SC A MM A Sistema de Medição Automatizado para Caracterização de Materiais Magnéticos Adalberto J. Batista, Orientador João Paulo F. Lima, Mestrando Universidade Federal de Goiás - Escola de Engenharia Elétrica e de Computação – , Goiânia – GO, Brasil Coordenador CELG: Eng o Lauro Carneiro Lobo Introdução O conhecimento das características magnéticas de materiais ferro e ferrimagnéticos moles é crítica para o projeto de componentes e equipamentos que fazem uso dos mesmos, tais como indutores, transformadores e máquinas elétricas. Assim, por exemplo, a eficiência energética, o volume e o peso destes componentes e equipamentos depende das características de perdas magnéticas e de laço de histerese destes materiais. Neste sentido, é importante para o projetista destes componentes e equipamentos ter acesso a características magnéticas generalizadas, confiáveis e de qualidade. Isto daria a oportunidade ao mesmo não somente de melhorar seus projetos, mas também de otimizá-los com vistas à eficiência energética e/ou à minimização de volume e peso. Entretanto, nota-se que os fabricantes nacionais destes materiais não têm disponibilizado tais características de forma generalizada, ou seja, em forma de gráficos parametrizados onde, por exemplo, os efeitos da forma de onda da indução magnética, da freqüência e da temperatura possam ser identificados. Também não são disponibilizados modelos matemáticos que permitam predizer tais características em função destes parâmetros. Além disso, as poucas informações fornecidas têm sido obtidas apenas sob excitação senoidal, a qual raramente é encontrada nos dias atuais devido ao crescente emprego de sistemas eletrônicos de potência e de outras cargas elétricas ditas não-lineares. Objetivo O presente projeto tem por objetivo a implementação de um sistema de medição automatizado (controlado por computador) para caracterização de materiais magnéticos moles (SCAMMA). Este sistema deverá permitir ao usuário a obtenção de gráficos da perda magnética, permeabilidade, curva de magnetização inicial e do laço de histerese, parametrizados pela freqüência e temperatura, sob excitação senoidal pura e não-senoidal. Permitirá ainda, a investigação da modelagem matemática da perda magnética e da permeabilidade e a obtenção de parâmetros utilizados no projeto e simulação computacional de dispositivos magnéticos de potência. Para tanto, programas computacionais específicos em LabVIEW serão implementados para: controle de instrumentos, aquisição e análise de dados de medição, cálculo e apresentação de resultados. Características principais do sistema de medição Estabelecer e controlar a temperatura da amostra do material sob ensaio no interior da câmara térmica. Estabelecer e controlar a forma de onda da indução magnética na amostra e sua freqüência e amplitude. Obter a forma de onda do campo magnético na amostra. Obter a perda magnética total e o laço de histerese para determinadas formas de onda de indução magnética e determinados valores de freqüência (na faixa de 3 Hz a 1 MHz) e de temperatura (na faixa de 20  C a 85  C). Traçar gráficos da perda magnética total, em função da amplitude da indução magnética e parametrizados pela freqüência e pela temperatura. Traçar gráficos do laço de histerese da curva de magnetização inicial, parametrizados pela freqüência e pela temperatura. Traçar gráficos da permeabilidade normal em função da amplitude do campo magnético, parametrizados pela freqüência e pela temperatura. Determinar os parâmetros envolvidos na modelagem da separação da perda magnética em perdas por histerese, perdas clássicas, e perdas anômalas e na modelagem da permeabilidade, para uma dada forma de onda de indução magnética e temperatura. A configuração à esquerda será usada para caracterização, em alta freqüência (> 5kHz) e baixa amplitude de indução (< 1T), de materiais tais como ferrita, pó de ferro e pó de níquel-ferro, cujas amostras são toroidais. Neste caso, são utilizados dois enrolamentos sobre a amostra, sendo um deles para excitação e outro para medição da tensão secundária de circuito-aberto, utilizada para cálculo da indução magnética, B. O campo magnético, H, é calculado a partir da tensão medida nos terminais de um sensor de corrente. A configuração à direita será usada para caracterização, em baixa freqüência ( 1T), de materiais tais como aços ao silício e ligas amorfas, cujas amostras são toroidais ou laminares. Neste caso utiliza-se o denominado quadro de Epstein, para múltiplas amostras, ou o dispositivo de ensaio à chapa única. Em ambos os casos, existe um enrolamento de excitação e um enrolamento para a medição da tensão secundária de circuito-aberto, utilizada para cálculo da indução magnética, B. No caso do quadro de Epstein, o campo magnético, H, é calculado a partir da tensão medida nos terminais de um sensor de corrente. No caso do dispositivo de ensaio à chapa única, o campo magnético, H, é calculado a partir das tensões medidas nos terminais de dois outros enrolamentos. Estes enrolamentos são planares, delgados e colocados sobrepostos sobre a superfície da amostra a fim de obter a componente de campo tangencial à mesma. Conclusão O sistema de medição a ser implementado deverá beneficiar diretamente os fabricantes nacionais de materiais magnéticos tais como aços ao silício e ferritas moles. Através deste sistema, estes poderão controlar a qualidade de seus produtos e especificá- los de forma detalhada e precisa. Utilizando-se destas novas informações, fabricantes de equipamentos e aparelhos elétricos que empregam materiais magnéticos e também engenheiros e pesquisadores envolvidos em seu projeto poderão melhorar a qualidade de seus projetos e pesquisas. Dispositivo de ensaio à chapa única Quadro de Epstein Caracterização em baixa freqüência ( 1T) Fonte de Potência ca-cc GPIB LabVIEW Unidade de Aquisição de Dados OsciloscópioOsciloscópio AmostraAmostra BB HH ExcitaçãoExcitação TemperaturasTemperaturas TermoparesTermopares Câmara Térmica SST ou Epstein SST relatórios GPIB Unidade de Aquisição de Dados OsciloscópioOsciloscópio AmostraAmostra BB HH TemperaturasTemperaturas TermoparesTermopares Câmara Térmica Sensor de Corrente Amplificador de Potência Gerador de Sinais LabVIEW Caracterização em alta freqüência (> 5kHz) e baixa amplitude de indução (< 1T) relatórios A. J. Batista, J. C. S. Fagundes, P. Viarouge. An Automated Measurement System for Core Loss Characterization. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, v. 48, n. 2, p , J. Sievert. The Measurement of Magnetic Properties of Electrical Sheet Steel - Survey of Methods and Situation of Standards. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vs , p , E. Barbisio, F. Fiorillo, and C. Ragusa. Predicting Loss in Magnetic Steels Under Arbitrary Induction Waveform and With Minor Hysteresis Loops. IEEE Trans. On Magnetics, v. 40, n. 4, Sistema de Medição Referências