Modelagem, simulação e otimização de transformadores piezoelétricos de modo radial para aplicações em conversão de potência

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2008

RESUMO

Este trabalho visa a aperfeiçoar a modelagem, analisar, simular e otimizar os parâmetros de transformadores piezoelétricos de modo radial, construídos com cerâmicas ferroelétricas de Pb(Zr,Ti)O3 polarizadas, para aplicações em conversão de potência, além de caracterizá-los fisicamente. A principal motivação reside na grande similaridade do modelo elétrico do transformador piezoelétrico em relação ao circuito-tanque LC mais transformador magnético comumente empregado em conversores AC/DC e DC/DC. Tal similaridade poderia viabilizar a aplicação do mesmo em conversão de potência com boa eficiência energética e com redução de volume, peso, complexidade, custo e emissão eletromagnética, quando comparado aos conversores baseados em dispositivos magnéticos, que hoje dominam quase todas as aplicações. A conversão de potência realizada de forma cada vez mais racional e com baixas perdas de energia é sem dúvida uma das grandes preocupações da nossa época, pelos grandes impactos econômicos, tecnológicos e ambientais que acarreta. Um transformador piezoelétrico é um dispositivo que combina um atuador piezoelétrico no lado primário com um transdutor piezoelétrico no lado secundário. Ambos podem trabalhar com modos de vibração transversais ou longitudinais. Estes atuadores e transdutores são feitos de elementos piezoelétricos, sendo por sua vez compostos de placas (eletrodos) e de materiais cerâmicos ferroelétricos polarizados. À semelhança dos transformadores magnéticos, os transformadores piezoelétricos são dispositivos de transmissão de energia elétrica, porém realizada via acoplamento eletromecânico entre o atuador e o transdutor. Eles podem ser utilizados na função de isoladores, redutores ou elevadores da tensão aplicada no primário. Baseado nas equações piezoelétricas e nas equações de onda, o circuito equivalente elétrico de um transformador piezoelétrico de modo radial foi obtido e posteriormente melhorado, a partir de uma abordagem mais completa, incluindo efeitos que normalmente são desprezados. Realizou-se uma análise de desempenho através de simulação computacional e exploraram-se os limites para a transferência de potência impostos por considerações térmicas e eletromecânicas. Posteriormente foi traçado um esquema de otimização do transformador piezoelétrico de modo radial, a fim de maximizar a eficiência e adequá-lo a aplicações de conversão de potência; também através de simulação computacional. Desde que o circuito equivalente elétrico de um transformador piezoelétrico é idêntico ao circuitotanque LC comumente usado em conversão de potência em modo chaveado ressonante de alta frequência, ele poderá substituir o transformador magnético, o indutor e o capacitor do circuitotanque; possivelmente aumentar a eficiência energética e certamente reduzir o número de dispositivos, o volume, o custo e a emissão eletromagnética de uma aplicação em conversão de potência.

ASSUNTO(S)

eletricidade e eletrônicos conversão de potência fisica transformadores elétricos cerâmicas ferroelétricas

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