Publicação: Contribuições em metodologias para projeto de indutores acoplados aplicados em conversores de potência baseados em rede de impedância da família Fonte-Y
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Data
2024-10-31
Autores
Orientador
Gonçalves, Flávio Alessandro Serrão 
Coorientador
Santos, Rafael dos
Pós-graduação
Engenharia Elétrica - FESJBV/ICTS
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Dissertação de mestrado
Direito de acesso
Acesso restrito
Resumo
Resumo (português)
Os conversores eletrônicos de potência baseados em rede de impedância deram origem a novas famílias de conversores capazes de superar algumas das limitações operacionais teóricas dos conversores convencionais, baseados em fonte de tensão e corrente, nas mais variadas aplicações de conversão CC-CC, CC-CA, CA-CC e CA-CA. Dentre as topologias de redes de fonte de impedância, as mais proeminentes são as baseadas em redes fonte-Y, que utilizam um indutor acoplado de três enrolamentos para aumentar o grau de liberdade nos arranjos de enrolamentos, e assim alcançar altos ganhos de tensão com baixas razões cíclicas (shoot-through). O projeto e a construção destes indutores acoplados apresentam inúmeros desafios pois as indutâncias de dispersão e as altas perdas nos enrolamentos e no núcleo reduzem a eficiência destes componentes limitando a evolução do produto tecnológico. Ademais, não são encontradas informações apropriadas na literatura para descrever o correto funcionamento do indutor acoplado nos conversores fonte-Y, de modo a permitir a aplicabilidade de uma das metodologias de projeto existentes. Assim, o objetivo deste trabalho é contribuir com uma análise mais abrangente do circuito do conversor de modo a extrair as expressões de projeto e dimensionamento para os componentes ativos e passivos da rede de impedância fonte-Y, permitindo a proposição de uma metodologia adequada para o projeto do indutor acoplado que contribua com a redução das perdas e aumento da eficiência deste componente. Neste contexto, são levantadas as equações de projeto e dimensionamento, não só dos indutores acoplados, mas de todos os componentes da rede de impedância do tipo fonte-Y em aplicação de conversão CC-CC, além da identificação das relações eletromagnéticas e das perdas no indutor acoplado utilizado neste conversor, gerando a proposição de uma metodologia em duas versões a básica e a aprimorada. Já na versão básica da metodologia foram obtidos resultados significativos em termos de protótipos experimentais, onde são demonstrados o projeto, construção, simulação e experimento comparativo de três indutores que atendem aos requisitos operacionais de um conversor CC-CC fonte-Y de 230W. A versão aprimorada da metodologia, levando em considerações modelos de perdas mais apurados, permitiu avanços importantes no sentido de dar previsibilidade aos parâmetros operacionais e construtivos do indutor acoplado projetado, tendo seus resultados comprovados via simulação e experimento comparativo de quatro indutores acoplados projetados e construídos artesanalmente. Por fim, importantes contribuições são feitas ao se propor uma análise em três etapas permitindo a descrição mais abrangente do funcionamento do circuito, e a concepção das equações de projeto, culminando com a proposição de metodologia inédita para o projeto dos indutores acoplados empregados em redes de impedância do tipo fonte-Y.
Resumo (inglês)
Impedance source converters have given rise to a new family of power electronic converters capable of overcoming the theoretical limitations of conventional converters, based on voltage and current sources, in the most varied DC-DC, DC-AC, AC-DC, and AC-AC applications. Among the impedance source network topologies, the most prominent are those based on Y-source networks, which use a three-winding coupled inductor to increase the degree of freedom in the winding arrangements, thus achieving high voltage gains with low cyclic ratios (shoot-through). The design and construction of these coupled inductors present numerous challenges because the leakage inductances and the high losses in the windings and core reduce these components' efficiency, limiting the technological product's evolution. Furthermore, there is no appropriate information in the literature to describe the correct operation of the coupled inductor in Y-source converters to allow the applicability of one of the existing design methodologies. Thus, the objective of this work is to contribute with a more comprehensive analysis of the converter circuit to extract the design and dimensioning expressions for the design of the Y-source impedance network, allowing the proposition of an adequate methodology for the design of coupled inductors that contributes to the reduction of losses and increase of the efficiency of this component. In this context, the design and dimensioning equations are raised, not only of the coupled inductors but of all the components of the DC-DC Y-source impedance network, in addition to the identification of the electromagnetic relations and losses in the coupled inductor used in this converter, generating the proposition of an unprecedented methodology in two versions: basic and improved. The basic methodology generated significant results in terms of experimental and simulation results, resulting in the publication of an article, in which the design, construction, simulation, and comparative experiment of three inductors that meet the operational requirements of a 230 W DC-DC converter are demonstrated. The improved version of the methodology, taking into account more accurate loss models, allowed important advances in the sense of providing predictability to the operational and construction parameters of the designed coupled inductor, with its results proven through simulation and comparative experiment of four designed and built handcrafted coupled inductors. Finally, important contributions are made by proposing a three-stage analysis allowing a more comprehensive description of the circuit operation and the conception of the design equations, culminating in the proposition of an unprecedented methodology for the design of coupled inductors used in Y-source impedance networks.
Descrição
Idioma
Português
Como citar
BÜCHELE NETO, Carlos Miguel. Contribuições em metodologias para projeto de indutores acoplados aplicados em conversores de potência baseados em rede de impedância da família Fonte-Y. 2024. 130 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Instituto de Ciência e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista, Sorocaba, 2024.
