Dimensionamento e Projeto de Transformador de Alta Frequência

Abstract

Nos últimos anos, a complexidade dos sistemas de energia elétrica (SEE) tem aumentadosubstancialmente, devido à integração de fontes de energias renováveis e de novos tipos decargas, como por exemplo veículos elétricos.Atualmente, os transformadores magnéticos possuem um papel fundamental nos SEE, porém,apesar de serem equipamentos bastante fiáveis e robustos, apenas possuem a capacidadede isolamento galvânico e de transformação de tensões. Devido ao desenvolvimento da redeelétrica, novas tecnologias têm sido objeto de investigação, sendo que os transformadoresde estado sólido (SSTs) consistem numa tecnologia promissora, em comparação com ostransformadores convencionais. Como alguns dos novos sistemas, que estão a surgir na redeelétrica, têm competência para absorver, e de igual modo, injetar potência nessa mesma rede,os SSTs caracterizam-se como possível solução para a sua adequada integração nos SEE.Estes, além de disporem das mesmas capacidades que os transformadores convencionais,possuem controlo do fluxo de potência ativa bidirecional, elevada densidade de potência,compensação de potência reativa, regulação instantânea e precisa de tensão, entre outros.Além disso, como operam a elevadas frequências, possuem, tipicamente, um peso e volumeinferior aos convencionais.Este tipo de transformadores é constituído, normalmente, por três estágios de conversão:AC/DC, DC/DC e DC/AC. O segundo estágio, designado estágio DC/DC, ou de isolamento,é constituído por um transformador de alta frequência (HFT) integrado no conversor DC/DC,normalmente um conversor DAB. Este estágio possui um papel de elevada importância nosSSTs, devido ao isolamento galvânico do sistema ser garantido neste local, através do HFT.Além disso, este estágio deve ainda possibilitar fluxo bidirecional de potência.Posto isto, o principal objetivo deste trabalho reside no projeto e dimensionamento deum transformador de alta frequência, que se encontra no estágio de isolamento dos SSTs.Com esse propósito, um algoritmo de dimensionamento foi desenvolvido para projetar oHFT, com auxílio de um software de cálculo, o MathCad. Este algoritmo permite determinaralguns dados do transformador, tais como, dimensões do núcleo, número de espiras, bemcomo o seu esquema equivalente. Posteriormente, através de um simulador de elementos finitos, o Flux 12.2 da Altair, o projeto do transformador foi verificado e validado, sendo queos seus comportamentos elétricos e magnéticos foram também observados nessa ferramentade simulação.Após o projeto e caracterização do transformador, o mesmo foi integrado no conversorDC/DC (conversor DAB), sendo observado o seu comportamento. Com essa finalidade, outrosimulador foi utilizado, o Matlab/Simulink, da MathWorks.O transformador de alta frequência projetado, bem como o conversor DAB isolado (queintegra o HFT), foram ambos testados em ambiente de simulação e experimental. Verificou-se,em ambos os processos, que o transformador dimensionado se comportava como esperado,tendo, também, sido constatada a existência de similaridade no seu desempenho, no processode simulação e experimental. Quando este foi incorporado no conversor DAB, verificou-se aexistência de fluxo bidirecional de potência, como desejado

In recent years, the complexity of electric power systems (SEE) has increased substantially,due to the integration of renewable energy sources and new types of loads, such aselectric vehicles.Currently, magnetic transformers have a fundamental role in the SEE, however, despitebeing quite reliable and robust equipment, they only have the capacity of galvanic isolationand voltage transformation. Due to the development of the electrical grid, new technologieshave been under investigation, and solid-state transformers (SSTs) are a promising technology,compared to conventional transformers. As some of the new systems, which are emergingin the electrical grid, have the ability to absorb and inject power into the grid, SSTs arecharacterized as a possible solution for their proper integration in SEE. These, besideshaving the same capacities as conventional transformers, have bidirectional active power flowcontrol, high power density, reactive power compensation, instantaneous and precise voltageregulation, among others. In addition, as they operate at high frequencies, they typically havea lower weight and volume than conventional ones.This type of transformers usually consists of three conversion stages: AC/DC, DC/DCand DC/AC. The second stage, called the DC/DC, or isolation stage, consists of a highfrequency transformer (HFT) integrated in the DC/DC converter, normally a DAB converter.This stage plays a very important role in SSTs, because the galvanic isolation of the systemis guaranteed here by the HFT. Furthermore, this stage must also enable bidirectional powerflow.Having said this, the main objective of this work lies in the design and sizing of a highfrequency transformer, which is located in the isolation stage of SSTs. With this purpose,a sizing algorithm has been developed to design the HFT, with the aid of a calculationsoftware, MathCad. This algorithm allows determining some transformer data, such as, coredimensions, number of turns, as well as its equivalent scheme. Subsequently, using a finiteelement simulator, Altair’s Flux 12.2, the transformer design was verified and validated, andits electrical and magnetic behaviour was also observed in this simulation tool.