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Previous issue date: 2008-11-26 / This work seeks to improve the modeling, analysis and the optimization of the parameters of piezoelectric transformer (PT) built with polarized Pb(Zr,Ti)O3 electro-ceramics for applications in power conversion, as well as to characterize them. The main motivation resides in the great similarity of the electric model of the PT in relation to the LC resonant tanks plus magnetic transformer commonly employees in AC/DC and DC/DC power converters. Such similarity could make possible its application in power conversion, with good energy efficiency, as well as reduction of volume, weight, complexity, cost and electromagnetic emission, when compared to the converters based on magnetic devices, that today dominate almost all the applications. The power conversion accomplished in way more and more rational and with low losses of energy it is, without a doubt, one of the great concern of our time, for the expressive economic and environment impacts. A PT is a electric device that combines an piezoelectric driver on the primary side with a piezoelectric receiver on the secondary side. Both can work with transverse or longitudinal vibration modes. These drivers and receivers are made of piezoelectric elements, being for its time composed of metal plates (electrodes) and of polarized electro-ceramics. To the likeness of the magnetic transformers, piezoelectric transformers are transmission devices of electric energy, even so accomplished through eletro-mechanic coupling between the driver and the receiver. They can be used in the function of insulators, reducers or elevators of the applied voltage on the primary side. Based on the piezoelectric and wave equations, the electric equivalent circuit of a piezoelectric transformer in radial-mode vibration was obtained and later on improved, starting from a more complete approach, including effects that are usually despised. A performance analysis was accomplished through computer simulation and it was explored the limits for the power rate transfer for thermal and electromechanics considerations. Later on an outline of optimization of the piezoelectric transformer in a radial-mode was traced, in order to maximize the efficiency and of adapting it to applications of power conversion; also through computer simulation. Since the electric equivalent circuit of a piezoelectric transformer is commonly identical to the LC resonant tanks used in power conversion in high frequency switch-mode resonant scheme, the PT can substitute the magnetic transformer, the indutor and the capacitor of the resonant tanks, as well as to increase the energy efficiency and to reduce significantly the number of devices, the volume, the cost and the electromagnetic emission of an application in power conversion. / 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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/5019 |
| Date | 26 November 2008 |
| Creators | Barros, Marcelo Henrique Martins de |
| Contributors | Moreira, Fernando Manuel Araújo |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Física, UFSCar, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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