.18) (3.19) Considerando que o fluxo por espira que percorre o enrolamento primário e secundário através da secção transversal do núcleo é dador por: (3.20) A figura 3.3 representa um esboço dos fluxos existentes num transformador com o primário energizado e secundário em aberto, tendo em conta a equação (3.18). Figura Esquema simplificado das linhas de fluxo de um transformador com o primário energizado e o secundário em vazio Substituindo nas equações (3.8) e (3.9) as equações (3.18) e (3.19) vem: (3.21) (3.22) 32
53 Analogamente as equações anteriores dos fluxos de auto-indução por espira, podem ser expressas em termos de fluxo ligado, da seguinte maneira: (3.23) (3.24) (3.25) (3.26) (3.27) (3.28) ( ) (3.39) ( ) (3.40) 33
54 3.2.2 Coeficientes de auto-indução e de indução mútua Antes da introdução destes dois novos conceitos é interessante relembrar que um indutor é um componente num circuito eléctrico que armazena energia no campo magnético que envolve o fio condutor de um determinado enrolamento. Se a corrente eléctrica num determinado solenóide variar, o campo magnético criado por esta também varia, o que por sua vez fará com que o fluxo magnético também varie e pela lei de Faraday sabe-se que uma f.e.m, é gerada no indutor. O indutor é caracterizado pela indutância, que é definida como sendo uma constante de proporcionalidade que relaciona a taxa de variação de corrente com uma f.e.m induzida. (3.31) E pela lei de Faraday sabe-se que: (3.32) As equações (3.31) e (3.32) encontram-se assim relacionadas com a f.e.m. num determinado indutor, através da derivada da corrente (equação. 3.31), ou através da grandeza que é proporcional à corrente ( na equação. 3.32). Comparando as duas equações e usando apenas a intensidade das grandezas, obtém-se: (3.33) Integrando a equação anterior em relação ao tempo e admitindo que quando, obtém-se: (3.34) 34
55 Assim sendo, considera-se que o coeficiente de auto-indução proporcionalidade entre o fluxo ligado de um enrolamento de um enrolamento é a constante de e a corrente que o percorre. (3.35) O coeficiente de indução mútua entre os enrolamentos e é a constante de proporcionalidade entre o fluxo ligado com o circuito e a corrente que percorre o circuito. (3.36) As equações (3.12) e (3.13) podem ser escritas, da seguinte forma: (3.37) (3.38) Substituindo as equações anteriores nas equações (3.1) e (3.2) fica: (3.39) (3.40) Os coeficientes de auto-indução e de indução mútua, são parâmetros que variam exclusivamente com os parâmetros físicos dos enrolamentos e com a permeabilidade física do meio, como se irá demonstrar de seguida. Partindo da Lei de Ampére, que permite calcular o campo de qualquer distribuição de corrente, (3.41) em que representa o comprimento dos seguimentos da espira amperiana e µ 0 a permeabilidade do vácuo com o valor de. 35
56 Considerando um solenóide ideal, onde se escolhe uma espira amperiana com a forma do rectângulo abcd. Para esta análise supõe-se que o campo magnético seja paralelo ao eixo do solenóide ideal e constante em intensidade ao longo da distância ab ao eixo central. Figura 3.4 Espira amperiana (rectângulo abcd) utilizada para calcular o campo magnético de um solenóide Deste modo, o lado esquerdo da lei de Ampère pode ser escrito como a soma dos quatros integrais, um por cada segmento do caminho: (3.42) A primeira parte do integral (lado direito da equação anterior) é Bh, onde B é a intensidade de dentro do solenóide e h é o comprimento arbitrário do caminho entre a e b. A segunda e quarta parte do integral, são nulas porque para qualquer elemento destes caminhos, ou é perpendicular ao caminho (para pontos dentro do solenóide) ou nulo (para pontos exteriores). Para cada um destes casos é nulo e as integrais anulam-se. A terceira parte da integral é também ela nula, porque considera-se nulo, para todos os pontos externos para um solenóide ideal. Assim para todo o caminho rectangular, tem o valor de Bh. A corrente total i que passa através da espira amperiana, não é a mesma corrente no solenóide porque a bobina passa pela espira mais do que uma vez. Como tal, seja n o número de espiras, nh será o número de voltas dentro da espira e a corrente total que passa que passa pela espira amperiana será nhi e a lei de Ampère torna-se, (3.43) Considerando agora a curva característica de um determinado material ferromagnético, o campo magnético H e a densidade de fluxo B é dada por, sem histerese e saturação: A relação entre o campo magnético H e o fluxo B é dado por: (3.44) 36
57 Substituindo as equações (3.4) em função da corrente, (3.43) e (3.44) na equação (3.35) e (3.36), resulta: (3.45) (3.46) Nestas equações, representa a secção do núcleo do material ferromagnético onde estão bobinados os enrolamentos e a permeabilidade do núcleo, em que. As equações (3.45) e (3.46), demonstram que os coeficientes de auto-indução e de indução mútua, dependem exclusivamente dos parâmetros construtivos e da permeabilidade do material ferromagnético do núcleo. Num material ferromagnético a permeabilidade é muito elevada, havendo uma concentração das linhas de fluxo magnético nesse meio. No entanto, a permeabilidade magnética de uma material não é constante em toda a zona de funcionamento do transformador, ou seja, para valores elevados de H o valor de B tende a ficar constante resultando na diminuição da permeabilidade relativa. A este fenómeno dá-se o nome de saturação. Outro fenómeno a ser realçado é o da histerese, cujo significado nasce na oposição do material à variação campo, ou seja, os valores de com o campo decrescente, são superiores aos valores de para campo crescente. Em qualquer ponto do caminho de magnetização, a relação de é chamada de permeabilidade, enquanto o diferencial da curva nesse mesmo ponto é chamado de diferencial de permeabilidade. A área interior do ciclo de histerese representa as perdas magnéticas durante o processo, também conhecidas por perdas por histerese. a) b) Fig (a) Curva de magnetização (b) ciclo de histerese típico de um transformador com núcleo ferro magnético 37
58 Pode-se construir um modelo matemático baseado nos coeficientes de auto-indução e de indução mútua, considerando as equações (3.39) e (3.40), no entanto este modelo tem como grande limitação as condições de funcionamento do transformador em que a permeabilidade do núcleo varie, ou seja, não pode ser utilizado quando haja saturação magnética do núcleo. Este modelo só deve ser considerado, quando tem-se um transformador apenas a trabalhar na zona linear da cuva característica. Deste modo, considerando a decomposição do fluxo por espira e nas parcelas de dispersão e magnetização, representados nas equações (3.39) e (3.40), e subdividindo pelos correspondentes coeficientes de auto-indução tem-se, (3.47) (3.48) Ou seja, (3.49) (3.50) Assim, observando as equações anteriores, conclui-se que o coeficiente de auto-indução possui duas componentes, o coeficiente de auto-indução associada ao fluxo de fugas e o coeficiente de auto-indução de magnetização associado ao fluxo mútuo de magnetização. Os coeficientes de indução mútua, em termos do fluxo por espira forma: podem-se escrever da seguinte (3.51) (3.52) 38
59 Para enrolamentos que estejam bobinados em troços iguais do núcleo considera-se: (3.53) Assim sendo, substituindo nas equações (3.39) e (3.40) os coeficientes de auto-indução de dispersão dos enrolamentos, definido nas equações (3.47), (3.48), (3.49) e (3.50) obtém-se: (3.54) (3.55) Com base nas equações anteriores, pode-se representar o modelo matemático do transformador baseado no conceito de fluxo de magnetização e de fugas, que é válido para quaisquer condições de funcionamento do transformador. 39
60 3.3 - Modelo do Transformador R1 N1:N2 R2 V1 Lm RC V2 Tranformador ideal Figura 3.6 Modelo eléctrico equivalente de um transformador Com base nas equações (3.54) e (3.55), pode-se então construir-se um modelo eléctrico do transformador baseado nos conceitos de fluxo de magnetização e de fugas. Para tal, considera-se um transformador de dois enrolamentos alimentado do lado do primário, estando o secundário ligado a uma carga resistiva. As correntes que circulam nos enrolamentos primário e secundário, originam duas forças magnetomotrizes e, que podem ser representadas da seguinte maneira: (3.56) onde representa a força magnetomotriz que produz o fluxo mútuo de magnetização, e o valor instantâneo da corrente de magnetização no primário do transformador Analisando o circuito e tendo como referência as equações (3.54) e (3.55), podem então escrever-se as seguintes equações: (3.57) (3.58) (3.59) (3.60) Das equações anteriores, observa-se os fenómenos reais do transformador que assumem um papel importante nas imperfeições da forma de onda à saída do, mesmo e na sua própria eficiência. Esses fenómenos devem-se às quedas de tensão associadas aos enrolamento e e às f.e.m associadas às indutâncias de dispersão e. 40
61 Relativamente às perdas no núcleo, estas serão desprezadas e assumir-se-á que o fluxo de magnetização é proporcional à corrente de magnetização: (3.61) Influência da frequência no transformador O modelo do transformador anteriormente apresentado é válido enquanto a frequência de funcionamento das grandezas eléctricas e as suas amplitudes forem tais, que sejam desprezadas as correntes nas capacidades distribuídas entre enrolamentos e entre cada camada de espiras, como se torna perceptível ao observar-se a seguinte equação, (3.62) onde representa a corrente instantânea, a capacidade, o valor instantâneo da tensão e o tempo. Se a taxa de variação de tensão for elevada, o valor capacitivo não pode ser desprezado. Num transformador, existem várias capacidades distribuídas tais como, as dos enrolamentos para com o núcleo, entre enrolamentos, entre espiras do mesmo enrolamento e entre camadas de espiras dos enrolamentos. As capacidades distribuídas que têm maior significado nos transformadores a trabalharem em frequências elevadas são: C eq1, Capacidade equivalente à capacidade distribuída do primário; C eq2, Capacidade equivalente à capacidade distribuída do secundário; C eq12, Capacidade equivalente à capacidade distribuída entre o primário e o secundário; Devido à distância do isolamento entre o primário e o secundário nestes tipo de transformadores de alta tensão, e à complexidade que a inclusão das três capacidades distribuídas traz à análise do circuito do transformador, ( C eq12) é desprezada face a ( C eq1 ) e ( C eq2 Considerando então apenas capacidades relevantes no modelo equivalente do transformador da figura 3.7, resulta o seguinte esquema equivalente: ). 41
62 R1 N1:N2 R2 V1 Ceq1 Lm Ceq2 V2 R c Tranformador ideal Figura Modelo eléctrico equivalente de um transformador real para frequências elevadas Com a inclusão destas capacidades, a corrente pedida à fonte exterior e aplicada à carga, representa-se da seguinte forma: (3.63) (3.64) Representando-se as correntes nos condensadores em função da tensão e da capacidade dos mesmos tem-se: (3.65) (3.66) Das equações anteriores, observa-se então como referido anteriormente, que se a taxa de variação da tensão nos terminais do transformador for demasiado elevada, os parâmetros capacitivos devem ser levados em conta na fase de projecto, nomeadamente na fase de montagem utilizando técnicas para a mitigar este fenómeno, que serão abordadas no capítulo IV. Para simplificar análise do circuito, utiliza-se a técnica da transferência das grandezas do secundário para o primário, relacionando os parâmetros do secundário em relação ao primário através da relação de transformação, utilizando como exemplo o esquema da figura 3.8. R1 R2 N1:N2 v1 Ceq1 Lm C eq2 v 2 R o Tranformador ideal Figura Modelo eléctrico equivalente de um transformador real com as grandezas do secundário referidas ao primário 42
63 Considerando que a relação de transformação de um transformador elevador é dada por:. (3.65) Relacionam-se os parâmetros do secundário em relação ao primário, através da relação de transformação: (3.66) (3.67) (3.68) (3.69) Deste modo e tendo em conta as equações anteriores e as equações (3.57), (3.58), (3.59), (3.65) e (3.66), podem escrever-se as equações do esquema do modelo equivalente do transformador, com as grandezas do secundário referidas ao primário da seguinte forma: (3.70) (3.71) (3.72) (3.73) (3.74) (3.75) 43
64 Observando as equações anteriores é possível retirar os parâmetros do secundário do transformador relativo ao primário através das seguintes expressões: (3.76) (3.77) (3.78) (3.79) É ainda possível simplificar o esquema da figura 3.8, uma vez que o facto de ser um transformador elevador, o número de espiras e de camadas do secundário é muito superior ao do primário e como tal as capacidades distribuídas do secundário são bastantes superiores às do primário. Tal facto será levado em conta, desprezando desta forma a capacidade distribuída do primário em detrimento da do secundário, para se melhor perceber a influência da capacidade distribuída no transformador. R1 L1 R2 L2 N1:N2 v1 Lm R o C eq2 v 2 Tranformador ideal Figura 3.9 Esquema equivalente em T do transformador elevador de tensão ligado a uma carga com as grandezas do secundário referidas ao primário 44
65 Com este modelo, é então possível representar um modelo matemático do transformador e partir para a construção de um modelo para simulação, de modo a comprovar os dados obtidos experimentalmente. (3.80) (3.81) (3.82) (3.83) (3.84) (3.85) (3.86) (3.87) (3.88) 45
66 CAPÍTULO IV Dimensionamento e determinação experimental dos parâmetros do transformador de alta tensão e alta frequência Introdução Neste capítulo procede-se ao cálculo dos parâmetros construtivos do transformador, onde serão projectados dois transformadores, tipo duplo E e tipo e duplo U de dois enrolamentos concêntricos. O projecto do transformador de alta frequência e alta-tensão representa um compromisso entre os seguintes pressupostos: dimensão do núcleo densidade de fluxo máxima número de espiras isolamento necessário entre camadas de espiras Serão ainda determinados experimentalmente os elementos não lineares sob a forma de resistências, indutâncias e capacidades equivalentes que representam os fenómenos reais do transformador. A partir dos resultados pretende-se construir os modelos dos transformadores com o intuito de proceder às devidas simulações com o recurso ao MATLAB/SIMULINK e respectivos ensaios para comprovar a qualidade do modelo. 4.2 Dimensionamento do transformador Pretende-se um transformador elevador, que irá alimentar uma carga resistiva. Desta forma, o passo inicial para o dimensionamento de um transformador de alta frequência e alta tensão será reunir os valores dos parâmetros eléctricos e magnéticos com base na forma de onda de saída do conversor em ponte completa. Assim os pressupostos iniciais para a construção dos transformadores serão os seguintes: Vi 300 V Duty 50 % cycle N 7 B máx f R o 0,220 T 25 khz 2 kω Tabela 4.1 Valores de funcionamento do transformador 46
67 Duty cycle : ciclo de trabalho em que o dispositivo (on); N : relação de transformação do transformador; B máx : densidade de fluxo magnética máxima; f : frequência de comutação do inversor de tensão; R o : Resistência da carga; Tendo em conta o funcionamento do conversor em ponte completa (figura 2.7), e considerando apenas o factor resistivo do circuito, desprezando-se a corrente de magnetização, admite-se que a potência no primário do transformador tem a forma de onda da figura 4.1, com impulsos de tensão a trabalhar a uma frequência de 25 khz e um factor cíclico de 50 %. Figura 4.1 Forma de onda aproximada da potência no primário do transformador para uma carga resistiva O segundo passo será a escolha do núcleo adequado, com o auxílio das especificações dos fabricantes. O tamanho do núcleo depende da potência transferida no transformador e da frequência de operação. Desta forma para se chegar à expressão da potência aparente do transformador e com base na forma de onda apresentada na figura 4.1, calcula-se a potência média activa através da seguinte expressão, (4.1) onde e representam respectivamente os valores de tensão e corrente, no primário do transformador. Durante a fase onde há transferência de energia no secundário do transformador, estando este ligado a uma carga resistiva, pode-se resolver a equação anterior da seguinte forma, [ ], considerando que. 47
68 Como tal a potência média pode ser calculada através da seguinte expressão,. (4.2) A potência aparente do transformador pode-se representar da seguinte forma:. (4.3) e representam os valores eficazes de tensão e corrente respectivamente, que podem ser calculados através das seguintes expressões: (4.4). (4.5) Desta maneira, a potência aparente pode-se representar da seguinte maneira:. (4.6) Da equação anterior, verifica-se que a potência aparente é assim igual à potência activa representada na equação (4.2) Para o cálculo da potência eficaz pode-se utilizar a seguinte equação:. (4.7) Resolvendo a equação, têm-se a seguinte expressão: [ ] (4.8) 48
69 O passo seguinte, é o cálculo do número de espiras do primário do transformador. Este número determinará a densidade de fluxo magnético no núcleo do transformador, sendo o número de espiras do secundário directamente proporcional através da relação de transformador, tendo em conta que trata-se de um transformador elevador. Assim, a partir da Lei de Faraday, sabe-se que ao aplicar-se uma tensão no primário do transformador, com espiras e durante um intervalo de tempo, irá originar uma variação de fluxo,, (4.9) integrando-se os dois lados da equação fica:. (4.10) Admitindo-se que o fluxo inicial é nulo, o fluxo ligado com o primário no final do impulso pode representar-se da seguinte maneira,. (4.11) Considerando de seguida a relação fluxo por espira ligado e o fluxo por espira (equação 3.6) fica, (equação 3.4) e a densidade de fluxo B e o fluxo, (4.12) Em que representa a secção transversal do núcleo do transformador. Assim sendo, pode-se escrever a equação (4.11) da seguinte forma,, (4.13) Da última equação, é possível observar-se que a densidade do fluxo depende da frequência ( ) e do número de espiras do primário. Com base nesta expressão, pode-se assim calcular o número de espiras do enrolamento primário, escrevendo-se a equação da seguinte forma,. (4.14) Partindo da equação (4.13), considerando-a em ordem à tensão no primário e substituindo a expressão na equação da potência aparente (4.3), chega-se à expressão da potência máxima que o transformador suporta,. (4.15) O próximo passo, será o dimensionamento da secção dos condutores do primário e do secundário. Tendo assim em conta a expressão do valor eficaz da corrente da equação (4.4), e subsistindo na expressão anterior a equação da potência máxima do transformador ficará da seguinte forma, 49
70 . (4.16) Considerando agora que o valor da densidade de corrente no enrolamento primário dado pela seguinte expressão,, (4.17) onde representa a secção do condutor de cobre do primário do transformador. Substituindo assim o valor da corrente eficaz poderá então escrever-se a equação da potência aparente da seguinte forma,. (4.18) A secção do condutor de cobre do primário, pode ser expressa em função dos parâmetros físicos do transformador. Com esse intuito, pode definir-se a área total ocupada pelos enrolamentos, assumindo-se que, a janela será totalmente preenchida por estes. (4.19) e representam respectivamente, as áreas ocupadas pelos enrolamentos primário e secundário e podem expressar-se da seguinte forma: (4.20) (4.21) onde e representam respectivamente o factor de enchimento do primário e secundário. Assumindo-se que os factores de enchimento são iguais,. (4.22) Pode-se desta forma substituir as equações (4.20), (4.21) e (4.22) na equação (4.19),. (4.23) Pode-se também assumir, que as potências dissipadas nos enrolamentos primário e secundário do transformador deverão ser iguais, garantindo desta forma um bom desempenho do transformador. Desta forma o calor gerado no interior do transformador assim como subida de temperatura, são uniformemente distribuídos pelos enrolamentos. 50
71 (4.24) Substituindo a equação (4.17) na equação anterior (4.24), considerando a relação de transformação e procedendo-se às respectivas operações fica-se com a seguinte expressão,. (4.25) Assim, na equação que relaciona a área total ocupada pelos enrolamentos (4.23), ao dividir-se em ambos os lados pelo número de espiras do primário fica, (4.26) e substuindo a equação (4.25) em (4.26) vem. (4.27) Por fim, e para se chegar à expressão final da potência máxima do transformador, que relaciona os parâmetros electromagnéticos de entrada com os parâmetros físicos do transformador, substitui-se a equação anterior (4.27) em (4.18) originando a seguinte expressão:. (4.28) Para que o dimensionamento do transformador seja bem executado, tem que se verificar duas premissas finais, que são, e que. Deste forma, garante-se que o núcleo escolhido para o transformador será capaz de gerar a potência desejada e que os enrolamentos do primário e secundário com as respectivas secções, adequamse ao espaço físico do núcleo a bobinar. 51
72 4.3 Construção do transformador Para a construção do transformador é essencial o conhecimento do tipo de material magnético do núcleo, uma vez que a permeabilidade do circuito magnético, as perdas magnéticas e a densidade de fluxo máximo de operação, são variáveis que dependem do tipo de material do núcleo e que influenciam o desempenho do transformador. Sabe-se também que as propriedades dos materiais, como a geometria e as dimensões da estrutura do transformador influenciam os parâmetros não lineares do mesmo, tais como a indutância de fugas, as capacidades distribuídas equivalentes e a indutância de magnetização. Foram considerados para este projecto dois tipo de núcleos distintos, tais como, a Ferrite e o METAGLAS. A Ferrite é um composto cerâmico de metais de transição com o oxigénio. Deste modo as ferrites usadas nos núcleos dos transformadores contêm níquel e zinco. Trata-se de um tipo de material que suporta valores inferiores de densidade de fluxo comparativamente com o METAGLAS (normalmente até 0,3T), tem uma resistividade eléctrica, o que permite o seu uso em aplicações para altas frequências e têm uma baixa coercividade, que significa que a magnetização do material pode facilmente inverter de direcção sem dissipação de energia (perdas por histerese) enquanto que a alta resistividade impede outra forma de dissipação de energia que são as correntes de Foucault. Foram considerados para o dimensionamento dois núcleos distintos (3C85 e 3C90), no entanto para a fase de construção só um deles será considerado O METAGLAS é um tipo de núcleo de ferro ou cobalto baseado em ligas com estruturas atómicas não cristalinas. Esta estrutura é a chave para umas perdas muito baixas neste tipo de núcleos o que torna o seu uso para frequências elevadas muito apreciável. Comparativamente com as Ferrites estes tipos de núcleos permitem uma maior densidade de fluxo (na ordem dos 1,5T), no entanto uma das grandes desvantagens deste tipo de material é ser bastante dispendioso. O METAGLAS escolhido para o efeito foi o AMCC Núcleo Material [ ] [ ] [ ] [ ] ETD 59 3C METAGLAS AMCC * Tabela Valores dos parâmetros físicos dos transformadores a serem construídos. As grandezas representadas na tabela anterior têm o seguinte significado: : volume do núcleo : secção transversal do núcleo do transformador : área dos enrolamentos : permeabilidade efectiva do núcleo 52
73 O dimensionamento dos transformadores foi executado tendo em conta três tipos de núcleos, dois de Ferrite e um METAGLAS, com base nas expressões demonstradas na secção 4.2. Para todos eles foram considerados os pressupostos apresentados na tabela 4.1. O resultado do dimensionamento é apresentado na tabela 4.3. ETD49 ETD59 Metglass Material 3C85 3C90 AMCC [ ] [ ] [ ] [ ] 0,9 0,9 0,9 [ ] 0,25 0,25 0,25 [ ] 0,64 0,64 0,64 [ ] 0,05 0,05 0,05 [ ] Tabela 4.3 Grandezas eléctricas e físicas para o projecto do transformador Ao observar-se tabela 4.3, verifica-se que devido à menor dimensão do núcleo ETD49, seriam precisas mais espiras para estabelecer a razão de transformação pretendida. Como tal, este núcleo foi preterido em função do ETD59. A estrutura dos enrolamentos dos transformadores a serem construídos, será da seguinte forma: a) b) Figura 4.2 Estrutura simplificada dos transformadores de dois enrolamentos, onde 1 e 2 correspondem respectivamente as camadas do primário e secundário: a) núcleo ETD, b) núcleo AMCC 53
74 a) b) Figura 4.3 Construção dos transformadores: a) ETD 59, b) AMCC100 a) b) Figura 4.4 Aspecto final dos transformadores: a) ETD 59, b) AMCC Parâmetros não lineares do transformador O cálculo dos parâmetros lineares e não lineares do transformador, servirá para se poder simular o modelo do transformador e comprovar mais à frente com os ensaios experimentais a qualidade de construção dos transformadores. Antes de entrar nos métodos para a obtenção dos valores dos parâmetros não lineares é importante fazer uma pequena introdução do conceito destes parâmetros Coeficiente de auto-indução de magnetização do transformador O coeficiente de auto-indução de magnetização, é o parâmetro mais importante do transformador pois determina a amplitude da corrente de magnetização da qual depende o fluxo magnético. O seu valor teórico, visto do primário, do modelo do transformador depende exclusivamente do número de espiras do primário e da relutância do núcleo, como demonstra a seguinte fórmula. (4.29) 54
75 A relutância do núcleo do transformador pode ser determinada da seguinte forma: (4.30) onde, : dimensão média do percurso magnético do fluxo mútuo de magnetização : secção transversal do núcleo : permeabilidade magnética do núcleo Indutância de fugas do transformador As indutâncias de fugas de um transformador surgem devido às linhas do campo magnético gerados pela corrente que passa pelos condutores dos transformadores que atravessam as zonas de baixa permeabilidade, tais como os enrolamentos o ar em vez do núcleo do transformador. A consequência imediata de tal efeito, é uma perda natural de eficiência do transformador. O seu valor depende apenas de factores geométricos na construção do transformador. O seu cálculo teórico prévio não será considerado neste trabalho, uma vez que os transformadores em questão já têm uma aplicação específica. No entanto para uma aplicação mais generalizada, tal cálculo será necessário. O conhecimento prévio do seu valor, serve apenas para se ter uma noção da sua ordem de grandeza, para que no caso de ser significativo procure-se encontrar técnicas para a sua redução. Algumas dessas técnicas foram tidas em conta na fase de construção do transformador, nomeadamente a opção pela técnica de enrolamentos concêntricos em particular no METAGLAS. Um menor número de espiras também leva a um menor valor de indutância de dispersão e tal facto foi tido em conta ao escolher-se o núcleo ETD59 ao invés do ETD49 para o transformador com núcleo de Ferrite. A redução da distância de enrolamentos, do número de camadas e a própria configuração do núcleo, proporcionam uma indutância de fugas mais baixa, sendo deste modo algumas técnicas a ter-se em conta. Existem ainda técnicas especiais de bobinagem, como o entrelaçamento dos enrolamentos primário e secundário que leva a uma redução do campo magnético na janela dos enrolamentos, diminuindo também a indutância de fugas do transformador Capacidades distribuídas do transformador Ao ser aplicada uma tensão num enrolamento, e sendo este percorrido por uma corrente existirá sempre uma diferença de potencial distribuída por todo o enrolamento, originando desta forma um efeito capacitivo, o que provoca naturalmente num transformador um efeito capacitivo entre espiras, entre camadas e entre espiras e a bobina que envolve o núcleo. 55
76 A capacitância é um fenómeno geométrico que depende exclusivamente do tamanho, forma e do afastamento das placas e do material que preenche o espaço entre elas, não dependendo assim da diferença de potencial nem do valor de carga que aparece numa placa. Sabendo-se que esse valor de carga é directamente proporcional à distância entre placas, a capacitância é constante de proporcionalidade necessária para tornar esta relação numa equação,. (4.31) No caso de um transformador, os factores preponderantes para o aparecimento deste fenómeno são os seguintes: Constante dieléctrica relativa, dos materiais isolantes colocados entre os condutores (verniz isolante do condutor, papel isolante entre espiras e camadas e o próprio plástico da bobina do núcleo); A geometria, ou seja diâmetro e dimensões do condutor energizado e o espaço mútuo entre os condutores e a sua distância para com a bobina; A configuração dos próprios enrolamentos sobre a bobina A capacidade distribuída do enrolamento só se torna relevante, quando a frequência de operação é elevada ou, se existirem regimes transitórios de funcionamento de curta duração, mas com diferenças de tensão elevadas de modo a provocarem correntes de deslocamento não desprezáveis nas capacidades distribuídas. Num transformador podem definir-se várias capacidades distribuídas, onde as mais relevantes são: Capacidade equivalente entre enrolamentos ; Capacidade equivalente entre camadas de um mesmo enrolamento e ; Capacidade equivalente entre espiras de um mesmo enrolamento Capacidade equivalente do enrolamento para o núcleo do transformador ; No entanto, apenas o valor da capacidade distribuída do secundário é relevante para o desempenho do transformador, uma vez que o seu valor é francamente superior ao de todas as outras. Comparativamente com a capacidade distribuída do primário a diferença na razão da ordem de grandeza é de fácil compreensão uma vez que no secundário o número de espiras e de camadas é bastante superior, logo o valor da capacidade distribuída do secundário será francamente superior. Não sendo possível evitar este fenómeno existem também algumas técnicas, a exemplo da indutância de fugas, para se reduzirem o efeito das capacidades distribuídas, tais como: Aumentar a distância entre espiras, camadas e enrolamentos; Reduzir a largura dos enrolamentos; Uso de blindagens electroestáticas; Configuração dos enrolamentos sobre a bobina, como referido anteriormente; 56
77 Neste trabalho, com o fim de mitigar-se este fenómeno utilizou-se a seguinte configuração dos enrolamentos, Figura 4.5 Configuração inclinada dos enrolamentos com o objectivo de reduzir a capacidade entre espiras. 4.5 Determinação experimental dos parâmetros não lineares do transformador Para a obtenção dos valores dos parâmetros não lineares do transformador, foram executados três tipos de ensaios distintos. Um para a obtenção dos valores das indutâncias de magnetização, outro para a indutância de fugas e outro para a obtenção do valor da capacidade distribuída equivalente do circuito. Estes ensaios servirão para a simulação do modelo do transformador apresentado no capítulo III Determinação da indutância de fugas Para a determinação dos valores da indutância de fugas do primário e do secundário do transformador recorreu-se ao ensaio em vazio do mesmo. Desse modo, ao aplicar-se uma tensão no primário do transformador, deixando o secundário em aberto, não haverá corrente do lado do secundário e o esquema da figura 3.6 fica representado na figura que se segue. R1 Lf1 i1 Vin Lm Figura 4.6 Modelo equivalente do transformador para o ensaio em vazio 57