LABORATORIO DE ELECTRONICA DE POTENCIA ll

LABORATORIO DE ELECTRONICA DE POTENCIA ll

• COMPONENTES MAGNÉTICOS EN ALTA Y BAJA FRECUENCIA

María Yuliana Cabarico Gonzales  1091032

Wilson Camilo Gutiérrez Julio         1091346

Yefry Mateo Chaparro Fuentes      1091020

RESUMEN:   En el siguiente laboratorio  se repasaran los conceptos de diseño y elaboración de   los componentes magnéticos basados en la medición del lazo de histéresis; en el cual se hará énfasis en el diseño de inductores y transformadores de convertidores de alta frecuencia.

ABSTRACT: In the next laboratory the concepts of design and elaboration of the magnetic components based on the measurement of the hysteresis loop will be reviewed; which will emphasize the design of inductors and transformers of high frequency converters.

ANALISIS PREMILIMAR:

         1. Características de los materiales magnéticos para operar en alta frecuencia. Fenómenos de saturación, histéresis y corrientes parásitas. Circuitos para determinar el lazo de histéresis de un material magnético.

• Las características de las materiales magnéticos para operar a alta frecuencia son:

Para frecuencias por encima de 1000 Hz y en aplicaciones donde se requiere una alta permeabilidad inicial, se emplean aleaciones Fe-Ni y también los vidrios metálicos, un material recién desarrollado. Para muy altas frecuencias se emplean materiales de lata resistividad como las ferritas tipo espinela

• Fenómenos de saturación:

El material magnético, una vez que alcanza la saturación tiene un comportamiento idéntico al del aire, no permitiendo la densidad de flujo siga aumentando a pesar de que la intensidad de campo si lo haga.

• Histéresis:

La densidad de campo B (Efecto) es generado por un campo magnético H (Causa) cuya relación no lineal se expresa por la curva de magnetización (Línea media de lazo de histéresis), característica

[pic 6]

Figura 1: curva de magnetización del núcleo

• Corrientes parasitas:

La circulación de un campo magnético variable en el interior de un material magnético, genera corrientes (Parasitas) dentro del núcleo.

El campo magnético producido por la corriente parasita, se opone al campo externo aplicado en el interior de una lámina, y por ello el campo magnético neto disminuye exponencialmente con la distancia.

[pic 7] 

Figura 2: Corrientes parasitas del núcleo y sus efectos.

Para producir las corrientes parasitas se lamina el núcleo (En dirección paralela de B) y se aíslan eléctricamente las láminas.

• Circuito que determina el lazo de histéresis de un material magnético:

[pic 8]

Figura 3: Modelo circuital del transformador.

En el modela circuital, la variable Lm representa los fenómenos de saturación e histéresis.

2. Clases de saturación y parámetros geométricos

El parámetro característico de estos núcleos es el área producto, porque es proporcional a la potencia en un transformador o a la inductancia máxima en un inductor.

Se define área producto de un núcleo, al producto del área seccional del núcleo magnética, por el área de la ventana:

Ap= An*Wa

An= Área seccional de núcleo.

Wa= Área de la ventana.

[pic 9]

Donde:

N= Número de espiras que caben en Wa.

Acu= Área seccional del conductor del cobre

Ku= factor de utilización de la ventana, que tiene en cuenta el interespacio entre conductores y el espesor de aislamiento.

3. Calculo de inductancia, inductores del núcleo y sin entrehierro.

Se considera un núcleo E-E sin entrehierro, de la siguiente ecuación:

[pic 10]

Figura 4: Inductor con entrehierro

[pic 11]

[pic 12]

       (1) [pic 13]

         (2)[pic 14]

Igualemos las ecuaciones 1 y 2

[pic 15]

Donde:

I= Corriente eficaz

Ip= corriente de pico

Bm= densidad máxima de campo

Ap= área producto

4. Medición de la inductancia

Para medir la inductancia de una bobina podemos utilizar el método tradicional en el cual el siguiente flujo

[pic 16]

Si tenemos todos los valores basta con reemplazar los valores y realizar la operación para calcular la inductancia.

[pic 17]

Figura 5: Puente Maxwell

5. Modelos circuitales del transformador ideal  y el transformador con permeabilidad finita, fenómenos de saturación, perdidas de potencia en el inductor  y un transformador.[pic 18]

Figura 6: Modelo circuital del transformador ideal.

[pic 19]

Figura 7: Transformador de núcleo con permeabilidad finita.

 Fenómeno de histéresis en núcleos magnéticos.

La energía inyectada aun inductor, en un ciclo de la corriente alterna es:

[pic 20]

Pero

            y    [pic 21][pic 22]

[pic 23]

[pic 24]

Figura 8: Lazo de histéresis.

Las pérdidas de potencia por unidad de volumen (pm,Uv) se puede modelar

Pmuv=Kf(Bca)

6. Diseño de un inductor sin entrehierro

• Inductancia nominal
• Voltaje nominal
• Capacidad dela ventana para albergar los N conductores
• Corriente nominal
• Límite de temperatura.

7. diseño del inductor a alta frecuencia

Para alta frecuencia las pérdidas determinan el valor máximo de B y en baja frecuencia el valor máximo de la densidad de campo magnético esta determinado por la saturación.

La temperatura máxima admisible (100°C) no se debe sobrepasar, para no detectar el aislamiento del conductor o el material magnético. Los criterios a cumplir son idénticos a los del inductor sin entrehierro con la diferencia de que el valor de la inductancia se calcula de la siguiente ecuación:

[pic 25]

En el cual se observa que el valor de la inductancia no depende de la permeabilidad del material magnético.

8. Modelo circuital del transformador a alta frecuencia.

[pic 26]

Figura 9: Modelo detallado del transformador en alta frecuencia.

[pic 27]

Figura 10: Modelo equivalente como circuito RC

9. frecuencia máxima y minina de operación en alta frecuencia de un inductor y un transformador.

• Inductor:

Frecuencia máxima: 10 KHz

Frecuencia mínima:

• Transformador:

Frecuencia máxima: 100 KHz

Frecuencia mínima: 60 HZ

10. Medición de la inductancia magnetizante y de la relación de transformación

Para medir la inductancia de magnetización hay que realizar una prueba de circuito abierto.

La condición del transformador depende mucho del rendimiento del bobinado para proporcionar la esperada relación de tensión, que está directamente relacionada con la relación de espiras (la relación de vueltas de cable en el devanado primario con el número de vueltas de cable en el devanado secundario.

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