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Type: Dissertação
Title: Metodologia de análise de perdas do conversor Flyback utilizando método de elementos finitos e modelos empíricos
Author: Lopes, Pedro Henrique Corrêa
First Advisor: Almeida, Pedro Santos
Referee Member: Bisogno, Fábio Ecke
Referee Member: Soares, Guilherme Márcio
Referee Member: Cupertino, Allan Fagner
Resumo: A busca por eficiência energética vem ganhando grande destaque em diversas áreas. Essa busca reflete a crescente conscientização sobre os desafios ambientais, a volatilidade dos preços da energia e a necessidade de otimizar o uso dos recursos disponíveis. Segundo a International Energy Agency (IEA), a eficiência energética tem papel fundamental na redução das emissões de dióxido de carbono (CO2), além de ter se tornado um mercado muito chamativo. Diante disso, as pesquisas buscam encontrar novas formas mitigar as perdas energéticas, inclusive nos conversores de energia. Estes equipamentos que estão presentes em diversas áreas do cotidiano do ser humano, como na iluminação. Estes conversores possuem perdas em seus componentes durante a sua operação e, por isso, a importância de buscar uma maior eficiência se faz necessária. Diante disso, esse trabalho traz uma nova abordagem metodológica para estimar as perdas com maior precisão, utilizando modelos empíricos para as perdas nos semicondutores e análise de elementos finitos (FEA) para as perdas no magnético. Para as perdas nos semicondutores, utilizou-se uma PCB para fazer os ensaios nos dispositivos com um circuito de duplo pulso (DPT), além de demonstrar boas práticas para obter medições com qualidade em um osciloscópio. Já para a FEA, foi utilizado o software FEMM em conjunto com o Matlab para auxiliar na automação e iterações do projeto. Facilitando a simulação de diversos projetos e simulando o magnético para as harmônicas correspondentes a 99, 9% da energia. Estas frequências harmônicas são encontradas através da Série de Fourier. Para a análise da variações de parâmetros, foi feita uma Simulação de Monte Carlo que trouxe a possibilidade de visualizar o efeito que cada variável de projeto (relação de transformação do magnético, frequência de comutação do MOSFET, tensão de grampeamento do snubber, gap do núcleo) influencia nas perdas individuais dos componentes e na eficiência global. Por fim, o trabalho apresenta dois experimentos do conversor, utilizando a mesma PCB usada no DPT, para validação da metodologia proposta. O Conversor foi alimentado com 250 V em corrente contínua para alimentar uma luminária LED de 50W. Os resultados experimentais alcançaram eficiência de 93, 75% e 90, 78% e apresentaram erro relativo percentual menor que 1% para a eficiência global do conversor em comparação com os valores estimados por este trabalho.
Abstract: A search for energy efficiency has been gaining significant attention in various areas. This pursuit reflects the growing awareness of environmental challenges, energy price volatility, and the need to optimize the use of available resources. According to the International Energy Agency (IEA), energy efficiency plays a crucial role in reducing carbon dioxide (CO2) emissions and has become a very attractive market. In light of this, research aims to find new ways to mitigate energy losses, including in energy converters. These devices are present in various aspects of human daily life, such as lighting. These converters experience losses in their components during operation, highlighting the importance of seeking greater efficiency. This work introduces a new methodological approach to estimate losses with greater precision, using empirical models for semiconductor losses and finite element analysis (FEA) for magnetic losses. For semiconductor losses, a PCB was used to conduct tests on devices with a double-pulse test (DPT) circuit, also demonstrating good practices for obtaining high-quality measurements on an oscilloscope. As for FEA, the FEMM software, in conjunction with Matlab, was used to assist in project automation and iterations. This facilitates the simulation of various projects and models the magnetic aspects for harmonics corresponding to 99.9% of the energy. These harmonic frequencies are determined through Fourier Series. To analyze parameter variations, a Monte Carlo Simulation was performed, providing insight into how each project variable (magnetic transformation ratio, MOSFET switching frequency, snubber clamping voltage, core air gap) influences individual component losses and overall efficiency. Finally, the work presents two converter experiments, using the same PCB as in the DPT, to validate the proposed methodology. The converter was powered with 250 V direct current to supply a 50W LED luminaire. The experimental results achieved efficiencies of 93.75% and 90.78%, with a relative percentage error of less than 1% for the converter’s overall efficiency compared to the values estimated by this work.
Keywords: Eficiência energética
Conversores
FEA (Análise de Elementos Finitos)
DPT
SMC (Simulação de Monte Carlo)
Energy Efficiency
Converters
FEA (Finite Elements Analysis)
MCS (Monte Carlo Simulation)
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Access Type: Acesso Aberto
Attribution 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16595
Issue Date: 5-Sep-2023
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