m - TEDE

TARCÍSIO OLIVEIRA DE MORAES JÚNIOR
SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA (ENERGY HARVESTING) POR
DISPERSÃO MAGNÉTICA EM LINHA DE POTÊNCIA
Dissertação apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia
Elétrica - PPGEE, da Universidade
Federal da Paraíba - UFPB, como
requisito parcial para a obtenção do
título de Mestre em Engenharia
Elétrica.
Orientadores: Prof. Dr. Cleonilson
Protásio de Souza e Prof. Dr.
Yuri Percy Molina Rodriguez
Coordenador:
Prof.
Dr.
Fabiano
Salvadori
JOÃO PESSOA
2013
TARCÍSIO OLIVEIRA DE MORAES JÚNIOR
SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA (ENERGY HARVESTING) POR
DISPERSÃO MAGNÉTICA EM LINHA DE POTÊNCIA
Dissertação apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia
Elétrica - PPGEE, da Universidade
Federal da Paraíba - UFPB, como
requisito parcial para a obtenção do
título de Mestre em Engenharia
Elétrica.
Orientador:
Prof.
Dr.
Cleonilson
Protásio de Souza e Prof. Dr.
Yuri Percy Molina Rodriguez
Coordenador:
Prof.
Dr.
Fabiano
Salvadori
JOÃO PESSOA
2013
FICHA CATALOGRÁFICA
Moraes Júnior, Tarcísio Oliveira
Sistema de Captação de Energia (Energy Harvesting) por
Dispersão Magnética em Linha de Potência – João Pessoa,
2013.
154 pgs.
Área de concentração: Sistemas de Energia.
Orientadores: Prof. Dr. Cleonilson Protásio de Souza e Prof.
Dr. Yuri Percy Molina Rodriguez.
Dissertação – Universidade Federal da Paraíba.
1. Recuperação de Energia; 2. Indução Magnética; 3. Núcleo
Magnético
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA – UFPB
CENTRO DE ENERGIAS ALTERNATIVAS E RENOVÁVEIS – CEAR
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA - PPGEE
A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertação
SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA (ENERGY HARVESTING) POR
DISPERSÃO MAGNÉTICA EM LINHA DE POTÊNCIA
Elaborada por
TARCÍSIO OLIVEIRA DE MORAES JÚNIOR
como requisito parcial para obtenção do grau de
Mestre em Engenharia Elétrica.
COMISSÃO EXAMINADORA
PROF. DR. CLEONILSON PROTÁSIO DE SOUZA (Presidente, ORIENTADOR)
PROF. DR. YURI PERCY MOLINA RODRIGUEZ (ORIENTADOR)
PROF. DR. HELDER ROLIM FLORENTINO
PROF. DR. ALEXANDRE CÉZAR DE CASTRO
João Pessoa/PB, 25 de fevereiro de 2013.
Aos meus pais, Tarcisio Oliveira de Moraes e Maria de Fátima Pereira Oliveira, aos
meus irmãos Tarciêudo Pereira Oliveira e Tarciclêudo Pereira de Oliveira, ao meu tio
Francisco Pereira da Silva e família, a minha esposa Jesana Sá Damasceno Moraes
e aos meus orientadores Cleonilson Protásio de Souza e Yuri Percy Molina
Rodriguez.
Dedico
AGRADECIMENTOS
A Deus em primeiro lugar, ao meu tio Francisco Pereira da Silva e família, a
minha esposa e a meu amigo Luiz Derço Santiago.
Aos professores Antônio Augusto Lisboa, Euler Macedo e, principalmente,
aos meus orientadores Cleonilson Protásio de Souza e Yuri Percy Molina Rodriguez,
pela enorme colaboração e empenho.
Aos meus amigos e colegas de pós-graduação e a todos os amigos
conquistados ao longo do curso.
À CAPES pela concessão da bolsa de mestrado.
“O homem não pode receber coisa alguma, se não lhe for dada do céu.”
“O temor do SENHOR é o princípio da sabedoria, e o conhecimento do Santo a
prudência."
Jo 3.27b; Pv 9.10
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS, TABELAS E GRÁFICOS ......................................................... 1
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIMBOLOS ........................................................... XVIII
RESUMO.................................................................................................................. XX
ABSTRACT............................................................................................................. XXI
1
INTRODUÇÃO .................................................................................................... 23
1.1
OBJETIVOS ..................................................................................................... 25
1.2
MOTIVAÇÃO .................................................................................................... 26
2
REVISÃO DE LITERATURA .............................................................................. 29
2.1
REDES DE SENSORES SEM FIO (RSSF)...................................................... 29
2.2
SISTEMA DE RECUPERAÇÃO DE ENERGIA (ENERGY HARVESTING) ..... 30
2.3
ESTADO-DA-ARTE .......................................................................................... 31
Captação de energia por dispersão magnética ............................................. 33
2.3.1
3
PROPOSTA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA POR DISPERSÃO MAGNÉTICA 36
3.1
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS MAGNÉTICOS ....................................... 36
3.2
DOMÍNIOS MAGNÉTICOS .............................................................................. 38
3.3
LAÇO B X H ..................................................................................................... 38
3.4
CIRCUITO PARA OBTENÇÃO DO LAÇO B X H ............................................. 43
3.5
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DO CAMPO MAGNÉTICO ............................. 47
3.6
NÚCLEOS TOROIDAIS UTILIZADOS NESTA PESQUISA ............................. 50
3.7
NÚCLEO DE PÓ DE FERRO DESENVOLVIDO NA UFPB ............................. 51
4
EXPERIMENTOS E EMULAÇÕES ..................................................................... 55
4.1
DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS MAGNÉTICOS – ETAPA 1 .............. 55
4.2
DETERMINAÇÃO DOS VALORES MÁXIMOS DE POTÊNCIA – ETAPA 2 .... 56
4.2.1
Primeira medição .......................................................................................... 60
4.2.2
Segunda medição ......................................................................................... 61
4.2.1
Terceira medição ........................................................................................... 62
COMPROVAÇÃO DOS CÁLCULOS TEÓRICOS ATRAVÉS DE MEDIÇÕES
DE TENSÃO NO CAPTADOR SEM CARGA – ETAPA 3 ................................ 63
4.3
5
RESULTADOS .................................................................................................... 65
5.1
PARÂMETROS MAGNÉTICOS – ETAPA 1..................................................... 65
5.1.1
5.1.1.1
Captadores de Ferrite ................................................................................... 65
Captador F1 ............................................................................................... 66
5.1.1.2
Captador F2 ............................................................................................... 68
5.1.1.3
Captador F3 ............................................................................................... 71
5.1.1.4
Captador F4 ............................................................................................... 74
Captadores Nanocristalinos ......................................................................... 77
5.1.2
5.1.2.1
Captador N2 ............................................................................................... 77
Captadores de Pó de Ferro ........................................................................... 80
5.1.3
5.1.3.1
Captador P3 ............................................................................................... 81
5.1.3.2
Captador P4.1 ............................................................................................ 84
5.1.3.3
Captador PE ............................................................................................... 87
5.2
VALORES MÁXIMOS DE POTÊNCIA – ETAPA 2 ........................................... 90
5.2.1
Primeira Medição .......................................................................................... 90
5.2.2
Segunda Medição ......................................................................................... 93
5.2.2.1
Captadores de ferrite.................................................................................. 93
5.2.2.2
Captadores nanocristalinos ........................................................................ 95
5.2.2.3
Captadores de pó de ferro ......................................................................... 97
Terceira medição ......................................................................................... 101
5.2.3
5.2.3.1
Captadores de ferrite................................................................................ 101
5.2.3.2
Captadores nanocristalinos ...................................................................... 103
5.2.3.3
Captadores de pó de ferro ....................................................................... 104
5.3
COMPROVAÇÃO DOS CÁLCULOS TEÓRICOS ATRAVÉS DE MEDIÇÕES
DE TENSÃO NO CAPTADOR SEM CARGA – ETAPA 3 .............................. 106
5.3.1
Captadores de Ferrite ................................................................................. 106
5.3.1.1
Captador F1.1 .......................................................................................... 106
5.3.1.2
Captador F1 ............................................................................................. 108
5.3.1.3
Captador F2 ............................................................................................. 110
5.3.1.4
Captador F3 ............................................................................................. 111
5.3.1.5
Captador F4 ............................................................................................. 113
5.3.2
Captadores Nanocristalinos ........................................................................ 116
5.3.2.1
Captador N1.1 .......................................................................................... 116
5.3.2.2
Captador N1 ............................................................................................. 118
5.3.2.3
Captador N2 ............................................................................................. 121
5.3.2.4
Captador N3 ............................................................................................. 123
5.3.2.5
Captador N3.1 .......................................................................................... 126
5.3.2.6
Captador N4 ............................................................................................. 128
5.3.2.7
5.3.3
Captador N4.1 .......................................................................................... 131
Captadores de Pó de Ferro ......................................................................... 134
5.3.3.1
Captador P3 ............................................................................................. 134
5.3.3.2
Captador P4.1 .......................................................................................... 136
5.3.3.3
Captador PE ............................................................................................. 138
6
CONCLUSÃO ................................................................................................... 142
REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 144
APÊNDICE 1 - CÓDIGO RESPONSAVEL POR O MODELAMENTO DOS
DADOS AQUISITADO EM OSCILOSCOPIO PARA A
DETERMINAÇÃO DAS CARACTARISTICAS MAGNÉTICAS
DOS CAPTADORES ..................................................................... 148
APÊNDICE 2 - CÓDIGO RESPONSÁVEL POR O MODELAMENTO DOS
DADOS QUE FORAM FEITOS A AQUISIÇÃO EM
OSCILOSCOPIO PARA A DETERMINAÇÃO DOS VALORES DE
POTÊNCIA NA CARGA DO CCD ................................................. 153
APÊNDICE 3 - CÓDIGO PARA OBTENÇÃO DO VALOR DE TENSÃO DE
SAÍDA AFERIDO NO TERMINAL SECUNDARIO DO
CAPTADOR SEM CARGA ............................................................ 157
LISTA DE FIGURAS, TABELAS E GRÁFICOS
FIGURA 1 – HARDWARE BÁSICO DE UM NÓ SENSOR....................................... 30
FIGURA 2 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO. FONTE: (BATISTELA, 2001) ............ 41
FIGURA 3 – LAÇO DE HISTERESE. FONTE: (BATISTELA, 2001). ....................... 42
FIGURA 4 – CIRCUITO PARA DETERMINAÇÃO DO LAÇO B X H. ADAPTADO
DE (BATISTA, 2010) ............................................................................ 43
FIGURA 5 – CAIXA DE CONTENDO O CIRCUITO PARA DETERMINAÇÃO DO
LAÇO B X H. ........................................................................................ 44
FIGURA 6 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO. FONTE: (BATISTELA, 2001) ............ 46
FIGURA 7 – CAMADAS DO TOROIDE ENVOLVENDO UMA LINHA DE
POTÊNCIA. (A) CORTE (B) PERSPECTIVA ....................................... 48
FIGURA 8 – NÚCLEOS EM TESTE. ........................................................................ 50
FIGURA 9 – DIMENSÕES DO NÚCLEO .................................................................. 52
FIGURA 10 – MATRIZ DE PRENSAGEM ................................................................ 53
FIGURA 11 – VISÃO DE TOPO DA PLANTA PILOTO ........................................... 58
FIGURA 12 – PLANTA PILOTO ............................................................................... 58
FIGURA 13 – COMPARTIMENTOS DA PLANTA PILOTO ..................................... 59
FIGURA 14 – CIRCUITO ELÉTRICO DA PLANTA PILOTO ................................... 59
FIGURA 15 – SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA ......................................... 60
FIGURA 16 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE POTÊNCIA COM O
USO DO REGULADOR DE TENSÃO .................................................. 61
FIGURA 17 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE POTÊNCIA SEM O
USO DO REGULADOR DE TENSÃO .................................................. 62
FIGURA 18 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE POTÊNCIA COM A
CARGA CONECTADA DIRETAMENTE AO CAPTADOR ................... 62
FIGURA 19 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE TENSÃO SEM
CARGA ................................................................................................. 63
TABELA 1 – CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS MAGNÉTICOS – ADAPTADO
DE (SHADIKU, 2004) ........................................................................... 38
TABELA 2 – CONDIÇÕES PARA A UTILIZAÇÃO DOS RESITORES DE
MEDIÇÃO. ............................................................................................ 44
TABELA 3 – DADOS DOS CAPTADORES EM TESTE .......................................... 51
TABELA 4 – PARÂMETROS DOS CAPTADORES PARA A DETERMNAÇÃO
DO LAÇO B X H ................................................................................... 56
TABELA 5 – NÚMERO DE BOBINAS DO SECUNDÁRIO DOS CAPTADORES
PARA A CAPTAÇÃO DE ENERGIA .................................................... 57
TABELA 6 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR F1 ......................... 68
TABELA 7 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR F2 ......................... 71
TABELA 8 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR F3 ......................... 73
TABELA 9 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR F4 ......................... 76
TABELA 10 – RESUMO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA OS
CAPTADORES DE FERRITE ............................................................... 77
TABELA 11 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR N2 ...................... 80
TABELA 12 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR P3 ...................... 83
TABELA 13 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR P4.1 ................... 86
TABELA 14 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR PE ...................... 89
TABELA 15 – RESUMO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA OS
CAPTADORES DE PÓ DE FERRO ..................................................... 90
TABELA 16 – TESTES E MEDIÇÕES EXPERIMENTAIS ....................................... 91
TABELA 17 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE
FERRITE ............................................................................................... 95
TABELA 18 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES
NANOCRISTALINOS ........................................................................... 97
TABELA 19 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE PÓ
DE FERRO ........................................................................................... 99
TABELA 20 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE
FERRITE ............................................................................................. 103
TABELA 21 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE LIGA
NANOCRISTALINOS ......................................................................... 104
TABELA 22 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE PÓ
DE FERRO ......................................................................................... 105
TABELA 23 – RESULTADOS DO CAPTADOR F1.1 ............................................ 108
TABELA 24 – RESULTADOS DO CAPTADOR F1 ............................................... 110
TABELA 25 – RESULTADOS DO CAPTADOR F2 ............................................... 111
TABELA 26 – RESULTADOS DO CAPTADOR F3 ............................................... 113
TABELA 27 – RESULTADOS DO CAPTADOR F4 ............................................... 115
TABELA 28 – RESULTADOS DOS CAPTADORES DE FERRITE ....................... 116
TABELA 29 – RESULTADOS DO CAPTADOR N1.1 ............................................ 118
TABELA 30 – RESULTADOS DO CAPTADOR N1 ............................................... 121
TABELA 31 – RESULTADOS DO CAPTADOR N2 ............................................... 123
TABELA 32 – RESULTADOS DO CAPTADOR N3 ............................................... 126
TABELA 33 – RESULTADOS DO CAPTADOR N3.1 ............................................ 128
TABELA 34 – RESULTADOS DO CAPTADOR N4 ............................................... 131
TABELA 35 – RESULTADOS DO CAPTADOR N4.1 ............................................ 133
TABELA 36 – RESULTADOS DOS CAPTADORES NANOCRISTALINOS .......... 134
TABELA 37 – RESULTADOS DO CAPTADOR P3 ............................................... 135
TABELA 38 – RESULTADOS DO CAPTADOR P4.1 ............................................ 138
TABELA 39 – RESULTADOS DO CAPTADOR PE ............................................... 139
TABELA 40 – RESULTADOS DOS CAPTADORES DE PÓ DE FERRO .............. 140
GRÁFICO 1 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO
PRIMÁRIO DO F1 ................................................................................. 66
GRÁFICO 2 – LAÇO B X H DO CAPTADOR F1 ..................................................... 67
GRÁFICO 3 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR F1 ......................... 67
GRÁFICO 4 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO
PRIMÁRIO DO F2 ................................................................................. 69
GRÁFICO 5 – LAÇO B X H DO CAPTADOR F2 ..................................................... 70
GRÁFICO 6 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR F2 ......................... 70
GRÁFICO 7 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO
PRIMÁRIO DO F3 ................................................................................. 71
GRÁFICO 8 – LAÇO B X H DO CAPTADOR F3 ..................................................... 72
GRÁFICO 9 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR F3 ......................... 73
GRÁFICO 10 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO
PRIMÁRIO DO F4 ................................................................................. 74
GRÁFICO 11 – LAÇO B X H DO CAPTADOR F4 ................................................... 75
GRÁFICO 12 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR F4 ....................... 76
GRÁFICO 13 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO
PRIMÁRIO DO N2 ................................................................................ 78
GRÁFICO 14 – LAÇO B X H DO CAPTADOR N2 ................................................... 79
GRÁFICO 15 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR N2 ....................... 79
GRÁFICO 16 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO
PRIMÁRIO DO P3 ................................................................................ 81
GRÁFICO 17 – LAÇO B X H DO CAPTADOR P3 ................................................... 82
GRÁFICO 18 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR P3 ....................... 83
GRÁFICO 19 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO
PRIMÁRIO DO P4 ................................................................................ 84
GRÁFICO 20 – LAÇO B X H DO CAPTADOR P4.1 ................................................ 85
GRÁFICO 21 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR P4.1 .................... 86
GRÁFICO 22 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO
PRIMÁRIO DO PE ................................................................................ 87
GRÁFICO 23 – LAÇO B X H DO CAPTADOR PE ................................................... 88
GRÁFICO 24 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR PE ....................... 89
GRÁFICO 25 – TENSÃO NA CARGA E NO RETIFICADOR PARA R=97Ω ........... 92
GRÁFICO 26 – POTÊNCIA E CORRENTE ATIVA PARA R=97Ω ........................... 92
GRÁFICO 27 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE – POTÊNCIA NA
CARGA ................................................................................................. 93
GRÁFICO 28 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE – TENSÃO RMS
NA SAÍDA DO SECUNDÁRIO ............................................................. 94
GRÁFICO 29 – CAPTADORES COM NÚCLEO NANOCRISTALINO –
POTÊNCIA NA CARGA ....................................................................... 95
GRÁFICO 30 – CAPTADORES COM NÚCLEO NANOCRISTALINO – TENSÃO
RMS NA SAÍDA DO SECUNDÁRIO .................................................... 96
GRÁFICO 31 – CAPTADOR COM NÚCLEO DE PÓ DE FERRO – POTÊNCIA
NA CARGA ........................................................................................... 98
GRÁFICO 32 – CAPTADOR COM NÚCLEO DE PÓ DE FERRO – TENSÃO RMS
NA SAÍDA DO SECUNDÁRIO ............................................................. 99
GRÁFICO 33 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE, LIGA
NANOCRISTALINA E PÓ DE FERRO – POTÊNCIA NA CARGA .... 100
GRÁFICO 34 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE, LIGA
NANOCRISTALINA E PÓ DE FERRO – TENSÃO RMS NA SAÍDA
DO SECUNDÁRIO .............................................................................. 100
GRÁFICO 35 – CAPTADOR COM NÚCLEO DE FERRITE – POTÊNCIA NA
CARGA ............................................................................................... 102
GRÁFICO 36 – CAPTADOR COM NÚCLEO NANOCRISTALINO – POTÊNCIA
NA CARGA ......................................................................................... 103
GRÁFICO 37 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE PÓ DE FERRO – POTÊNCIA
NA CARGA ......................................................................................... 105
GRÁFICO 38 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE, LIGA
NANOCRISTALINA E PÓ DE FERRO – POTÊNCIA NA CARGA .... 106
GRÁFICO 39 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1.1 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 107
GRÁFICO 40 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1.1 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 107
GRÁFICO 41 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 108
GRÁFICO 42 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 109
GRÁFICO 43 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F2 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 110
GRÁFICO 44 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F2 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 111
GRÁFICO 45 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F3 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 112
GRÁFICO 46 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F3 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 112
GRÁFICO 47 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F4 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 113
GRÁFICO 48 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F4 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 114
GRÁFICO 49 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F4 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 115
GRÁFICO 50 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N1.1 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 116
GRÁFICO 51 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N1.1 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 117
GRÁFICO 52 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N1.1 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 118
GRÁFICO 53 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N1 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 119
GRÁFICO 54 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N1 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 119
GRÁFICO 55 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N1.1 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 120
GRÁFICO 56 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N2 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 121
GRÁFICO 57 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N2 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 122
GRÁFICO 58 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N2 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 123
GRÁFICO 59 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N3 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 124
GRÁFICO 60 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N3 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 125
GRÁFICO 61 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N3 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 125
GRÁFICO 62 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N3.1 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 127
GRÁFICO 63 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N3.1 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 127
GRÁFICO 64 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N3.1 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 128
GRÁFICO 65 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N4 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 129
GRÁFICO 66 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N4 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 129
GRÁFICO 67 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N4 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 130
GRÁFICO 68 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N4.1 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 131
GRÁFICO 69 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N4.1 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 132
GRÁFICO 70 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N4.1 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 133
GRÁFICO 71 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P3 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 134
GRÁFICO 72 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P3 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 135
GRÁFICO 73 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P4.1 – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 136
GRÁFICO 74 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P4.1 – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 137
GRÁFICO 75 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR PE – RESULTADO
EXPERIMENTAL ................................................................................ 138
GRÁFICO 76 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR PE – RESULTADO
TEÓRICO ............................................................................................ 139
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIMBOLOS
RSSF
Rede de Sensores Sem Fio
Ni-MH
Nickel Metal Hydride
CCD
Circuito Condicionador de Potência
Rm
Resistor de medição
[Ω]
Rv
Resistor de carga do CCD
[Ω]
N1
Numero de espiras do primário
[adimensional]
N2
Número de espiras do secundário
[adimensional]
r
Raio do captador
[mm]
rL
Raio de cada lâmina do captador
[mm]
rp
Raio de cada entreferro do captador
[mm]
Ip
Corrente do primário
[A]
VT
Tensão no resistor de medição
[V]
V0
Tensão na saída do integrador
[V]
A
Área de seção transversal do captador
w
Altura do captador
[mm]
h
Largura do captador
[mm]

Frequência angular
[rad/s]
f
Frequência
S
Largura do entreferro do captador
[mm]
M
Magnetização do material
[A/m]
B
Densidade do campo magnético
[T]
Br
Densidade de fluxo residual
[T]
H
Intensidade do fluxo magnético
[A/m]
Hc
Força coerciva ou coercitiva
[A/m]
0
Permeabilidade magnética do vácuo
[H/m]
r
Permeabilidade magnética relativa
m
Permeabilidade magnética do material
Xm
Susceptibilidade magnética do material
[mm²]
[Hz]
[adimensional]
[H/m]
[adimensional]

Fluxo magnético
[Wb]
T
Fluxo magnético total
[Wb]
LT
Fluxo magnético total das lâminas
[Wb]
PT
Fluxo magnético total do material isolante
[Wb]
Resumo
SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA (ENERGY
DISPERSÃO MAGNÉTICA EM LINHA DE POTÊNCIA
HARVESTING)
POR
Neste trabalho é apresentado um sistema de captação de energia por dispersão
magnética produzida pela corrente elétrica em uma linha de potência de uma rede
de distribuição de energia, para alimentação de dispositivos de uma rede de
sensores sem fio. Esse sistema é baseado em núcleos toroidais testados e
validados com diferentes materiais e dimensões (cinco de ferrite, sete nanocristalino
e três de pó de ferro) objetivando a obtenção do captador com maior de potência.
Partindo do princípio magnético dos materiais ferromagnéticos, é analisada a teoria
do campo magnético dos dispositivos de captação de energia do sistema. Foi
desenvolvido um protótipo do sistema que consiste de uma planta piloto capaz de
emular as altas correntes da linha de potência e de um circuito condicionador de
potência para o tratamento da energia captada. Os testes foram divididos em três
etapas. O primeiro restringe-se a determinação dos parâmetros magnéticos (como
permeabilidade relativa e curva de magnetização) de cada captador através do uso
de um circuito de medição de permeabilidade para a determinação do laço B x H. O
segundo, ao circuito de condicionamento de potência, composto de um retificador
AC/DC e de um regulador de tensão para a obtenção do maior valor de potência no
ensaio dos captadores. O terceiro, a comparação dos resultados experimentais com
os resultados teóricos. Os resultados experimentais obtidos, que foram condizentes
com os teóricos, comprovam que o sistema captador de energia é capaz de fornecer
níveis de potência na escala de até a 315,6 mW para captadores de ferrite, 54mW
para captadores nanocristalinos e 0,77mW para captadores de pó de ferro, através
da captação por dispersão magnética produzida por uma corrente de 15A na linha
de potência, a qual pode ser aplicado para dispositivos diversos de baixo consumo,
principalmente, em rede de sensores sem fio para a aquisição de dados e os
parâmetros de controle da própria linha de potência
Descritores: Recuperação de Energia, Dispersão Magnética, Núcleo magnético.
Abstract
ENERGY HARVESTING SYSTEM FROM MAGNETIC DISPERSION AROUND
POWER LINE
In this work it is presented an energy harvesting system based on disperse magnetic
energy produced by electric current across power line of a power distribution network
in order to supply energy for devices in a wireless sensor network. The system is
based on toroidal cores tested and validated with different materials and dimensions
(five based on ferrite, seven based on nanocrystalline, three based on iron powder)
aiming harvesting optimal power device. From principles of magnetic ferromagnetic
materials, it is discussed the magnetic field theory to obtain energy for supplying
power to devices. It was implemented a prototype consisting of a test bench capable
of emulating power-line high currents and of a power conditioning circuit. Test
procedures were executed in three parts. The first was to determine the magnetic
parameters (e.g. relative permeability and magnetic curve) of each harvester using a
circuit able to measure core permeability in order to obtain B x H cycle. The second
was to test a proposed power conditioning circuit composed of an AC/DC rectifier
and a voltage regulator. The third, the experimental results were compared with
theoretical ones. The obtained experimental results have been in agreement with
theory, showing that the energy harvesting system is capable of supplying up to
315.6 mW from ferrite based core, 54mW from nanocrystalline based cores and
0.77mW from iron powder based ones, by capturing magnetic dispersion produced
by a 15A current in the power line, which can be applied to various low power
devices, mainly in wireless sensor network for data acquisition and control
parameters of the power line itself
Keywords: Energy harvesting, Magnetic Dispersion, Magnetic Core.
1
INTRODUÇÃO
Introdução 23
1
INTRODUÇÃO
Atualmente, constata-se um elevado desenvolvimento de dispositivos
eletrônicos de baixa potência e das tecnologias de comunicação sem fio, que
proporcionam, por exemplo, o crescimento do uso de redes de comunicação sem fio.
É o caso da computação móvel, que obtém acesso contínuo às informações através
dessas redes.
Particularmente, objetivando-se coletar dados nas mais diversas áreas
surgem então as Redes de Sensores sem Fio (RSSF), as quais podem ser aplicadas
nas áreas industrial, ambiental, militar, biomédica, entre outras, para monitoração e
controle de determinados eventos ou fenômenos para o processamento e
disseminação de informações (SILVA et al., 2008) . Compostas por nós sensores,
nós roteadores e, em alguns casos, atuadores, as RSSF, segundo Pereira; Amorim
e Castro (2007) são um conjunto de nós individuais (nós sensores) que operam
autonomamente, mas que formar uma rede com o objetivo de juntar as informações
individuais dos sensores para monitorar determinados eventos. Há uma observância
especial no que concerne aos meios de alimentação desses nós sensores, os quais
tendem a ser miniaturizados, trazendo-se assim limitações de recursos na sua
capacidade de suprimento de energia. Em geral, os nós de uma RSSF são
alimentados por baterias, isso implica em manutenção periódica para a troca destas,
o que, dependendo da localização do nó sensor, pode tornar inviável ou dificultar
sua manutenção.
Para tanto vem sendo estudado e desenvolvido nos últimos anos sistemas
de alimentação sem baterias (battery-less system) para dispositivos de baixo
consumo, o qual converte energia do ambiente (térmica, solar, mecânica, etc.)
através do uso de materiais piezelétricos, painéis fotovoltaicos, indução magnética
entre outros meios em pequenas densidades de energia elétrica para armazenagem
e uso em dispositivos de baixo consumo, ou seja, se refere ao processo pelo qual a
energia no ambiente é convertida em eletricidade para abastecer pequenos
dispositivos tornando-os autossuficientes (LÓPEZ, 2011). Denomina-se essa
abordagem como Energy Harvesting.
Uma das principais aplicações de Energy Harvesting é no suprimento de
energia para nós sensores objetivando-se torná-los energeticamente autônomos.
Introdução 24
Especificamente considerando recuperação de energia através de indução
magnética, tem-se que um dispositivo capta o campo magnético gerado por uma
corrente elétrica alternada em um condutor, transformando-o em energia elétrica
para alimentação dos nós sensores. Esses dispositivos de captação de energia por
indução magnética são formados por núcleos magnéticos de alta permeabilidade
magnética e, em geral, no formato toroidal e um ou vários enrolamentos condutores.
Vários tipos de materiais podem ser usados nesses núcleos, por exemplo,
ferrite, ligas nanocristalina, algumas ligas compostas, pó de ferro, entre outros,
possuindo características magnéticas diferentes, como, por exemplo, perdas
magnéticas, permeabilidade e coercividade. Dessa forma, dependendo do material,
é possível obter valores de, por exemplo, permeabilidade magnética que influenciam
diretamente na capacidade de captação de fluxo magnético.
Após a captação de energia existem, na literatura atual, circuitos
condicionadores de potência (BANTHING; MCBEE, 2010) a fim de realizar o devido
tratamento da energia capturada. Esses circuitos geralmente são retificadores, filtros
e/ou reguladores que devem, por sua vez, ser de baixo consumo.
Com base nesses contextos, esta dissertação fundamenta-se em um estudo
para captação de energia por dispersão magnética1 tendo como objetivo principal o
desenvolvimento de um sistema circuito captador de energia para alimentação de
nós sensores de uma rede de sensores sem fio com base em teste com captadores
de energia com características magnéticas diferentes. Além disso, foi desenvolvida
uma plataforma experimental para testes (emulando uma linha de potência) e um
circuito de medição de permeabilidade magnética para os diferentes captadores
utilizados. Para tanto, essa dissertação está dividida da seguinte forma: na Seção 1,
estão descritos os objetivos e a motivação da dissertação; na Seção 2, um breve
comentário sobre redes de sensores sem fio e o levantamento do estado-da-arte
1
Foi utilizada a expressão dispersão magnética, pois considerou-se que o campo
magnético envolto em linhas elétricas de energia é disperso no sentido que este é desperdiçado no
ambiente em sua volta.
Introdução 25
sobre os métodos de captação de energia; na Seção 3, a proposta de captação de
energia por dispersão magnética; na Seção 4, experimentos e emulações; na seção
5, resultados; na Seção 6, as conclusões e trabalhos futuros.
1.1
OBJETIVOS
Os objetivos gerais deste trabalho são os seguintes:
1. Apresentar um estudo sobre captação de energia de campo magnético
disperso considerando os seguintes materiais: pó de ferro, ferrite e
nanocristalino.
2. Apresentar um circuito de captação de energia através de campo magnético
disperso para alimentação de nós sensores de uma rede sem fio e mostrar os
testes e validação que comprovam a eficiência do circuito proposto
considerando os diversos materiais magnéticos utilizados.
Os objetivos específicos deste trabalho são:
1. Apresentar um estudo aplicado sobre indução magnética e uma análise
teórica do fluxo magnético captado pelos núcleos em testes.
2. Descrever a plataforma experimental de emulação de uma linha de potência
proposta.
3. Apresentar as características magnéticas dos núcleos considerados.
4. Apresentar
o
aparato
instrumental
para
medição
das
propriedades
magnéticas dos materiais magnéticos utilizado.
5. Descrever o circuito básico de condicionamento de potência utilizado no
sistema de recuperação de energia.
6. Descrever os ensaios comparativos realizados com toroides com núcleos
magnéticos convencionais de ferrite, pó de ferro e nanocristalino, visando
levantar a influência do material no processo de captação para otimizar o
sistema proposto.
Introdução 26
1.2
MOTIVAÇÃO
Nos dias atuais a necessidade de comunicação é bastante considerável. Há
uma grande facilidade de troca de informações de pontos extremamente distantes,
como por exemplo, através do uso da telefonia móvel. Sistemas de comunicação e
monitoramento das mais diversas e longínquas localidades interpõem suas
informações em questões de frações de segundos.
Em se tratando de monitoramento, vem sendo desenvolvido, estudado e aos
poucos implantado, nos dias atuais, dispositivos conhecidos como nós sensores.
Esses
dispositivos,
dependendo
da
aplicação,
possuem
vários
outros
microdispositivos (sensores) que captam informações do meio onde se encontram
para serem processadas e eventualmente ser feito aquisição para um determinado
fim. Semelhante a uma rede de computadores, esses dispositivos podem se
comunicar a fim de trocarem informações sem a utilização de cabos. Esta última
característica possibilita a rede uma facilidade de monitoramento de algum
parâmetro físico, contudo limita o tempo de vida de cada dispositivo componente da
rede, por esse depender de baterias onde estas não estão conectadas a uma fonte
de energia para o seu carregamento. Essa limitação se retrata relativamente a sua
capacidade de alimentação no tocante as fontes de fornecimento de energia elétrica,
em geral, baterias. Com a miniaturização desses nós sensores, em geral as fontes
de energia reduzem seu tamanho físico, consequentemente, sua capacidade de
armazenamento de energia. Embora com esta característica de miniaturização
consecutivamente um baixo consumo dos nós sensores, as “baterias” continuam
sendo limitadas decorrente a necessidade de realimentação por se tratarem de fonte
de energia finita.
As RSSFs são utilizadas em várias áreas principalmente em regiões de difícil
acesso (SILVA et al., 2008). Nessas regiões, o acesso aos nós sensores fica muito
difícil principalmente no que diz respeito a manutenção destes. Isso implica na troca
de baterias para o estado funcional do nó sensor, sendo que a manutenção do nó
não é restrita somente a essa troca. Disso conclui-se: é necessário o estudo de
métodos de realimentação dessas fontes sem a qual não necessite da intervenção
do homem na troca desta no seu estado regular de funcionamento ou sistemas com
fontes de energia “ilimitada”. Para tanto, pode-se ter como fonte de energia
Introdução 27
alternativa o campo magnético gerado por correntes em linhas de potência para a
conversão em energia elétrica. Ao ponto de vista técnico empresarial das
concessionárias de energia, o campo magnético gerado nas linhas de potência é
considerado
perdas
técnicas,
por
se
tratar
de
uma
fonte
de
energia
espontaneamente gerada, porém sem aproveitamento. Neste contexto, pode-se
desenvolver sistemas captadores de energia por dispersão magnética para
alimentação de dispositivos de baixo consumo que formam redes de sensores sem
fio (TOMA; DEL RIO; LÁZARO, 2012).
2
REVISÃO DE LITERATURA
Revisão de Literatura 29
2
2.1
REVISÃO DE LITERATURA
REDES DE SENSORES SEM FIO (RSSF)
Em muitas aplicações de controle, monitoramento e disseminação de
informações de um evento ou fenômeno, utilizam-se Redes de Sensores sem Fio
(SILVA et al., 2008), que empregam sistemas autônomos formados por dispositivos
microprocessados, com a capacidade de se comunicarem através de sinais de
radiofrequência e que possuem sensores capazes de traduzir em formato digital as
condições do ambiente físico em que se encontram (TORRI, 2008). Essas redes
podem ser consideradas como um tipo de rede adhoc (LOUREIRO, et al.), pois, em
geral, são projetadas para um determinado fim.
Essas redes são compostas de vários dispositivos, os quais são chamados
de nós sensores capazes de se comunicarem transmitindo e captando informações
do meio em que se encontram. Os principais componentes de um nó sensor são:
unidade de comunicação sem fio (transceptor), unidade de energia (bateria +
sistema de gestão de energia), unidade de sensoriamento (sensores ou detectores +
circuitos de condicionamento) e unidade de processamento, como ilustrado na
Figura 1. O componente lógico de um nó sensor é o firmware/software que é
executado na unidade de processamento. Os nós sensores tendem a serem
projetados com pequenas dimensões e esta limitação de tamanho acaba impondo
limitações nos recursos dos nós, tais como capacidade da fonte de energia,
processador e transceptor (SILVA et al., 2008).
Redes de sensores sem fio estão recebendo cada vez mais interesse porque
oferecem flexibilidade e facilidade de implantação decorrente da não utilização de
cabos. Além disso, existe o potencial para a incorporação de sensores em locais
inacessíveis. Atualmente, a maioria dos nós sensores sem fio é simplesmente
alimentado à bateria.
Apesar das medidas, tais como técnicas de baixa potência para
comunicação e uma gestão inteligente do consumo de energia do nó sensor,
obtendo um prolongamento na vida das baterias, estas ainda terão de serem
substituídas ou recarregadas externamente. Substituição de baterias não é
Revisão de Literatura 30
plenamente compatível com aplicações embarcadas nem é viável para redes com
grande número de nós (BEEBY et al., 2007).
No entanto, estudos de métodos alternativos para captação de energia que
sejam capazes de tornar dispositivos eletrônicos e microeletrônicos autônomos
estão sendo bastante explorados. Esses métodos alternativos buscam o
aproveitamento de energias existentes no meio físico, para conversão em energia
elétrica e posterior utilização nestes dispositivos.
FIGURA 1 – HARDWARE BÁSICO DE UM NÓ SENSOR.
2.2
SISTEMA DE RECUPERAÇÃO DE ENERGIA (ENERGY HARVESTING)
Desde tempos remotos, a ideia de captação ou recuperação de energia do
meio ambiente é utilizada, tais como, por exemplo, energia eólica, solar, energia
hídrica, entre outras. Com a aceleração no desenvolvimento da tecnologia VLSI, a
grande miniaturização dos sistemas eletrônicos é cada vez mais possível. Com isso,
o
consumo
de
energia
desses
sistemas
também
vem
sendo
reduzido,
proporcionando assim meios alternativos de alimentação para funcionamento
energeticamente autônomo. Neste intento, novas fontes de energia alternativas e
métodos de captação estão sendo estudados.
A partir do ambiente em que estão inseridos, esses métodos são capazes de
captar energia em diferentes fontes (por exemplo, onda de luz, vibração, calor e
Revisão de Literatura 31
eletromagnético, etc.). Esses métodos são então integrados em dispositivos, a fim
de torná-los independentes ou autônomos (FLORENTINO et al., 2012).
Nos últimos anos é crescente a aplicação de meios de captação de energia
que possam ser utilizados para a autoalimentação em dispositivos de baixo consumo
para a aquisição e processamento de informações. Conseguinte, vem sendo
bastante desenvolvido o estudo e a aplicação de pesquisas em Energy Harvesting
(como por exemplo, alimentação de microdispositivos para monitoramento de
animais, sistemas de medição, sistemas de iluminação de ambientes prediais
através de células fotovoltaicas, alimentação de dispositivos de baixo consumo para
monitoramento do bem estar físico humano), o qual se refere ao processo pelo qual
a energia do ambiente é convertida em energia elétrica para abastecer pequenos
dispositivos tornando-os autossuficientes (LÓPEZ, 2011). Logo, sistemas de baixo
consumo que contêm tais aplicações possuem dispositivos que podem capturar
energia para a sua autonomia e desempenho de suas funções. A sua aplicabilidade
é imediata em dispositivos eletrônicos inteligentes de baixo consumo e, em
específico, em nós sensores de uma RSSF.
Os sistemas de recuperação de energia podem aumentar o tempo de vida e
capacidade da rede e atenuar o impacto causado pelo descarte de baterias ao
ambiente. Neste contexto, a energia solar é a mais conhecida (BEEBY et al., 2007).
Essa possui o potencial de reduzir e até mesmo substituir baterias para pequenos
dispositivos eletrônicos de baixa potência, proporcionando um maior tempo de vida e
maior confiabilidade, evitando assim interrupções causada por falta de energia. Isso
é particularmente importante para sistemas em que dispositivos eletrônicos
encontram-se em locais remotos, de difícil acesso, com certos riscos ou em casos
onde as redes de sensores necessitam manter a mínima manutenção para troca das
baterias (MINERO-RE et al., 2012).
2.3
ESTADO-DA-ARTE
Baseando-se em um levantamento realizado em várias publicações científicas como
em Taithongchal; Leelarasmee (2009), Tashiro et al., (2011), Hayat; Wang (2011)
Toma; Del Rio; Lázaro (2012), Zhao et al., (2012), os captadores de energia
Revisão de Literatura 32
desenvolvidos são capazes de captar a energia do ambiente na ordem de micro a
miliwatts, que pode ser suficiente para alguns sensores e sistemas microeletrônicos
de baixo consumo ou que podem ser executados em condições de baixa potência.
As fontes para captação de energia mais comuns são luz (energia solar), movimento
(como vibrações estruturais), calor (a partir de gradientes de temperatura), ou
eletromagnético (campos magnéticos) (MINERO-RE et al., 2012).
Os sistemas de captação de energia por vibração estão recebendo uma
quantidade considerável de interesse como um meio alternativo para alimentar nós
sensores sem fio. Exemplo disto é visto em Beeby et al. (2007), o qual um pequeno
gerador eletromagnético com volume de 0,1 cm³, utilizando componentes discretos e
otimizados para um ambiente com baixo nível de vibração, é capaz de produzir
energia útil a partir de um nível de aceleração de 0,59 m/s², proporcionando 46 µW a
uma carga resistiva de 4 kΩ quando o dispositivo é agitado a sua frequência de
ressonância de 52 Hz. Outra aplicação semelhante pode ser vista em Zhu;
Worthington; Tiwari (2010) que trata de um estudo sobre a variação dos parâmetros
geométricos (comprimento, largura e espessura) de uma viga com referência na
potência de saída de um sistema de captação baseado em piezeletricidade em que
converte a vibração em energia elétrica ligado ao uma carga resistiva.
A captação de energia solar é amplamente utilizada, devido à queda
continua de preço e os melhoramentos técnicos da fabricação de células solares.
Para a substituição de baterias de nós sensores instalados em um edifício, Naveen;
Manjunath (2011) propõem um sistema de captação de energia através de células
de energia solar arranjadas em série e paralelo juntamente com supercapacitores
ligados a baterias alcalinas para armazenamento. Esse sistema tem como
desvantagem o fato de ter sua fonte de energia disponível apenas em uma parte do
dia, necessitando assim de baterias para o fornecimento de energia no período
noturno. Esse problema não é encontrado, por exemplo, em sistemas de captação
de energia por indução magnética em que sua fonte é disponível todo tempo, exceto
na ocorrência de quedas de energia.
Algumas aplicações de captação de energia térmica são possíveis através
de geradores termoelétricos que pode ser visto em Mousoulis et al., (2012).
Revisão de Literatura 33
2.3.1
Captação de energia por dispersão magnética
Embora métodos de captação de energia por dispersão magnética não
sejam tão explorados como os métodos de captação de energia por vibrações
mecânicas, há um crescente interesse neste estudo no que concerne a uma
alternativa viável na alimentação de nós sensores. É proposto em Taithongchal;
Leelarasmee (2009) um sistema de captação de energia controlado por um
microcontrolador em uma linha de transmissão de alta tensão com corrente entre 65
A e 130A. O sistema é composto de um gerador de energia magnético, um circuito
multiplicador padrão de tensão, conversor boost DC-DC e um microcontrolador
objetivando alimentar dispositivo de aplicações de baixa energia. O sistema de
aplicação é capaz de operar com tensão senoidal mínima induzida tão baixo como 1
V e pode gerar 58mW a 65 A de corrente de linha para carregar uma bateria 2,4 V
Ni-MH. Em outra aplicação, Toma; Del Rio; Lázaro (2012) descreve nós sensores
autônomos que foram desenvolvidos para monitorar cabos de energia de alta tensão
em uma linha subterrânea, tendo um circuito integrado que capta o campo
magnético desses cabos para conversão em energia elétrica para a sua própria
alimentação. Esses nós são anexados aos próprios cabos contendo um sensor de
temperatura que informa os parâmetros de variação de temperatura a uma estação
base.
Em Ahola et al., (2008) foi descrito uma forma de captação de energia do
condutor fase de um motor utilizando um transformador de corrente. O transformador
é do tipo U e está instalado em torno do condutor a partir dos terminais do motor.
Em Zhao et al., (2012) foi proposto um sistema de captação de energia do
campo eletrostático criado através da linha de energia. Um protótipo do módulo de
potência foi testado em laboratório. Um experimento de campo mostra que o sistema
pode captar energia suficiente para alimentar um dispositivo sensor de 16 mW.
Em Tashiro et al., (2011) foi estudado um captador de energia através de
indução magnética de uma linha de potência, utilizando um modelo simples de
circuito para validar os resultados teóricos. Como resultado, o nível de potência
atingido foi de 1mW para o núcleo de ar e 6,32mW para o núcleo de ferro a partir de
um campo magnético de 21,2 uT a 60 Hz.
Revisão de Literatura 34
Recentemente, em Guo; Hayat; Wang (2011) foi estudado um tubo de
captação de energia para linha de transmissão AC considerando restrições do
circuito de condicionamento de energia para a tensão constante. Como resultado, a
eficiência do circuito tem influência sobre o seu nível de tensão de saída. Para
potência de saída constante, o nível de tensão do circuito de condicionamento de
energia diminui enquanto que a tensão de linha de transmissão aumenta.
Revisão de Literatura 35
3
REVISÃO DE LITERATURA
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 36
3
PROPOSTA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA POR DISPERSÃO MAGNÉTICA
Com o crescente avanço de dispositivos de comunicação sem fio, surgiu a
necessidade de estudos e aplicações de métodos para tornar estes dispositivos
autônomos. Neste âmbito, o uso de fontes de alimentação, tais como baterias e
supercapacitores, tem a desvantagem de ter limitada capacidade temporal de
fornecimento
de
energia
elétrica.
Para que
esses
dispositivos tornem-se
energeticamente autossuficientes, já há na literatura científica atual, dispositivos de
captação ou recuperação da energia do ambiente para conversão em energia
elétrica como mencionados na Seção 2.
O foco deste trabalho será o uso de materiais ferromagnéticos para a
captação de energia por dispersão magnética. Este método utiliza captadores de
energia, como toroides, para captação do campo magnético em um condutor para
conversão em energia elétrica (GUO; HAYAT; WANG, 2011). Nesta aplicação são
utilizados materiais com propriedades magnéticas relevantes, tais como, alta
permeabilidade magnética relativa, susceptibilidade magnética positiva, baixa força
coerciva ou coercitiva, entre outros. Para encontrar essas características, faz-se
necessário determinar a densidade de campo magnético e intensidade do fluxo
magnético através do ensaio desses captadores.
Neste aspecto, será descrito algumas características dos captadores de
energia, bem como a fundamentação teórica destes utilizando núcleos de ferrite,
nanocristalino e pó de ferro com permeabilidade magnética diferente.
3.1
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS MAGNÉTICOS
Os
materiais
ferromagnéticos,
magnéticos
paramagnéticos,
são
classificados
diamagnéticos,
em
cinco
grupos:
ferrimagnéticos
e
antiferromagnéticos (BATISTA, 2010).
Nos materiais paramagnéticos quando submetidos a um campo magnético,
os domínios magnéticos ficam fracamente orientados no mesmo sentido do campo
aplicado, apresentando uma pequena força de repulsão ao material fonte do campo
magnético aplicado. Com a ausência deste campo, perdem a sua característica de
magnetização.
Esses
materiais
possuem
susceptibilidade
Xm
positiva
e
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 37
permeabilidade relativa
 r pouco maior que 1. Como exemplo, tem-se o alumínio,
sódio, platina e o cromo.
Os diamagnéticos quando submetidos a campo magnético, os domínios
magnéticos sofrem pouca influência e ficam alinhados no sentido oposto ao campo
aplicado. Possuem susceptibilidade magnética negativa e permeabilidade relativa
menor que 1. Como exemplo, tem-se o cobre, água, ouro, prata e o zinco.
Os materiais ferromagnéticos quando submetidos a um campo magnético,
seus domínios magnéticos sofrem grande influência de modo a ficarem alinhados
com o campo aplicado. Isso possibilita uma grande concentração de fluxo magnético
dentro de sua estrutura. Esses materiais, em geral, apresentam suscetibilidade
positiva e permeabilidade magnética relativa alta e muito maior que 1. Como
exemplo desses materiais pode-se citar o ferro, níquel, cobalto e algumas ligas.
Diferentemente dos materiais paramagnéticos e diamagnéticos, os ferromagnéticos
podem ser fortemente magnetizados por um campo e após a ausência deste, reter
uma magnetização residual. Entretanto, quando submetidos à temperatura de Curie,
tornam-se paramagnéticos (BATISTA, 2010).
Nos materiais ferrimagnéticos, os campos magnéticos associados com
átomos individuais estão alinhados uns em direção ao campo dos outros em direção
contrária. Neste arranjo, os efeitos de magnetização não se anulam, pois as
intensidades dos domínios alinhados ao campo se tornam maiores resultando na
magnetização do material. Mesmo apresentando uma permeabilidade relativa maior
que a unidade, sua estabilidade térmica não é tão consistente como os materiais
ferromagnéticos (BATISTA, 2010). O ferrimagnetismo ocorre em materiais como
óxido de ferro. O alinhamento espontâneo que produz o ferrimagnetismo também é
completamente rompido acima da temperatura de Curie, característico dos materiais
ferromagnéticos. Quando a temperatura do material está abaixo do Ponto Curie, o
ferrimagnetismo aparece novamente (MUSSOI, 2007).
Nos
antiferromagnéticos
acontece
um
ordenamento
dos
domínios
magnéticos alinhados na mesma direção, mas em sentidos opostos. Esses
materiais, semelhante aos ferromagnéticos, submetidos à temperatura de Néel,
perdem suas propriedades tornando-se paramagnéticos. Para que aconteça o
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 38
alinhamento de seus domínios por completo, é necessário um campo magnético
muito intenso. Alguns exemplos desses materiais são o cromo e o manganês.
Considerando somente os valores de sua susceptibilidade magnética X m e
da permeabilidade relativa  r , os materiais magnéticos podem ser agrupados em
três categorias: ferromagnético, paramagnéticos e diamagnéticos (SHADIKU, 2004).
Na Tabela 1 estão descritos algumas características desses materiais.
TABELA 1 – CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS MAGNÉTICOS – ADAPTADO DE (SHADIKU, 2004)
Materiais
Parâmetros
Diamagnéticos
X m  0 r  1
Paramagnéticos
X m  0 r  1
Ferromagnéticos
X m  0 r  1
3.2
Característica
Linear
Não linear
DOMÍNIOS MAGNÉTICOS
Em materiais com propriedades magnéticas, os átomos nas estruturas
cristalinas se agrupam em regiões de mesma direção magnética se comportando
como pequenos imãs elementares independentes. Essas regiões são conhecidas
como domínios magnéticos. Este efeito de magnetização é, de acordo com a teoria
mais considerada, decorrente do movimento rotacional que os elétrons fazem ao
redor de seu núcleo e de si mesmo denominados de spin. Quando um material está
em seu estado de desmagnetização, os domínios magnéticos encontram-se em
sentidos aleatórios fazendo com que haja um cancelamento do efeito magnético
entre eles. Em ferromagnéticos, quando submetido a campo magnético externo, os
domínios movimentam para o alinhamento no sentido do campo. Idealmente, o
processo de saturação ocorre quando todos os domínios estão alinhados em um só
sentido (MUSSOI, 2007).
3.3
LAÇO B X H
Em materiais ferromagnéticos, no momento da magnetização M a densidade
de campo magnético B é obtida pela soma da intensidade de fluxo magnético H,
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 39
produzido por uma corrente elétrica indutora, com o efeito de magnetização M do
material (BATISTELA, 2001) é dada por:
B  0  H  M 
 M
B  0 1 
H


H

B  m H
B  0 r H
(4.1)
A permeabilidade magnética pode ser compreendida como a capacidade de
se concentrar linhas de fluxo magnético em um material no seu interior quando este
é submetido a um campo. Este parâmetro é dado pela soma dos efeitos das linhas
de fluxo magnético no vácuo com a suscetibilidade magnética do material.
 m  0   0 X m
(4.2)
A suscetibilidade pode ser definida como:
Xm 
M
H
(4.3)
Para materiais com características não magnéticas é atribuída a
permeabilidade do vácuo
0  4 .107 H / m e X m  0 .
A permeabilidade relativa é a razão entre a permeabilidade magnética do
material com a do vácuo, ou seja:
r 
m
0
(4.4)
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 40
A permeabilidade de um material ferromagnético não é linear, pois seu valor
depende da densidade do campo magnético e não pode ser representado por um
único valor (MUSSOI, 2007). Portanto, a equação (4.1) não se aplica a materiais
ferromagnéticos. No entanto, em certas condições essa equação é valida para
materiais não lineares (SHADIKU,2004).
Um material ferromagnético inicialmente desmagnetizado quando submetido
a uma intensidade de campo magnético H, correlacionado com uma dada corrente I,
concentra uma densidade de fluxo magnético B. Sucessivamente com o aumento da
corrente, haverá maior orientação dos domínios magnéticos possibilitando aumento
de B. Esse processo pode ser visualizado na Figura 2. Na primeira região da Figura
2, as paredes dos domínios magnéticos se movimentam resultando em diferentes
direções de magnetização. Essas paredes são interfaces entre as regiões, as quais
são
espontaneamente
magnetizadas,
magnetização (BATISTELA, 2001).
resultando
diferentes
direções
de
Nessa região pequenas variações de H,
propiciam grandes variações da densidade do campo B. Na segunda região, os
domínios magnéticos estão em processo final de alinhamento em um mesmo
sentido, determinando assim a saturação do material, ou seja, para grandes valores
de H pequenas ou quase nenhuma variação de B.
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 41
FIGURA 2 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO. FONTE: (BATISTELA, 2001)
Na magnetização de um material ferromagnético, há energia dissipada no
material. Essas perdas são atribuídas ao movimento e a rotação dos domínios e
podem ser representadas graficamente por o laço de histerese visualizado na Figura
3. A área do laço representa as perdas por unidade de volume durante um laço de
magnetização periódica do material, em que a linha pontilhada representa a curva
de magnetização do material.
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 42
FIGURA 3 – LAÇO DE HISTERESE. FONTE: (BATISTELA, 2001).
Quando em seu estado de magnetização inicial, é aplicado uma intensidade
de fluxo magnético de 0 a Hmax, é obtido a curva de magnetização para os valores
de B, em que se observa a saturação do material. Ao reduzir o valor H de Hmax para
0, a densidade do campo também reduz, no entanto existem valores de B para H = 0
em Br chamado de
densidade de fluxo residual. Para que haja uma
desmagnetização do material, B = 0, é aplicado uma intensidade reversa de 0 a –Hc
denominada de força coerciva ou coercitiva. Ao aplicar uma intensidade H de –Hc a
–Hmax o material tende a saturação no sentido inverso. Tornando a intensidade do
fluxo a 0, é visualizado um Br no sentido contrario, em que para B = 0 é necessário
uma aplicação de H dos pontos 0 a Hc. Esse percurso é conhecido como laço de
histerese.
Os materiais ferromagnéticos possuem laços de histerese diferentes
dependendo da composição do material. Quanto menor for a inclinação e a área do
laço melhor será a permeabilidade relativa do material e a força coerciva e menores
serão as perdas.
Alguns parâmetros de magnetização do material são possíveis de se
determinar através do laço de histerese do material. Este laço simboliza as perdas
magnéticas que o núcleo possui, ou seja, é o atraso existente da relação com a
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 43
densidade do campo magnético quando aplicado uma intensidade de fluxo no
material.
3.4
CIRCUITO PARA OBTENÇÃO DO LAÇO B X H
Neste trabalho, foi utilizado para determinação experimental do laço B x H o
circuito visto na Figura 4 tendo como base o trabalho de (BATISTA, 2010).
Basicamente, este é composto de: (I) um varivolt, para variar os níveis da tensão
alternada de entrada, (II) o transformador T2, 1:1 (220V/220V-3A), (III) o núcleo do
captador a ter sua permeabilidade medida e (IV) um amplificador integrador, tendo
como elemento principal o AmpOp 741.
FIGURA 4 – CIRCUITO PARA DETERMINAÇÃO DO LAÇO B X H. ADAPTADO DE (BATISTA, 2010)
-15V
C2
100nF
R1
1M
XSC1
C1
Ext T rig
+
1uF
200W
V2
Varivolt
T2
Rb
_
+
1k
741
VT
1:1
_
+
_
V0
Rm
25W
B
A
R2
Captador
-15V
R3
10
P1
50%
C3
100nF
15V
O transformador T2 foi utilizado para isolar o circuito eletrônico da rede
elétrica, V2. Os resistores Rm e Rb são resistores para controle de corrente no
primário do captador, ou seja, eles variam de acordo com o tipo do material do
captador de energia em teste, conforme descrito na Tabela 2, para fins de obtenção
do nível de saturação do mesmo. O resistor Rm é usado para medição da corrente
do terminal primário. Em se tratando de valores de Rm muito baixos para testes em
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 44
alguns materiais com alta permeabilidade magnética relativa, o sinal medido é
demasiadamente pequeno não permitindo uma boa avaliação do laço B x H, mesmo
este já estando saturado. Portanto faz-se necessário o uso de valores de Rm mais
altos.
TABELA 2 – CONDIÇÕES PARA A UTILIZAÇÃO DOS RESITORES DE MEDIÇÃO.
Tipo de material
Ref.
Rm
Pó de ferro
Todos
1Ω 25W
F1 e F2
1Ω 25W
F3
400Ω 25W
F4
180Ω 25W
Todos
400Ω 25W
Ferrite
Nanocristalino
Rb
88Ω 200W
440Ω 200W
Este circuito foi armazenado em um gabinete adequado, como pode ser
visto na Figura 5. As entradas e saídas do circuito foram conectadas a terminais
acoplados no próprio gabinete para facilitar os procedimentos experimentais.
FIGURA 5 – CAIXA CONTENDO O CIRCUITO PARA DETERMINAÇÃO DO LAÇO B X H.
Para que seja obtido o laço B x H é necessário aferir a tensão nos pontos VT
e V0 , pois os valores de B e H são adquiridos apenas pela multiplicação de
constantes.
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 45
Portanto, de acordo com a lei de Ampère tem-se que:
 Hdl  NI
(4.5)
Tratando-se de um núcleo toroidal, tem-se:
Hl  NI
H
N1 I
2 r
(4.6)
De acordo com a equação (4.6), a intensidade do fluxo magnético é
diretamente proporcional a corrente que circula no primário N1 do toroide. Sendo
assim ela pode ser expressa em função de VT , sendo I  VT R5 , como segue:
H
N1 VT
.
2 r R5
 N 
H   1  VT
 2 rR5 
(4.7)
Para a determinação da densidade de campo magnético B, faz-se uso da lei
de Faraday que diz que um campo magnético variável produz uma força
eletromotriz. Este dedução pode ser descrita por:
d
dt
(4.8)
  B. A
(4.9)
V  N2
sendo que:
Sendo A a área da seção transversal do captador e substituindo (4.9) em
(4.8), tem-se:
V  N2 A
dB
dt
(4.10)
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 46
Pela equação do integrador, tem-se:
V0 
1
V (t )dt
R`2C1
R C 
B   2 1  V0
 N2 A 
(4.11)
Para que se possa obter a curva de magnetização faz-se necessário variar a
corrente do primário a partir do zero. Dessa maneira pode-se obter vários laços B x
H como pode ser visualizado na Figura 6. Unindo os pontos extremos dos laços é
possível obter uma linha pontilhada representando a curva de magnetização.
FIGURA 6 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO. FONTE: (BATISTELA, 2001)
Analisando a Figura 6, é possível observar a não linearidade da curva de
magnetização que de acordo com a equação (4.1),
 r possui valores pequenos no
princípio da magnetização, porém aumenta seus valores atingindo o máximo no
ponto mais linear da curva que antecede o joelho da curva. Após esse ponto o
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 47
núcleo entra na região de saturação fazendo com que a permeabilidade diminua. O
circuito integrador é utilizado para obter o valor real do fluxo, já que pela lei de
Faraday a tensão de saída é em função da taxa de variação ou a derivada do fluxo.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DO CAMPO MAGNÉTICO
3.5
Para que se possa ter resultados experimentais é necessário, previamente,
calcular a densidade de campo magnético B que é concentrado no interior do
núcleo, quando este é submetido a uma intensidade de fluxo magnético H. Sendo
assim, faz-se uso de alguns princípios do eletromagnetismo.
Por conseguinte, é necessário calcular o fluxo captado em cada lâmina e em
cada entreferro do núcleo. Sua laminação é para atenuar as correntes de Focault ou
correntes parasitas, consequentemente redução das perdas.
De acordo com a quarta equação de Maxwell ou Lei de Ampère, a densidade
do fluxo magnético em um dado ponto P a uma dada distância r de um condutor
infinitamente longo transportando uma corrente alternada com uma amplitude de
pico I e de frequência angular
 é dada por:
B
m I sin(t )
2 r
em que B é a densidade de fluxo magnético e
(4.12)
 m é a permeabilidade magnética do
núcleo.
Na Figura 7 é visualizado um corte em perspectiva de algumas lâminas de um
núcleo envolvendo uma linha de potência. Estas lâminas estão alinhadas no sentido
do campo magnético gerado pela corrente do condutor primário que fornece o
caminho magnético para canalizar o fluxo, o qual consiste de varias lâminas que são
eletricamente separadas por uma fina camada de material isolante entre si.
Com referência a Figura 7, a atuação do fluxo magnético em toda a laminação
do núcleo com área seccional A num plano perpendicular ao campo magnético é
dada por:
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 48
   BdA
(4.13)
FIGURA 7 – CAMADAS DO TOROIDE ENVOLVENDO UMA LINHA DE POTÊNCIA. (A) CORTE (B)
PERSPECTIVA
(A)
(B)
Condutor
Primário
em que:
A  wdr
(4.14)
Para o cálculo do fluxo magnético em uma lâmina é necessário substituir
(4.14) e (4.13) em (4.12), logo é obtido:
L 
m I sin(t ) r dr
wr
2
r
f
(4.15)
L
A expressão (4.15) pode ser reduzida como se segue:
L 
m Isin(t ) w  rL  h 
ln 

2
 rL 
(4.16)
Definido o fluxo nas lâminas, pode ser analisado o fluxo magnético atuante no
material isolante (entreferro) entre as lâminas de todo o núcleo. Esse fluxo pode ser
obtido de um modo semelhante ao descrito em (4.16). Assim, o campo magnético no
material isolante é dado por:
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 49
P 
0 Isen(t ) w  rP  S 
ln 

2
 rP 
(4.17)
De acordo com a Lei de Faraday pode ser obtido a tensão de saída do
terminal secundário como segue:
VS   N 2
dT
dt
(4.18)
em que:
T : fluxo magnético total;
N 2 : número de voltas da bobina do secundário.
A fim de calcular o fluxo magnético total é necessário somar os valores de
fluxo magnético através de todas as lâminas e do material isolante, ou seja:
T  LT  PT
(4.19)
em que:
T : fluxo magnético total;
LT : fluxo magnético em todas as lâminas;
PT : fluxo magnético em todo o material isolante.
A expressão (4.19) pode ser descrita como sendo:
dT Ln dL P n1 dP

 
dt
dt
L 1 dt
P 1
(4.20)
dL m I cos(t ) w  rL  h 

ln 

dt
2
 rL 
(4.21)
em que:
dP 0 I cos(t ) w  rP  S 

ln 

dt
2
 rP 
(4.22)
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 50
NÚCLEOS TOROIDAIS UTILIZADOS NESTA PESQUISA
3.6
Nos núcleos magnéticos (captadores) experimentais, usados nesta pesquisa
visando o desenvolvimento do sistema captador de energia, foram realizados testes
considerando os seguintes materiais:

Pó de ferro,

Ferrite, e

Nanocristalino
Foram utilizados núcleos laminados e não laminados com dimensões
variadas e enrolados com fios esmaltados de cobre, como podem ser vistos, alguns
exemplos, na Figura 8.
FIGURA 8 – NÚCLEOS EM TESTE.
Para melhor entendimento e detalhamento dos núcleos em teste, estão
descritos na Tabela 3 os dados que foram adquiridos do datasheet do fabricante de
cada núcleo, com exceção de F4, o qual teve suas dimensões medidas em
laboratório e do núcleo denominado de PE, um núcleo projetado nesta pesquisa e
produzido em um laboratório do Departamento de Engenharia de Materiais da UFPB
(Esse núcleo será descrito com maiores detalhes a seguir).
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 51
Foi utilizada a seguinte conversão: Núcleos de Pó de Ferro iniciam-se pela
letra P, de Ferrite, letra F e Nanocristalinos, pela letra N. Dessa forma, constata-se o
teste de 15 núcleos diferentes: 3 de pó de ferro, 5 de ferrite e 7 nanocristalinos.
TABELA 3 – DADOS DOS CAPTADORES EM TESTE
Nanocristalino
Ferrite
Pó de
ferro
Material
do
captador
3.7
Ref.
Diam.
Ext.[mm]
Diam.
Int.[mm]
Largura
(h)
[mm]
Altura
(W)
[mm]
P3
46.7
24.1
11.3
18
P4.1
44.5
27.2
17,3
16.5
PE
39
34
5
20
F1
34
21.8
6.1
21
F1.1
34
21.8
6.1
21
F2
36
23
6.5
15
F3
22.1
13.7
4.2
8
F4
76
50
13
15
N1
38.9
30.7
4.1
10.1
N1.1
38.9
30.7
4.1
10.1
N2
53.8
45
4.4
10.35
N3
33.5
27.5
3
4
N3.1
33.5
27.5
3
4
N4
34.5
31
1.75
4
N4.1
34.5
31
1.75
4
Lâminas
(L)
1
1
55
152
NÚCLEO DE PÓ DE FERRO DESENVOLVIDO NA UFPB
Os ensaios realizados nesta pesquisa são baseados em captadores com
núcleo de ferrite, nanocristalino e pó de ferro, fabricados através de processo
industrial. Como esta pesquisa tem por referência ensaios com núcleos toroidais de
características e tamanhos diferentes, foi incluso nos ensaios um núcleo projetado
no decorrer da pesquisa. Com relação a sua construção, o aluno Pedro Romio, do
curso de Engenharia Mecânica da UFPB, e a pós-doutorando do PPGEE/UFPB,
Danielle Guedes, foram os responsáveis por toda a seleção de materiais, projeto e
desenvolvimento da matriz em aço, sinterização e todo o processo final da
construção do núcleo de ferro.
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 52
Este núcleo foi produzido através do processo de metalurgia do pó realizado
no Laboratório de Solidificação Rápida (LSR), do Departamento de Engenharia
Mecânica da UFPB. Sua composição é formada por quatro tipos de liga:
1. Ferro puro sinterizado
2. Ferro puro misturado a resina
3. Liga Fe98Si2
4. Liga Fe95Si5
As dimensões do núcleo estão descritas na Figura 9.
FIGURA 9 – DIMENSÕES DO NÚCLEO
Para a fabricação deste núcleo, fez-se necessário o desenvolvimento de
uma matriz de prensagem de forma a produzir os núcleos já nas medidas finais
desejadas, conforme visto na Figura 10.
As compactações foram realizadas na temperatura ambiente, com cargas de
20 toneladas o que correspondiam a pressões de 700 MPa.
Ao final do processo, o núcleo foi submetido a ensaios para a determinação
de suas características magnéticas no Laboratório de Microengenharia do
Departamento de Engenharia Elétrica do Centro de Energias Alternativas e
Renováveis da UFPB e comparado com os núcleos de fabricação industrial. Esses
resultados estão descritos na Seção 5.
Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética 53
FIGURA 10 – MATRIZ DE PRENSAGEM
4 EXPERIMENTOS E EMULAÇÕES
Experimentos e Emulações 55
4
EXPERIMENTOS E EMULAÇÕES
Para a realização dos experimentos fez-se o procedimento de três etapas: a
primeira se trata da utilização do circuito da Figura 4 para a determinação do laço B
x H e consequentemente as características magnéticas de cada captador; a
segunda referencia-se a captação de energia para a obtenção da maior potência
que cada captador pode fornecer para valores de cargas variáveis puramente
resistivas; e a terceira é concernente a medição, sem carga, da tensão de saída de
cada captador para comprovação dos cálculos teóricos da Seção 3.
4.1
DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS MAGNÉTICOS – ETAPA 1
Esta etapa consiste do cálculo dos parâmetros magnéticos de cada captador,
os quais são:
1. Permeabilidade magnética relativa
2. Força coerciva
3. Densidade do fluxo magnético de saturação
4. Densidade de fluxo residual
5. Permeabilidade magnética do material
Para a realização desta etapa, fez-se necessário bobinar os captadores de
forma que estes ficassem com dois enrolamentos N1 e N2, primário e secundário
respectivamente como visto na
Tabela 4. Devido o captador F1.1 ter
 r igual ao F1, fez-se necessário
realizar o ensaio com apenas F1. Esta justificativa vale para os captadores N1, N1.1,
N3, N3.1, N4 e N4.1 que possuem
 r igual a N2.
A corrente no primário e a tensão no secundário são medidas pelo
osciloscópio, no qual é feita a aquisição dos dados para serem posteriormente
modelados via software.
Fez-se o uso dos parâmetros físicos dos captadores mencionados na Tabela
3 e Tabela 4 juntamente com código do Apêndice 1 para a determinação das
características magnéticas.
Experimentos e Emulações 56
TABELA 4 – PARÂMETROS DOS CAPTADORES PARA A DETERMNAÇÃO DO LAÇO B X H
N1
Material do
captador
Voltas
Pó de ferro
Ferrite
Nanocristalino
4.2
N2
Ref.
Fio Primário
[AWG]
Fio secundário
[AWG]
P3
120
63
19
19
P4.1
150
52
19
17
PE
198
50
21
21
F1
54
33
19
19
F2
56
40
19
19
F3
57
29
23
21
F4
78
47
17
19
N2
75
58
21
21
DETERMINAÇÃO DOS VALORES MÁXIMOS DE POTÊNCIA – ETAPA 2
Para a realização da segunda etapa, fez-se necessário o enrolamento de
apenas uma bobina em cada captador submetido a ensaio referente ao terminal
secundário, pois o primário é um condutor que percorre por dentro do captador como
visto na Figura 7. Os dados referentes ao número de voltas de cada bobina
secundária, a espessura do condutor utilizado, bem como os captadores submetidos
a ensaios estão referenciados na Tabela 5.
Com a finalidade de obter dados experimentais e validar os resultados
teóricos, foi desenvolvida uma planta piloto capaz de emular a corrente da linha de
potência de um sistema de distribuição para a captação do campo magnético, como
mostrado na Figura 11, Figura 12 e Figura 13. Esta planta consiste de uma bancada
que contém dez resistores de potência de 220Ω (200W) cada, os quais
desempenham a função da carga da linha de potência. A tensão nominal em regime
de trabalho da bancada é de 220V. Para o controle da corrente de carga, são
utilizados três interruptores, cada qual com três seções para o acionamento dos
resistores. Um amperímetro e um voltímetro fazem parte das medições de tensão e
corrente da carga. Como dispositivos de proteção, são utilizados um disjuntor
termoelétrico (DT) 16A e um interruptor bipolar (IB) 10A. Esta planta consiste de três
compartimentos: o primeiro destina-se as ligações dos componentes da bancada; o
segundo, reservatório dos equipamentos utilizados no experimento e no terceiro,
Experimentos e Emulações 57
localiza-se a conexão do condutor primário com a bancada, como pode ser visto na
Figura 13.
TABELA 5 – NÚMERO DE BOBINAS DO SECUNDÁRIO DOS CAPTADORES PARA A CAPTAÇÃO
DE ENERGIA
Nanocristalino
Ferrite
Pó de
ferro
Tipo do
Material
N2
Voltas
Fio
secundário
[AWG]
P3
63
19
P4.1
52
17
PE
198
21
F1
54
19
F1.1
50
21
F2
56
19
F3
57
23
F4
78
17
N1
87
21
N1.1
87
23
N2
75
21
N3
43
15
N3.1
84
23
N4
77
19
N4.1
230
29
Ref.
Na Figura 14, é visualizado o circuito elétrico representativo da planta piloto,
em que A e V representam o amperímetro e voltímetro, respectivamente. S1, S2, S3,
S4 e S5 representam as seções dos interruptores de acionamento dos resistores R1
à R10. V1 é a tensão de alimentação.
Experimentos e Emulações 58
FIGURA 11 – VISÃO DE TOPO DA PLANTA PILOTO
Voltímetro
Carga
Amperímetro
Interruptores
IB
DT
FIGURA 12 – PLANTA PILOTO
Experimentos e Emulações 59
FIGURA 13 – COMPARTIMENTOS DA PLANTA PILOTO
1
3
2
FIGURA 14 – CIRCUITO ELÉTRICO DA PLANTA PILOTO
Circuito
condicionador
de potência
DT
IB
A
Núcleo
S1
S2
S3
S4
S5
V
V1
R1
R3
R5
R7
R2
R4
R6
R8
R9
R10
No processo de captação, o condutor primário é envolvido pelo núcleo de
alta permeabilidade magnética, conforme visto na Figura 15. Esse envolvimento é
feito passando-se o fio por dentro do núcleo. O enrolamento secundário deste
núcleo é conectado ao circuito condicionador de potência (CCP).
Experimentos e Emulações 60
FIGURA 15 – SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA
Primário
Núcleo
CCP
Nesta segunda etapa, efetuou-se três tipos de medições com a finalidade de
obter maior nível de potência quando os núcleos são submetidos a uma corrente de
15 A no terminal primário2. Após a aquisição dos dados, a modelagem matemática é
realizada com o auxilio do código do Apêndice 2.
4.2.1
Primeira medição
Para o tratamento da energia captada, foi proposto o circuito de
condicionamento de potência que é composto por um retificador AC/DC, um
regulador de tensão e um resistor variável como carga, como visto na Figura 16.
Nestas medições, são colhidos valores de tensão de 15 resistores diferentes para a
2
A planta piloto fornece uma corrente máxima de 2,5 A. Portanto para aumentar a intensidade de
fluxo magnético, foi dada seis voltas no captador de energia em teste obtendo uma equivalência de
corrente no primário no total de 15 A.
Experimentos e Emulações 61
obtenção do maior valor potência na carga com tensão constante de 5 Vcc. Neste
âmbito, foram realizados testes com apenas o captador F4.
FIGURA 16 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE POTÊNCIA COM O USO DO
REGULADOR DE TENSÃO
XSC1
Ext T rig
+
Condutor Primário
_
B
A
+
_
+
_
7805CT
Planta Piloto
Rv
680uF
Captador
Para a segunda e terceira medições, realizou-se testes com todos os
captadores.
4.2.2
Segunda medição
Para a segunda medição, com o objetivo de obter o maior valor de potência,
realizou-se medições de tensão na carga conectada diretamente ao retificador
AC/DC sem o uso do regulador, vislumbrando também o comportamento do sinal de
tensão na saída do terminal secundário antes do CCD como visto na Figura 17.
Experimentos e Emulações 62
FIGURA 17 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE POTÊNCIA SEM O USO DO
REGULADOR DE TENSÃO
Condutor Primário
XSC1
Ext T rig
+
_
B
A
Planta Piloto
Rv
+
_
+
_
680uF
Captador
4.2.1
Terceira medição
Para a terceira medição, executou-se medições de tensão na carga
conectadas diretamente ao captador de energia, sendo analisado o maior nível de
potência para cada captador com relação ao valor RMS do sinal medido, Figura 18.
FIGURA 18 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE POTÊNCIA COM A CARGA
CONECTADA DIRETAMENTE AO CAPTADOR
Condutor Primário
XSC2
Ext T rig
+
_
B
A
Rv
Planta Piloto
+
_
+
_
Captador
Para estes experimentos foram atribuídas cargas puramente resistivas de
valores compreendidos entre 10Ω e 10KΩ de baixa potência. Todos esses testes
experimentais foram realizados no laboratório de microengenharia do Departamento
de Engenharia Elétrica do Centro de Energias Alternativas e Renováveis da UFPB.
Experimentos e Emulações 63
Para o captador F3, os experimentos foram realizados com uma corrente no
primário de 12,5 A, devido as suas dimensões permitirem apenas 5 voltas em seu
interior.
4.3
COMPROVAÇÃO DOS CÁLCULOS TEÓRICOS ATRAVÉS
MEDIÇÕES DE TENSÃO NO CAPTADOR SEM CARGA – ETAPA 3
DE
Nesta etapa, é realizada a medição, sem carga, dos valores de tensão no
terminal secundário de cada captador com uma corrente AC de 15 A no condutor
primário. Após este procedimento, é simulado via software com o auxílio do código
do Apêndice 3 e dos parâmetros magnéticos obtidos na etapa 1, o mesmo
procedimento citado acima. Por fim, os dados simulados e experimentais são
confrontados para comprovar a veracidade dos cálculos.
O circuito utilizado para esta etapa está ilustrado na Figura 19.
FIGURA 19 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE TENSÃO SEM CARGA
XSC1
Condutor Primário
Ext Trig
+
_
B
A
+
Planta Piloto
Captador
_
+
_
5
RESULTADOS
Resultados 65
5
RESULTADOS
Os procedimentos utilizados nos testes experimentais, emulações e
simulações se dividem em três etapas, como citado acima. Para melhor
entendimento, os resultados serão analisados separadamente.
5.1
PARÂMETROS MAGNÉTICOS – ETAPA 1
Para o cumprimento desta etapa, determinou-se os parâmetros magnéticos
de cada núcleo através de experimentos, fazendo-se uso do circuito da Figura 4.
Neste circuito, foi possível obter vários laços de histerese em função da variação da
corrente no primário. Essa variação decorre do controle no ajuste de tensão do
Varivolt.
Para a obtenção da permeabilidade magnética, fez-se necessário a
aquisição de vários laços B x H. Nestes laços, foram extraídos os valores máximos
de B e H para a obtenção da curva de magnetização. Nesta modelagem, a
permeabilidade relativa é calculada para pequenos trechos lineares da curva.
Observou-se o laço B x H em que inicia o processo de saturação para a
aquisição da densidade de saturação, da densidade residual que são os valores
referentes da diferença da origem do sinal ao valor em que a curva intercepta o eixo
B para valores positivos e da força coerciva que são os valores referentes da
diferença da origem do sinal ao valor em que a curva intercepta o eixo H para
valores negativos.
Utilizando-se esses procedimentos foi possível obter os seguintes
resultados.
5.1.1
Captadores de Ferrite
Para estes captadores, inicialmente foi determinado o maior laço B x H que
antecede o início da região de saturação. Neste ponto, os níveis de tensão de saída
V0 , corrente no primário Ip e a forma de onda de saturação na saída do secundário
antes do integrador foram obtidos.
Resultados 66
Captador F1
5.1.1.1
GRÁFICO 1 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO F1
Resultados Experimentais
1.5
Integrador
Saturação
Tensão (V)
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
0.3
Corrente no primário
Corrente (A)
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
Quando a corrente do primário atinge valores aproximados de 2A RMS
(54voltas x 38mA RMS), o núcleo F1 entra em sua região de saturação como pode
ser observado no Gráfico 1.
A densidade de fluxo de saturação obtida de 0,35 T pode ser visualizada no
Gráfico 2.
Resultados 67
GRÁFICO 2 – LAÇO B X H DO CAPTADOR F1
Resultados esxperimentais
0.5
0.4
0.3
Densidade (T)
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-40
-30
-20
-10
0
10
Intensidade (A/m)
20
30
40
GRÁFICO 3 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR F1
Resultados Experimentais
0.5
0.45
0.4
Densidade (T)
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
500
1000
1500
Intensidade (A/m)
2000
2500
Resultados 68
Para a determinação da curva de magnetização e da permeabilidade
magnética, foram colhidas quarenta e duas amostras de dados pelo osciloscópio a
medida que se variava a tensão de entrada no intervalo de 1V de pico. Fez-se a
aquisição desses dados e posteriormente a modelagem matemática via software.
Após este procedimento, foi possível adquirir a curva de magnetização, Gráfico 3.
Decorrente as equações já observadas na Seção 3, foi possível determinar a
permeabilidade relativa
 r e do material  m , bem como a força coerciva Hc e o
fluxo residual Br. Todos esses resultados estão resumidos na Tabela 6.
TABELA 6 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR F1
Valores Obtidos
r
m
Hc
Máximo
[H/m]
17.838
0,026
5.1.1.2
Captador F2
Bsat
Br
[A/m]
Inicial
[T]
[T]
15
0,35
0,1
Ip
RMS
[A]
2,08
Quando a corrente do primário atinge valores aproximados de 3,24A RMS
(56 voltas x 58mA RMS), o núcleo F2 entra em sua região de saturação como pode
ser observado no Gráfico 4.
A densidade de fluxo de saturação obtida de 0,43 T pode ser visualizada no
Gráfico 5.
Para a determinação da curva de magnetização e da permeabilidade
magnética, foram colhidas quarenta e duas amostras de dados pelo osciloscópio a
medida que se variava a tensão de entrada no intervalo de 1V de pico. Fez-se a
aquisição desses dados e posteriormente a modelagem matemática via software.
Após este procedimento, foi possível adquirir a curva de magnetização, Gráfico 6.
Decorrente as equações já observadas nas seções anteriores, foi possível
determinar a permeabilidade relativa
 r e do material  m , bem como a força
coerciva Hc e o fluxo residual Br. Todos esses resultados estão resumidos na Tabela
7.
Resultados 69
GRÁFICO 4 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO F2
Resultados Experimentais
1.5
Integrador
Saturação
Tensão (V)
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
0.3
Corrente no primário
Corrente (A)
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
Resultados 70
GRÁFICO 5 – LAÇO B X H DO CAPTADOR F2
Resultados Experimentais
0.6
0.4
Densidade (T)
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1500
-1000
-500
0
500
Intensidade (A/m)
1000
1500
GRÁFICO 6 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR F2
Resultados Experimentais
0.5
Densidade (T)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
Intensidade (A/m)
2000
2500
Resultados 71
TABELA 7 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR F2
Valores Obtidos
r
m
Hc
Máximo
[H/m]
9.360
0,011
5.1.1.3
Captador F3
Bsat
Br
[A/m]
Inicial
[T]
[T]
12,5
0,43
0,1
Ip
RMS
[A]
3,24
GRÁFICO 7 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO F3
Resultados Experimentais
Integrador
Saturação
0.6
Tensão (V)
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
0.5
Corrente (A)
Corrente no primário
0
-0.5
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
Quando a corrente do primário atinge valores aproximados de 2,1A RMS (57
voltas x 36,9mA RMS), o núcleo F3 entra em sua região de saturação como pode
ser observado no Gráfico 7.
Resultados 72
A densidade de fluxo de saturação obtida de 0,5 T pode ser visualizada no
Gráfico 8.
GRÁFICO 8 – LAÇO B X H DO CAPTADOR F3
Resultados Experimentais
0.3
0.2
0.1
Densidade (T)
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
Intensidade (A/m)
100
150
200
250
Para a determinação da curva de magnetização e da permeabilidade
magnética, foram colhidas quarenta e duas amostras de dados pelo osciloscópio a
medida que se variava a tensão de entrada no intervalo de 1V de pico. Fez-se a
aquisição desses dados e posteriormente a modelagem matemática via software.
Após este procedimento, foi possível adquirir a curva de magnetização, Gráfico 9.
Resultados 73
GRÁFICO 9 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR F3
Resultados Experimentais
0.25
0.2
0.15
Densidade (T)
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
-0.25
0
50
100
150
200
250
300
Intensidade (A/m)
350
400
450
500
Decorrente as equações já observadas nas seções anteriores, foi possível
determinar a permeabilidade relativa
 r e do material  m , bem como a força
coerciva Hc e o fluxo residual Br. Todos esses resultados estão resumidos na tabela
abaixo.
TABELA 8 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR F3
Valores Obtidos
Bsat
r
m
Hc
Máximo
[H/m]
[A/m]
Inicial
[T]
[T]
6.800
0,0085
14
0,5
0,1
Br
Ip
RMS
[A]
2,1
Resultados 74
Captador F4
5.1.1.4
GRÁFICO 10 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO F4
Resultados experimentais
15
Integrador
Saturação
Tensão (V)
10
5
0
-5
-10
-15
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
0.2
Corrente no primário
Corrente (A)
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
Quando a corrente do primário atinge valores aproximados de 7,53A RMS
(78 voltas x 96,6mA RMS), o núcleo F4 entra em sua região de saturação como
pode ser observado no Gráfico 10.
A densidade de fluxo de saturação obtida de 1,5 T pode ser visualizada no
Gráfico 11.
Resultados 75
GRÁFICO 11 – LAÇO B X H DO CAPTADOR F4
Resultados esxperimentais
2
1.5
Densidade (T)
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
-200
-150
-100
-50
0
50
Intensidade (A/m)
100
150
200
Para a determinação da curva de magnetização e da permeabilidade
magnética, foram colhidas quarenta e duas amostras de dados pelo osciloscópio a
medida que se variava a tensão de entrada no intervalo de 1V de pico. Fez-se a
aquisição desses dados e posteriormente a modelagem matemática via software.
Após este procedimento, foi possível adquirir a curva de magnetização como se
segue.
Resultados 76
GRÁFICO 12 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR F4
Resultados Experimentais
1.8
1.6
1.4
Densidade (T)
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
20
40
60
Intensidade (A/m)
80
100
120
Decorrente as equações já observadas nas seções anteriores, foi possível
determinar a permeabilidade relativa
 r e do material  m , bem como a força
coerciva Hc e o fluxo residual Br. Todos esses resultados estão resumidos na Tabela
9.
TABELA 9 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR F4
Valores Obtidos
Bsat
r
m
Hc
Máximo
[H/m]
[A/m]
Inicial
[T]
[T]
44.090
0.0554
40
1,5
1,29
Br
Ip
RMS
[A]
7,53
Na Tabela 10, encontra-se um resumo dos resultados obtidos pra todos os
captadores de ferrite.
Resultados 77
TABELA 10 – RESUMO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA OS CAPTADORES DE
FERRITE
Valores Obtidos
r
m
Hc
Máximo
[H/m]
F1
17.838
F2
Ref.
Bsat
Br
Ip
[A/m]
Inicial
[T]
[T]
0,026
15
0,35
0,1
RMS
[A]
2,08
9.360
0,011
12,5
0,43
0,1
3,24
F3
6.800
0,0085
14
0,5
0,1
2,1
F4
44.090
0.0554
40
1,5
1,29
7,53
5.1.2
Captadores Nanocristalinos
Devido todos os captadores obterem o mesmo valor de permeabilidade
relativa informado pelo datasheet do fabricante, foi realizado os referidos testes
apenas para o captador N2.
O procedimento utilizado para a determinação dos parâmetros magnéticos
do N2 é idêntico ao utilizado para os captadores de ferrite. Portanto, os níveis de
tensão de saída V0 , corrente no primário Ip e a forma de onda de saturação na saída
do secundário antes do integrador estão descritas nos gráficos abaixo.
5.1.2.1
Captador N2
Quando a corrente do primário atinge valores aproximados de 0,70A RMS
(75 voltas x 9,4mA RMS), o núcleo N2 entra em sua região de saturação como pode
ser observado no Gráfico 113.
A densidade de fluxo de saturação obtida de 1,2 T pode ser visualizada no
Gráfico 14.
Resultados 78
GRÁFICO 13 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO N2
Resultados experimentais
15
Integrador
Saturação
Tensão (V)
10
5
0
-5
-10
-15
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
0.2
Corrente no primário
Corrente (A)
0.1
0
-0.1
-0.2
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
Para a determinação da curva de magnetização e da permeabilidade
magnética, foram colhidas quarenta e duas amostras de dados pelo osciloscópio a
medida que se variava a tensão de entrada no intervalo de 1V de pico. Fez-se a
aquisição desses dados e posteriormente a modelagem matemática via software.
Após este procedimento, foi possível adquirir a curva de magnetização como se
segue.
Decorrente as equações já observadas nas seções anteriores, foi possível
determinar a permeabilidade relativa
coerciva Hc e o fluxo residual Br.
 r e do material  m , bem como a força
Resultados 79
GRÁFICO 14 – LAÇO B X H DO CAPTADOR N2
Resultados experimentais
2
1.5
Densidade (T)
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
-30
-20
-10
0
Intensidade (A/m)
10
20
30
GRÁFICO 15 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR N2
Resultados Experimentais
1.8
1.6
1.4
Densidade (T)
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
10
20
30
40
Intensidade (A/m)
50
60
70
Todos esses resultados estão resumidos na Tabela 11.
Resultados 80
TABELA 11 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR N2
Valores Obtidos
r
m
Hc
Máximo
[H/m]
172.780
0,21
5.1.3
Bsat
Br
[A/m]
Inicial
[T]
[T]
1,42
1,2
0,3
Ip
RMS
[A]
0,70
Captadores de Pó de Ferro
Como mencionado na Seção 4, realizou-se os ensaios para os captadores
P3, P4.1 e PE.
O procedimento utilizado para a determinação dos parâmetros magnéticos
destes captadores é idêntico ao utilizado para os captadores de ferrite e liga
nanocristalina. Portanto, os níveis de tensão de saída V0 , corrente no primário Ip e a
forma de onda de saturação na saída do secundário antes do integrador estão
descritas a seguir.
Resultados 81
5.1.3.1 Captador P3
GRÁFICO 16 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO P3
Resultados Experimentais
15
Integrador
Saturação
Tensão (V)
10
5
0
-5
-10
-15
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
4
Corrente no primário
Corrente (A)
2
0
-2
-4
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
Quando a corrente do primário atinge valores aproximados de 295A RMS
(120 voltas x 2,46A RMS), o núcleo P3 entra em sua região de saturação como pode
ser observado no Gráfico 16.
A densidade de fluxo de saturação não pode ser obtida devido o núcleo exigir
uma intensidade de campo magnético referente a uma corrente maior que 300A.
Porém até aos limites de teste, foi obtido uma densidade de fluxo de 0,79T como
pode ser visualizada no Gráfico 17.
Resultados 82
GRÁFICO 17 – LAÇO B X H DO CAPTADOR P3
Resultados Experimentais
0.8
0.6
0.4
Densidade (T)
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-6000
-4000
-2000
0
2000
Intensidade (A/m)
4000
6000
Para a determinação da curva de magnetização e da permeabilidade
magnética, foram colhidas trinta e seis amostras de dados pelo osciloscópio a
medida que se variava a tensão de entrada no intervalo de 1V de pico. Fez-se a
aquisição desses dados e posteriormente a modelagem matemática via software.
Após este procedimento, foi possível adquirir a curva de magnetização, Gráfico 18.
Resultados 83
GRÁFICO 18 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR P3
Resultados Experimentais
0.9
0.8
0.7
Densidade (T)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
1000
2000
3000
4000
Intensidade (A/m)
5000
6000
Decorrente as equações já observadas nas seções anteriores, foi possível
determinar a permeabilidade relativa
 r e do material  m , bem como a força
coerciva Hc e o fluxo residual Br. Todos esses resultados estão resumidos na Tabela
12.
TABELA 12 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR P3
Valores Obtidos
Bsat
r
m
Hc
Máximo
[H/m]
[A/m]
Inicial
[T]
[T]
117
0,000147
800
0,79
0,18
Br
Ip
RMS
[A]
295
Resultados 84
Captador P4.1
5.1.3.2
GRÁFICO 19 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO P4
Resultados Experimentais
4
Integrador
Saturação
Tensão (V)
2
0
-2
-4
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
4
Corrente no primário
Corrente (A)
2
0
-2
-4
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
Quando a corrente do primário atinge valores aproximados de 366A RMS
(150 voltas x 2,44A RMS), o núcleo P4 entra em sua região de saturação como pode
ser observado no Gráfico 19.
A densidade de fluxo de saturação não pode ser obtida devido o núcleo exigir
uma intensidade de campo magnético referente a uma corrente maior que 400A.
Porém até aos limites de teste, foi obtido uma densidade de fluxo de saturação de
0,5T como pode ser visualizada no Gráfico 20.
Resultados 85
GRÁFICO 20 – LAÇO B X H DO CAPTADOR P4.1
Resultados Experimentais
0.6
0.4
Densidade (T)
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
Intensidade (A/m)
4000
6000
8000
Para a determinação da curva de magnetização e da permeabilidade
magnética, foram colhidas quarenta e duas amostras de dados pelo osciloscópio a
medida que se variava a tensão de entrada no intervalo de 1V de pico. Fez-se a
aquisição desses dados e posteriormente a modelagem matemática via software.
Após este procedimento, foi possível adquirir a curva de magnetização como se
segue.
Resultados 86
GRÁFICO 21 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR P4.1
Resultados Experimentais
0.5
Densidade (T)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
1000
2000
3000
4000
Intensidade (A/m)
5000
6000
Desinente as equações já observadas nas seções anteriores, foi possível
determinar a permeabilidade relativa
 r e do material  m , bem como a força
coerciva Hc e o fluxo residual Br. Todos esses resultados estão resumidos na tabela
abaixo.
TABELA 13 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR P4.1
Valores Obtidos
Bsat
r
m
Hc
Máximo
[H/m]
[A/m]
Inicial
[T]
[T]
65,5
0,0000823
603
0,5
0,06
Br
Ip
RMS
[A]
366
Resultados 87
Captador PE
5.1.3.3
GRÁFICO 22 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO PE
Resultados Experimentais
4
Integrador
Saturação
Tensão (V)
2
0
-2
-4
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
4
Corrente no primário
Corrente (A)
2
0
-2
-4
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
Quando a corrente do primário atinge valores aproximados de 292A RMS
(198 voltas x 1,47A RMS), o núcleo PE entra em sua região de saturação como pode
ser observado no Gráfico 22.
A densidade de fluxo de saturação não pode ser obtida devido o núcleo exigir
uma intensidade de campo magnético referente a uma corrente maior que 480A.
Porém até aos limites de teste, foi obtido uma densidade de fluxo de saturação de
0,6T como pode ser visualizada no Gráfico 23.
Resultados 88
GRÁFICO 23 – LAÇO B X H DO CAPTADOR PE
Resultados Experimentais
0.8
0.6
Densidade (T)
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
Intensidade (A/m)
4000
6000
8000
Para a determinação da curva de magnetização e da permeabilidade
magnética, foram colhidas quarenta e duas amostras de dados pelo osciloscópio a
medida que se variava a tensão de entrada no intervalo de 1V de pico. Fez-se a
aquisição desses dados e posteriormente a modelagem matemática via software.
Após este procedimento, foi possível adquirir a curva de magnetização, Gráfico 24.
Desinente as equações já observadas nas seções anteriores, foi possível
determinar a permeabilidade relativa
coerciva Hc e o fluxo residual Br.
 r e do material  m , bem como a força
Resultados 89
GRÁFICO 24 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR PE
Resultados Experimentais
0.6
Densidade (T)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
1000
2000
3000
4000
Intensidade (A/m)
5000
6000
Todos esses resultados estão resumidos na Tabela 14.
TABELA 14 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR PE
Valores Obtidos
r
m
Hc
Máximo
[H/m]
100
0,00012
Bsat
Br
[A/m]
Inicial
[T]
[T]
1700
0,6
0,4
Ip
RMS
[A]
292
Na Tabela 15, encontra-se um resumo dos resultados obtidos pra todos os
captadores de ferrite.
Resultados 90
TABELA 15 – RESUMO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA OS CAPTADORES DE PÓ
DE FERRO
Valores Obtidos
r
m
Hc
Máximo
[H/m]
P3
117
P4.1
PE
Ref.
5.2
Bsat
Br
Ip
[A/m]
Inicial
[T]
[T]
0,000147
800
0,79
0,18
RMS
[A]
295
65,5
0,0000823
603
0,5
0,06
366
100
0,00012
1700
0,6
0,4
292
VALORES MÁXIMOS DE POTÊNCIA – ETAPA 2
Nesta subseção, são apresentados os resultados experimentais que foram
obtidos com o fim de visualizar os valores máximos de potência, em função da
carga, que podem ser alcançados do sistema captador de energia para os três tipos
de medição mencionadas na seção anterior. Para tanto faz-se necessário a
exposição destes resultados separadamente.
5.2.1 Primeira Medição
Estes resultados foram obtidos no início do processo de testes de captação
de energia com valores de carga resistiva entre 47Ω e 5MΩ. Este procedimento teve
por objetivo a máxima obtenção de valor de potência com uma tensão constante de
5 V na carga. Foram realizados vários testes com valores de cargas variados dentre
as quais alguns estão descritos na Tabela 16.
TABELA 16 – TESTES E MEDIÇÕES EXPERIMENTAIS
Fazendo-se uso da Figura 16 nos experimentos para o captador de energia
F4, foi obtido os seguintes resultados para uma corrente de 15 A no primário.
Resultados 91
TABELA 16 – TESTES E MEDIÇÕES EXPERIMENTAIS
Dados
Rv
Resultados
V
V
(pico)
(rms)
[Ω]
V
(retificador)
[V]
V
(Carga)
I
(Carga)
[A]
P
(Carga)
[mW]
47
20,4
5,7
4,24
3,1
0,065
204
97
21,3
6,5
6,02
5,01
0,050
239
430
22,6
7,5
10,8
5,04
0,0117
58,8
1,5K
23,7
8,3
13,8
5,04
0,0335
16,8
5M
24,1
8,75
14,1
5,04
0,000001
0,005
Os valores de Vpico e Vrms foram aferidos no terminal secundário antes do
circuito condicionador de potência.
Neste experimento foi constatado que para cargas resistivas menores que
97Ω a tensão de saída assume valores menores que 5 V na carga e menores que 6
V no retificador AC/DC. Embora para cargas maiores ou iguais a 97Ω a tensão varia
de 5,01V a 5,04V na carga. No retificador, a tensão varia entre 6,02 V a 16V para
cargas entre 97Ω e 10kΩ. Para resistores maiores que 10kΩ, há estabilização em
16V no retificador AC/DC.
De acordo com a Tabela 16 é possível analisar no Gráfico 25 e Gráfico 26 e
26, o gráfico da tensão na carga e no retificador, como também a potência máxima
de saída para uma carga de 97Ω com tensão constante de 5V.
Resultados 92
GRÁFICO 25 – TENSÃO NA CARGA E NO RETIFICADOR PARA R=97Ω
Parâmetros de medição
8
7
Retificador
6
Tensão (V)
5
Carga
4
3
2
1
0
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
Tempo (s)
0.1
0.15
0.2
0.25
GRÁFICO 26 – POTÊNCIA E CORRENTE ATIVA PARA R=97Ω
Parâmetros de medição
0.35
Potencia (W) e Corrente (A)
0.3
Potência
0.25
0.2
0.15
0.1
Corrente
0.05
0
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
Tempo (s)
0.1
0.15
0.2
0.25
Resultados 93
5.2.2 Segunda Medição
Esta aferição teve por objetivo a obtenção do maior valor de potência
adquirido na carga independente do nível de tensão no resistor, referente ao circuito
da Figura 17. Esse critério foi utilizado Rv devido a primeira medição ter sido
considerado os valores máximos de potência apenas para nível de tensão constante
de 5V na carga. Todos os dados apanhados estão descritos nos gráficos a seguir.
Para uma melhor explanação dos resultados, em cada tipo de material foi
formulado gráficos dos valores de potência obtidos em função do resistor Rv de cada
captador, bem como os valores de tensão RMS aferidos nos terminais do secundário
antes do retificador correspondente a cada carga.
Captadores de ferrite
5.2.2.1
Após realizar os ensaios com cada captador de material de Ferrite obteve-se
os seguintes resultados.
GRÁFICO 27 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE – POTÊNCIA NA CARGA
Resultados Experimentais
0.4
Potência (W)
F4
0.3
0.2
0.1
0
0
200
400
600
800 1000 1200
Carga (Ohms)
1400
1600
1800
2000
Potência (W)
0.02
F1
F1.1
F2
F3
0.015
0.01
0.005
0
0
200
400
600
800 1000 1200
Carga (Ohms)
1400
1600
1800
2000
Resultados 94
GRÁFICO 28 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE – TENSÃO RMS NA SAÍDA DO
SECUNDÁRIO
Resultados Experimentais
9
8
F1
F1.1
F2
F3
F4
7
Tensão RMS (V)
6
5
4
3
2
1
0
0
1000
2000
3000
4000 5000 6000
Carga (Ohms)
7000
8000
9000 10000
No Gráfico 27, é possível visualizar os valores de potência obtidos referente
aos valores de Rv dos captadores F1, F1.1, F2, F3 e F4. Embora os ensaios tenham
sido realizados para valores de Rv entre 10Ω e 10KΩ, é visualizado apenas os
níveis de potência para valores de Rv entre 10Ω e 2KΩ, para fins de visualização
dos maiores níveis de potência, em que estes estão localizados entre 10Ω e 100Ω
de carga. Para valores de Rv maiores que 2KΩ, a potência medida tende a diminuir
alcançando valores menores que 100mW para F4 e 12mW para os demais
captadores.
No Gráfico 28 pode ser visto que os níveis de tensão RMS do secundário
diminuem na medida em que os valores de Rv decrescem. Nos captadores F1, F1.1,
F2 e F3 a tensão RMS obtida possui valores quase que constantes para cargas
maiores que 200Ω. Para o F4, essa estabilização só é iniciada a partir de valores
maiores que 3KΩ.
Os valores de tensão e corrente na carga, tensão RMS e tensão de pico
medidos nos terminais do secundário antes do retificador e o valor de Rv no instante
de potência máxima para cada captador, estão descritos na Tabela 17.
Resultados 95
TABELA 17 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE FERRITE
Tipo de
material
Ferrite
Ref.
Resultados
V
V
(rms) (pico)
[V]
V
(Carga)
I
(Carga)
[mA]
P
(Carga)
[mW]
Rv
(Carga)
[Ω]
F1
1,27
2,72
1,0
16,83
16,83
60
F1.1
1,14
2,6
0,8
16,1
12,9
50
F2
1,0
2,01
0,4
10,1
4,0
40
F3
0,48
1,36
0,2
0,34
0,083
10
F4
5,47
7,23
5,025
62,8
315,6
80
Captadores nanocristalinos
5.2.2.2
Para os captadores de energia de material nanocristalino, os resultados
obtidos são os seguintes:
GRÁFICO 29 – CAPTADORES COM NÚCLEO NANOCRISTALINO – POTÊNCIA NA CARGA
Resultados Experimentais
N1
N1.1
N2
0.04
0.02
0
0
200
400
600
800 1000 1200
Carga (Ohms)
1400
1600
1800
2000
-3
3
Potência (W)
Potência (W)
0.06
x 10
N3
N3.1
N4
N4.1
2
1
0
0
200
400
600
800 1000 1200
Carga (Ohms)
1400
1600
1800
2000
Resultados 96
GRÁFICO 30 – CAPTADORES COM NÚCLEO NANOCRISTALINO – TENSÃO RMS NA SAÍDA DO
SECUNDÁRIO
Resultados Experimentais
4
N1
N1.1
N2
N3
N3.1
N4
N4.1
3.5
Tensão RMS (V)
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
1000
2000
3000
4000 5000 6000
Carga (Ohms)
7000
8000
9000 10000
No Gráfico 29, é possível visualizar os valores de potência obtidos referente
aos valores de Rv dos captadores N1, N1.1, N2, N3, N3.1 N4 e N4.1. Embora os
ensaios tenham sido realizados para valores de Rv entre 10Ω e 10KΩ, são
visualizados apenas os níveis de potência para valores de Rv entre 10Ω de 2KΩ,
para fins de visualização dos maiores níveis de potência, em que estes estão
localizados entre 10Ω e 1k4Ω de carga. Para valores de Rv maiores que 100Ω, a
potência medida em N1, N1.1 e N2 tende a diminuir alcançando valores na escala
de microwatts. Nos captadores N3, N3.1, N4 e N4.1 essa escala é alcançada para
valores de Rv maiores que 1K4Ω.
No
GRÁFICO 30,
pode ser visto que os níveis de tensão RMS do secundário diminuem na
medida que os valores de Rv decrescem. Nos captadores N1, N1.1 e N2 a tensão
RMS assumi valores quase que constantes para cargas maiores que 9KΩ . Para o
Resultados 97
N3, N3.1, N4 e N4.1, essa estabilização só é iniciada a partir de valores maiores que
500Ω.
Os valores de tensão e corrente na carga, tensão RMS e tensão de pico
medidos nos terminais do secundário antes do retificador e o valor de Rv no instante
de potência máxima no resistor Rv de carga, são descritos na Tabela 18.
TABELA 18 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES NANOCRISTALINOS
Tipo de material
Nanocristalino
5.2.2.3
Ref.
Resultados
V
V
(rms) (pico)
[V]
V
(Carga)
I
(Carga)
[mA]
P
(Carga)
[mW]
Rv
(Carga)
[Ω]
N1
1.54
3,34
1,6
16,1
25,9
100
N1.1
1,51
3,21
1,53
17
26,1
90
N2
2,03
3,43
1,64
32,9
54
50
N3
0,52
2,41
0,96
0,96
0,93
1K
N3.1
0,79
3,21
1,6
1,2
2
1K3
N4
0,41
1,55
0,06
6,3
0,39
10
N4.1
0,89
2,81
1,4
1,2
1,6
1K2
Captadores de pó de ferro
Para os captadores de energia de material de pó de ferro, os resultados
obtidos são os descritos abaixo.
No Gráfico 31, é possível visualizar os valores de potência obtidos referente
aos valores de Rv dos captadores P3, P4.1e PE. Embora os ensaios tenham sido
realizados para valores de Rv entre 10Ω e 10KΩ, é visualizado os valores de
potência obtidos para Rv entre 10Ω e 300Ω para o captador P3 e entre 10Ω e 100Ω
para P4.1 e PE, apenas para fins de visualização dos maiores níveis de potência.
Esses maiores níveis estão localizados entre 10Ω e 100Ω para os captadores P3,
P4.1 e PE. Para valores de Rv maiores que 100Ω, a potência medida em P3 tende a
diminuir alcançando valores menores que 0,2mW , para PE valores menores que
1µW e menores que 0,5 µW para P4.1.
No Gráfico 32, pode ser visto que os níveis de tensão RMS do secundário
praticamente de todos os captadores obtiveram pequenas variações na ascensão
dos valores de Rv. Para todos os captadores, a tensão RMS assumiu valores quase
que constantes para cargas maiores que 2KΩ.
Resultados 98
GRÁFICO 31 – CAPTADOR COM NÚCLEO DE PÓ DE FERRO – POTÊNCIA NA CARGA
-4
8
Resultados Experimentais
x 10
Potência (W)
P3
6
4
2
0
50
100
150
Carga (Ohms)
200
250
300
-6
Potência (W)
8
x 10
P4.1
PE
6
4
2
0
10
20
30
40
50
60
Carga (Ohms)
70
80
90
100
Resultados 99
GRÁFICO 32 – CAPTADOR COM NÚCLEO DE PÓ DE FERRO – TENSÃO RMS NA SAÍDA DO
SECUNDÁRIO
Resultados Experimentais
0.09
0.085
P3
P4.1
PE
Tensão RMS (V)
0.08
0.075
0.07
0.065
0.06
0
500
1000
1500
Carga (Ohms)
2000
2500
3000
Os valores de tensão e corrente na carga, tensão RMS e tensão de pico
medidos nos terminais do secundário antes do retificador e o valor de Rv no instante
de potência máxima para cada captador, são descritos na Tabela 19.
TABELA 19 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE PÓ DE FERRO
Tipo de
material
Pó de ferro
Ref.
Resultados
V
V
V
(rms)
(pico) (Carga)
[mV]
I
(Carga)
[mA]
P
(Carga)
[mW]
Rv
(Carga)
[Ω]
P3
84,4
17,9
88,9
8,8
0,77
10
P4.1
62,9
12,5
2,4
0,24
0,00058
10
PE
64
15,6
5
0,5
0,0025
10
Resumindo-se, pode ser visualizado no Gráfico 33 e Gráfico 334 os valores
máximos de potência e tensão RMS dos captadores com maior captação de energia
obtidos para cada tipo de material submetidos a cargas de 10Ω a 10KΩ.
Resultados 100
GRÁFICO 33 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE, NANOCRISTALINO E PÓ DE FERRO
– POTÊNCIA NA CARGA
Resultados Experimentais
F4
N2
P3
0.3
Potência (W)
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
500
1000
1500
Carga (Ohms)
2000
2500
3000
GRÁFICO 34 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE, LIGA NANOCRISTALINA E PÓ DE
FERRO – TENSÃO RMS NA SAÍDA DO SECUNDÁRIO
Resultados Experimentais
9
F4
N2
P3
8
7
Tensão RMS (V)
6
5
4
3
2
1
0
0
1000
2000
3000
4000 5000 6000
Carga (Ohms)
7000
8000
9000 10000
Resultados 101
5.2.3
Terceira medição
Esta aferição teve por objetivo a obtenção do maior valor de potência
adquirido na carga independente do nível de tensão no resistor Rv, referente ao
circuito da Figura 18. Neste circuito a carga é conectada diretamente ao secundário
do captador. Os resultados obtidos para cada captador são baseados no valor RMS
da tensão do secundário.
Para uma melhor explanação dos resultados, em cada tipo de material foi
formulado gráficos dos valores de potência obtidos em função do resistor Rv. Esses
gráficos estão descritos abaixo.
5.2.3.1
Captadores de ferrite
O desempenho dos captadores de material de Ferrite após submissão dos
ensaios, obtiveram os seguintes resultados.
Resultados 102
GRÁFICO 35 – CAPTADOR COM NÚCLEO DE FERRITE – POTÊNCIA NA CARGA
Resultados Experimentais
0.6
F4
Potência (W)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
100
200
300
400
500
600
Carga (Ohms)
700
800
900
0.12
F1
F1.1
F2
F3
0.1
Potência (W)
1000
0.08
0.06
0.04
0.02
0
50
100
150
Carga (Ohms)
200
250
300
No Gráfico 35, é possível visualizar os valores de potência obtidos referente
aos valores de Rv dos captadores F1, F1.1, F2, F3 e F4. Embora os ensaios tenham
sido realizados para valores de Rv entre 10Ω e 10KΩ, é mostrado os valores de
potência obtidos para Rv entre 10Ω e 1KΩ para o captador F1 e entre 10Ω e 300Ω
para os demais, apenas para fins de visualização dos maiores níveis de potência.
Para valores de Rv maiores que 1KΩ, a potência medida tende a diminuir
alcançando valores menores que 100mW para o captador F4 e menores que 22 mW
para os demais com Rv maior que 300Ω.
Os valores de tensão e corrente na carga e o valor de Rv no instante de
potência máxima para cada captador são descritos na Tabela 20.
Resultados 103
TABELA 20 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE FERRITE
Tipo de material
Ferrite
Ref.
Resultados
VRMS
I
(Carga)
(Carga)
[V]
[mA]
P
(Carga)
[mW]
Rv
(Carga)
[Ω]
F1
1,086
108,6
118
10
F1.1
1,06
106
112,3
10
F2
0,852
85,2
72,5
10
F3
0,381
38,1
145
10
F4
4,75
0,118
564,5
40
Captadores nanocristalinos
5.2.3.2
Para os captadores de energia de material nanocristalinos, os gráficos
obtidos são os seguintes:
GRÁFICO 36 – CAPTADOR COM NÚCLEO NANOCRISTALINO – POTÊNCIA NA CARGA
Resultados Experimentais
Potência (W)
0.15
N1
N1.1
N2
0.1
0.05
0
200
400
600
800 1000 1200
Carga (Ohms)
1400
1600
1800
2000
Potência (W)
0.03
N3
N3.1
N4
N4.1
0.02
0.01
0
50
100
150
200
250 300 350
Carga (Ohms)
400
450
500
550
600
No Gráfico 36, é possível visualizar os valores de potência obtidos referente
aos valores de Rv dos captadores N1, N1.1, N2, N3, N3.1 N4 e N4.1. Embora os
ensaios tenham sido realizados para valores de Rv entre 10Ω e 10KΩ, é mostrado
Resultados 104
os valores de potência obtidos para Rv entre 10Ω e 2KΩ para os captadores N1,
N1.1 e N2 e entre 10Ω e 600Ω para os demais, apenas para fins de visualização dos
maiores níveis de potência.
Para valores de Rv maiores que 400Ω, a potência
medida em N1, N1.1 e N2 tende a diminuir com valores menores que 50mW. Nos
captadores N3, N3.1, N4 e N4.1 a potência assumi valore menores que 10 mW para
valores de Rv maiores que 100Ω.
Os valores de tensão e corrente na carga e o valor de Rv no instante de
potência máxima são descritos na Tabela 21.
TABELA 21 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE LIGA NANOCRISTALINOS
Tipo de material
Nanocristalino
5.2.3.3
Ref.
Resultados
V
I
(Carga)
(Carga)
[V]
[mA]
P
(Carga)
[mW]
Rv
(Carga)
[Ω]
N1
1,13
113,6
129
10
N1.1
1.15
115,3
132,8
10
N2
1,77
88,8
157,8
20
N3
0,44
44,4
19,7
10
N3.1
0,49
49,7
24,7
10
N4
0,34
34,2
11,7
10
N4.1
0,46
46,6
21,8
10
Captadores de pó de ferro
Para os captadores de energia de material de pó de ferro, os resultados
obtidos são descritos abaixo.
É possível visualizar os valores de potência obtidos referente aos valores de
Rv dos captadores P3, P4.1 e PE. Embora os ensaios tenham sido realizados para
valores de Rv entre 10Ω e 10KΩ, é mostrado os valores de potência obtidos para Rv
entre 10Ω e 100Ω para todos os captadores, apenas para fins de visualização dos
maiores níveis de potência. Os maiores níveis de potência estão localizados entre
10Ω e 30Ω de carga para os todos os captadores. Para valores de Rv maiores que
100Ω, a potência medida nos captadores tende a diminuir alcançando valores
menores que 0,2mW para todos os captadores.
Resultados 105
GRÁFICO 37 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE PÓ DE FERRO – POTÊNCIA NA CARGA
-4
8
Resultados Experimentais
x 10
P3
P4.1
PE
7
Potência (W)
6
5
4
3
2
1
0
10
20
30
40
50
60
Carga (Ohms)
70
80
90
100
Os valores de tensão e corrente na carga e o valor de Rv no instante de
potência máxima para cada captador são descritos na Tabela 22.
TABELA 22 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE PÓ DE FERRO
Tipo de material
Pó de ferro
Ref.
Resultados
V
I
(Carga) (Carga)
[mV]
[mA]
P
(Carga)
[mW]
Rv
(Carga)
[Ω]
P3
85
8,5
0,72
10
P4.1
58
5,8
0,33
10
PE
64
6,4
0,41
10
Um resumo dos dos valores máximos de potência dos núcleos com maior
captação de energia obtidos para cada tipo de material pode ser visualizado no
Gráfico 38.
Resultados 106
GRÁFICO 38 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE, NANOCRISTALINO E PÓ DE FERRO
– POTÊNCIA NA CARGA
Resultados Experimentais
0.8
F4
N2
P3
0.7
Potência (W)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
5.3
100
200
300
400
Carga (Ohms)
500
600
700
COMPROVAÇÃO DOS CÁLCULOS TEÓRICOS ATRAVÉS DE MEDIÇÕES
DE TENSÃO NO CAPTADOR SEM CARGA – ETAPA 3
Nesta etapa, tomando como referência o circuito da Figura 19, foi
inicialmente desenvolvida a aquisição dos dados para a obtenção das formas de
onda no processo de aferição dos valores de tensão no secundário de cada
captador, quando o condutor primário foi submetido a uma corrente de 15A RMS.
Em seguida, este procedimento foi simulado via software com base nos dados
adquiridos na etapa 1. Para
melhor
compreensão,
os
resultados
foram
separadamente divididos por tipo de material como se segue.
5.3.1
5.3.1.1
Captadores de Ferrite
Captador F1.1
O Gráfico 39 referencia-se a medição experimental no terminal secundário.
Resultados 107
GRÁFICO 39 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1.1 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
10
8
6
Tensão (V)
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005
0
0.005
Tempo(s)
0.01
0.015
0.02
0.025
GRÁFICO 40 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1.1 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
10
8
6
Tensão (V)
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 39, em que foi obtido o valor Vrms = 1,72V e Vpico=9,24V.
Resultados 108
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms= 6,69V e Vpico= 9,4V, como referenciado
no Gráfico 40.
As diferenças das formas de onda dos gráficos acima são devido ao efeito
de saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Na Tabela 23 estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
TABELA 23 – RESULTADOS DO CAPTADOR F1.1
Tipo de material
Ref.
Ferrite
F1.1
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
1,72
9,24
Teórico
V
(rms)
[V]
6,69
V
(pico)
9,4
Captador F1
5.3.1.2
O Gráfico 41 referencia-se a medição experimental no terminal secundário.
GRÁFICO 41 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
15
10
Tensão (V)
5
0
-5
-10
-15
0.015
0.02
0.025
Tempo(s)
0.03
0.035
Resultados 109
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 42, em que foi obtido o valor Vrms = 2,31V e Vpico=13,25V.
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms= 7,35V e Vpico= 10,35V como
referenciado no Gráfico 42.
As diferenças das formas de onda dos gráficos acima são devido ao efeito
de saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
NA
Tabela 24 estão descritos os valores dos resultados experimental e teórico.
GRÁFICO 42 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
15
10
Tensão (V)
5
0
-5
-10
-15
0.015
0.02
0.025
Tempo (s)
0.03
0.035
Resultados 110
TABELA 24 – RESULTADOS DO CAPTADOR F1
Tipo de material
Ref.
Ferrite
F1
5.3.1.3
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
2,31
Teórico
V
(rms)
[V]
V
(pico)
7,35
10,35
13,25
Captador F2
O Gráfico 43 referencia-se a medição experimental no terminal secundário.
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 43, em que foi obtido o valor Vrms = 1,14V e Vpico= 3,9V.
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms= 2,8V e Vpico= 3,98V, como referenciado
no Gráfico 44.
As diferenças das formas de onda dos gráficos acima são devido ao efeito
de saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
GRÁFICO 43 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F2 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
5
4
3
Tensão (V)
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005
0
0.005
Tempo(s)
0.01
0.015
0.02
0.025
Resultados 111
GRÁFICO 44 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F2 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
8
6
4
Tensão (V)
2
0
-2
-4
-6
-8
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
Na Tabela 25 estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
TABELA 25 – RESULTADOS DO CAPTADOR F2
Tipo de material
Ref.
Ferrite
F2
5.3.1.4
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
1,14
3,9
Teórico
V
(rms)
[V]
2,8
V
(pico)
3,98
Captador F3
O Gráfico 45 referencia-se a medição experimental no terminal secundário.
Resultados 112
GRÁFICO 45 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F3 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
2.5
2
1.5
Tensão (V)
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005
0
0.005
Tempo(s)
0.01
0.015
0.02
0.025
GRÁFICO 46 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F3 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
2.5
2
1.5
Tensão (V)
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 45, em que foi obtido o valor Vrms = 0,46V e Vpico= 1,85V.
Resultados 113
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms = 1,19V e Vpico= 1,67V como referenciado
no Gráfico 46.
As diferenças das formas de onda dos gráficos acima são devido ao efeito
de saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Na Tabela 26 estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
TABELA 26 – RESULTADOS DO CAPTADOR F3
Tipo de material
Ref.
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
[V]
Ferrite
F3
0,46
5.3.1.5
1,85
Teórico
V
(rms)
V
(pico)
1,19
1,67
Captador F4
O gráfico a seguir referencia-se a medição experimental no terminal
secundário.
GRÁFICO 47 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F4 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
25
20
15
Tensão (V)
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo(s)
0.035
0.04
0.045
0.05
Resultados 114
GRÁFICO 48 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F4 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
25
20
15
10
Tensão (V)
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 47, em que foi obtido o valor Vrms = 8,74V e Vpico= 23.6V.
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms= 17,1V e Vpico= 23,9V, como referenciado
no .
As diferenças das formas de onda dos gráficos são devido ao efeito de
saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Também foi calculado a tensão obtida no entreferro do captador, devido este
ter seu núcleo lâminado com 55 divisões. O resultado está descrito no Gráfico 49.
Resultados 115
GRÁFICO 49 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F4 – RESULTADO TEÓRICO
Resultado Teórico
0.8
0.6
0.4
Tensão (V)
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
A tensão total de saída teórico é a soma de Vrms = 23,9 V e Vrms = 0,6V.
Na Tabela 27, estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
TABELA 27 – RESULTADOS DO CAPTADOR F4
Tipo de material
Ref.
Ferrite
F4
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
8,74
23,6
Teórico
V
(rms)
[V]
17,32
V
(pico)
24,5
Todos os resultados para os captadores de ferrite estão descritos na Tabela
28.
Resultados 116
TABELA 28 – RESULTADOS DOS CAPTADORES DE FERRITE
Tipo de material
Ferrite
Ref.
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
[V]
Teórico
V
(rms)
V
(pico)
F1.1
1,72
9,24
7,66
10,78
F1
2,31
13,25
8,4
11,84
F2
1,14
3,9
2,29
3,22
F3
0,46
1,85
1,19
1,67
F4
8,74
23,6
17,32
24,5
5.3.2 Captadores Nanocristalinos
5.3.2.1 Captador N1.1
O Gráfico 50 referencia-se a medição experimental no terminal secundário.
GRÁFICO 50 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N1.1 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
60
40
Tensão (V)
20
0
-20
-40
-60
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo(s)
0.035
0.04
0.045
0.05
Resultados 117
GRÁFICO 51 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N1.1 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
50
40
30
Tensão (V)
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 50
Gráfico 39, em que foi obtido o valor Vrms = 5,28V e Vpico= 56,28V.
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms = 28,2V e Vpico = 39,9V, como
referenciado no Gráfico 51.
As diferenças das formas de onda dos gráficos são devido ao efeito de
saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Também foi calculado a tensão obtida no entreferro do captador, devido este
ter seu núcleo lâminado com 152 divisões. O resultado está descrito no Gráfico 52.
A tensão total de saída teórico é a soma de Vrms = 39,9 V e Vrms = 0,15V.
Resultados 118
Gráfico 52 – Tensão de saída do captador N1.1 – resultado Teórico
Resultado Teórico
0.2
0.15
0.1
Tensão (V)
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
Na Tabela 29 estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
TABELA 29 – RESULTADOS DO CAPTADOR N1.1
Tipo de material
Ref.
Nanocristalino
N1.1
5.3.2.2
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
5,28
56,28
Teórico
V
(rms)
[V]
V
(pico)
28,31
40,05
Captador N1
O Gráfico 53, referencia-se a medição experimental no terminal secundário.
Resultados 119
GRÁFICO 53 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N1 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
60
40
Tensão (V)
20
0
-20
-40
-60
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo(s)
0.035
0.04
0.045
0.05
GRÁFICO 54 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N1 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
50
40
30
Tensão (V)
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 53
Resultados 120
Gráfico 39, em que foi obtido o valor Vrms = 5,16V e Vpico= 52,11V.
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms = 28,2V e Vpico = 39,9V, como
referenciado no Gráfico 54.
As diferenças das formas de onda dos gráficos são devido ao efeito de
saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Também foi calculado a tensão obtida no entreferro do captador, devido este
ter seu núcleo laminado com 152 divisões. O resultado está descrito no Gráfico 55.
A tensão total de saída teórico é a soma de Vrms = 39,9 V e Vrms = 0,15V.
GRÁFICO 55 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N1.1 – RESULTADO TEÓRICO
Resultado Teórico
0.2
0.15
0.1
Tensão (V)
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
Na Tabela 30 estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
Resultados 121
TABELA 30 – RESULTADOS DO CAPTADOR N1
Tipo de material
Ref.
Nanocristalino
N1
5.3.2.3
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
5,16
52,11
Teórico
V
(rms)
[V]
V
(pico)
28,31
40,05
Captador N2
O Gráfico 56 referencia-se a medição experimental no terminal secundário.
GRÁFICO 56 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N2 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
30
20
Tensão (V)
10
0
-10
-20
-30
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005
0
0.005
Tempo(s)
0.01
0.015
0.02
0.025
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 56
Gráfico 39, em que foi obtido o valor Vrms = 4,61V e Vpico= 26,15V.
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms = 18,92V e Vpico = 26,62V, como
referenciado no Gráfico 57.
As diferenças das formas de onda dos gráficos são devido ao efeito de
saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Resultados 122
Também foi calculado a tensão obtida no entreferro do captador, devido este
ter seu núcleo laminado com 152 divisões. O resultado está descrito no Gráfico 58.
GRÁFICO 57 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N2 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
30
20
Tensão (V)
10
0
-10
-20
-30
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
Resultados 123
GRÁFICO 58 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N2 – RESULTADO TEÓRICO
Resultado Teórico
0.1
0.08
0.06
Tensão (V)
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
-0.1
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
A tensão total de saída teórico é a soma de Vrms = 26,62 V e Vrms = 0,1V.
Na Tabela 31 estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
TABELA 31 – RESULTADOS DO CAPTADOR N2
Tipo de material
Ref.
Nanocristalino
N2
5.3.2.4
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
4,61
26,15
Teórico
V
(rms)
[V]
V
(pico)
18,92
26,63
Captador N3
O Gráfico 59 referencia-se a medição experimental no terminal secundário.
Resultados 124
GRÁFICO 59 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N3 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
15
10
Tensão (V)
5
0
-5
-10
-15
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo(s)
0.035
0.04
0.045
0.05
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 59
Gráfico 39, em que foi obtido o valor Vrms = 0,89V e Vpico= 11,72V.
Resultados 125
GRÁFICO 60 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N3 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
8
6
4
Tensão (V)
2
0
-2
-4
-6
-8
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
GRÁFICO 61 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N3 – RESULTADO TEÓRICO
Resultado Teórico
0.04
0.03
0.02
Tensão (V)
0.01
0
-0.01
-0.02
-0.03
-0.04
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
Resultados 126
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms = 6,57V e Vpico = 4,69V, como
referenciado no Gráfico 60.
As diferenças das formas de onda dos gráficos acima são devido ao efeito
de saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Também foi calculado a tensão obtida no entreferro do captador, devido este
ter seu núcleo laminado com 152 divisões. O resultado está descrito no Gráfico 61.
A tensão total de saída teórico é a soma de Vrms = 6,57 V e Vrms = 0,03V.
Na Tabela 32 estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
TABELA 32 – RESULTADOS DO CAPTADOR N3
Tipo de material
Ref.
Nanocristalino
N3
5.3.2.5
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
0,89
11,72
Teórico
V
(rms)
[V]
4,69
V
(pico)
6,57
Captador N3.1
O Gráfico 62, referencia-se a medição experimental no terminal secundário.
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no Gráfico 62,
em que foi obtido o valor Vrms =1,7 V e Vpico= 26,5 V.
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms = 9,16V e Vpico= 12,83 V, como
referenciado no Gráfico 63.
As diferenças das formas de onda dos gráficos são devido ao efeito de
saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Resultados 127
GRÁFICO 62 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N3.1 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
30
20
Tensão (V)
10
0
-10
-20
-30
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo(s)
0.035
0.04
0.045
0.05
GRÁFICO 63 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N3.1 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
15
10
Tensão (V)
5
0
-5
-10
-15
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
Resultados 128
Também foi calculado a tensão obtida no entreferro do captador, devido este
ter seu núcleo laminado com 152 divisões. O resultado está descrito no Gráfico 64.
A tensão total de saída teórico é a soma de Vrms = 12,83 V e Vrms = 0,06V.
GRÁFICO 64 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N3.1 – RESULTADO TEÓRICO
Resultado Teórico
0.08
0.06
0.04
Tensão (V)
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
Na tabela abaixo estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
TABELA 33 – RESULTADOS DO CAPTADOR N3.1
Tipo de material
Ref.
Nanocristalino
N3.1
5.3.2.6
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
1,7
26,5
Teórico
V
(rms)
[V]
V
(pico)
9,16
12,89
Captador N4
O Gráfico 65, referencia-se a medição experimental no terminal secundário.
Resultados 129
GRÁFICO 65 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N4 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
10
8
6
Tensão (V)
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo(s)
0.035
0.04
0.045
0.05
GRÁFICO 66 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N4 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
8
6
4
Tensão (V)
2
0
-2
-4
-6
-8
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 65
Resultados 130
Gráfico 39, em que foi obtido o valor Vrms = 0,77V e Vpico= 9,77V.
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms = 4,55V e Vpico = 6,38V, como
referenciado no Gráfico 67.
As diferenças das formas de onda dos gráficos são devido ao efeito de
saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Também foi calculado a tensão obtida no entreferro do captador, devido este
ter seu núcleo laminado com 152 divisões. O resultado está descrito no Gráfico 67.
A tensão total de saída teórico é a soma de Vrms = 6,38V e Vrms = 0,05V.
GRÁFICO 67 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N4 – RESULTADO TEÓRICO
Resultado Teórico
0.06
0.04
Tensão (V)
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
Na Tabela 34 estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
Resultados 131
TABELA 34 – RESULTADOS DO CAPTADOR N4
Tipo de material
Ref.
Nanocristalino
N4
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
0,77
9,77
Teórico
V
(rms)
[V]
4,55
V
(pico)
6,43
Captador N4.1
5.3.2.7
O Gráfico 68, referencia-se a medição experimental no terminal secundário.
GRÁFICO 68 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N4.1 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
30
20
Tensão (V)
10
0
-10
-20
-30
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo(s)
0.035
0.04
0.045
0.05
Resultados 132
GRÁFICO 69 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N4.1 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
20
15
10
Tensão (V)
5
0
-5
-10
-15
-20
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 68
Gráfico 39, em que foi obtido o valor Vrms = 2,14V e Vpico= 24,52V.
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms = 13,6V e Vpico = 19,05V, como
referenciado no Gráfico 69.
As diferenças das formas de onda dos gráficos são devido ao efeito de
saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Também foi calculado a tensão obtida no entreferro do captador, devido este
ter seu núcleo lâminado com 152 divisões. O resultado está descrito no Gráfico 59.
A tensão total de saída teórico é a soma de Vrms = 19,05V e Vrms = 0,17V.
Resultados 133
GRÁFICO 70 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N4.1 – RESULTADO TEÓRICO
Resultado Teórico
0.2
0.15
0.1
Tensão (V)
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025 0.03
Tempo (s)
0.035
0.04
0.045
0.05
Na Tabela 35 estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
TABELA 35 – RESULTADOS DO CAPTADOR N4.1
Tipo de material
Ref.
Nanocristalino
N4.1
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
2,14
24,52
Teórico
V
(rms)
[V]
V
(pico)
15,55
19,22
Na Tabela 36, encontra-se um resumo dos resultados para os captadores
nanocristalinos.
Resultados 134
TABELA 36 – RESULTADOS DOS CAPTADORES NANOCRISTALINOS
Tipo de material
Nanocristalino
Ref.
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
Teórico
V
(rms)
[V]
V
(pico)
N1.1
5,16
52,11
28,31
40,05
N1
5,16
52,11
28,31
40,05
N2
4,61
26,15
18,92
26,63
N3
0,89
11,72
4,69
6,57
N3.1
1,7
26,5
9,16
12,89
N4
0,77
9,77
4,55
6,43
N4.1
2,14
24,52
15,55
19,22
Captadores de Pó de Ferro
5.3.3
Captador P3
5.3.3.1
O Gráfico 67, referencia a medição experimental no terminal secundário.
GRÁFICO 71 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P3 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
0.15
0.1
Tensão (V)
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.1
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
Tempo(s)
0.04
0.06
0.08
0.1
Resultados 135
GRÁFICO 72 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P3 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
0.2
0.15
0.1
Tensão (V)
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
-0.1
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
Tempo (s)
0.04
0.06
0.08
0.1
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 71, em que foi obtido o valor Vrms = 89,6mV e Vpico= 140,6mV.
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms = 130mV e Vpico= 188mV como
referenciado no Gráfico 68.
As diferenças das formas de onda dos gráficos acima são devido ao efeito
de saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Na Tabela 37 estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
TABELA 37 – RESULTADOS DO CAPTADOR P3
Tipo de material
Ref.
Pó de ferro
P3
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
89,6
140,6
Teórico
V
(rms)
[mV]
130
V
(pico)
188
Resultados 136
Captador P4.1
5.3.3.2
O gráfico a seguir referencia-se a medição experimental no terminal
secundário.
GRÁFICO 73 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P4.1 – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
0.15
0.1
Tensão (V)
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.1
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
Tempo(s)
0.04
0.06
0.08
0.1
Resultados 137
GRÁFICO 74 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P4.1 – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
0.1
0.08
0.06
Tensão (V)
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
-0.1
-0.1
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
Tempo (s)
0.04
0.06
0.08
0.1
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 73, em que foi obtido o valor Vrms = 61mV e Vpico= 100,7mV.
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms = 64,1mV e Vpico= 89,8mV, como
referenciado no Gráfico 74.
As diferenças das formas de onda dos gráficos acima são devido ao efeito
de saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Na Tabela 38 estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
Resultados 138
TABELA 38 – RESULTADOS DO CAPTADOR P4.1
Tipo de material
Ref.
Pó de ferro
P4.1
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
61
100,7
Teórico
V
(rms)
[mV]
64,1
V
(pico)
89,8
Captador PE
5.3.3.3
O Gráfico 75, referencia-se a medição experimental no terminal secundário.
GRÁFICO 75 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR PE – RESULTADO EXPERIMENTAL
Resultados Experimentais
0.15
0.1
Tensão (V)
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005
0
0.005
Tempo(s)
0.01
0.015
0.02
0.025
Resultados 139
GRÁFICO 76 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR PE – RESULTADO TEÓRICO
Resultados Teóricos
0.15
0.1
Tensão (V)
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005
0
0.005
Tempo (s)
0.01
0.015
0.02
0.025
No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no
Gráfico 75, em que foi obtido o valor Vrms = 44,1mV e Vpico= 53,3mV.
No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no
terminal primário, foi possível obter Vrms = 78,7mV e Vpico = 111mV como
referenciado no Gráfico 76.
As diferenças das formas de onda dos gráficos acima são devido ao efeito
de saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.
Na Tabela 39 estão descritos os valores dos resultados experimental e
teórico.
TABELA 39 – RESULTADOS DO CAPTADOR PE
Tipo de material
Ref.
Pó de ferro
PE
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
44,1
53,3
Teórico
V
(rms)
[mV]
78,7
V
(pico)
111
Resultados 140
Todos os resultados obtidos para os captadores de pó de ferro estão
descritos na Tabela 40.
TABELA 40 – RESULTADOS DOS CAPTADORES DE PÓ DE FERRO
Tipo de material
Pó de ferro
Ref.
Experimental
V
V
(rms)
(pico)
Teórico
V
(rms)
[mV]
V
(pico)
P3
89,6
140,6
130
188
P4.1
61
100,7
64,1
89,8
PE
44,1
53,3
78,7
111
141
6
CONCLUSÃO
142
6
CONCLUSÃO
Neste trabalho foram apresentados estudos teóricos e proposições
experimentais referentes a um protótipo de um sistema de captação de energia por
dispersão magnética em linha de potência de uma rede elétrica. Esses estudos e
proposições tiveram por base, testes com captadores baseados em núcleos
toroidais, com características diferentes, sendo que 5 destes são de ferrite, 7
nanocristalino e 3 de pó de ferro, com a finalidade de obtenção do maior nível de
potência.
O protótipo consiste de uma planta piloto utilizada para emular as altas
correntes da linha de distribuição e de um circuito de condicionamento de potência
para a retificação e filtragem da energia captada. Para tanto, este processo foi
dividido em três etapas.
A primeira etapa teve por objetivo, a determinação dos parâmetros
magnéticos de cada captador de energia. Para os núcleos de ferrite, o captador
referenciado como F4, obteve o maior valor de permeabilidade magnética relativa,
força coerciva, densidade de fluxo residual e densidade de fluxo de saturação,
porém foi constatado o núcleo com maiores perdas, devido ter a área do laço B x H
maior que os demais. Para os captadores nanocristalinos, ambos obtiveram a
mesma permeabilidade magnética relativa com valores de Br e Hc bem próximos
uns dos outros, sendo que o captador N2 obteve a maior densidade de fluxo de
saturação. Para os captadores de pó de ferro, o P3 obteve melhor desempenho por
apresentar a maior permeabilidade magnética relativa, consequentemente a maior
densidade de fluxo de saturação. Comparando-se os captadores de melhor
desempenho de cada tipo de material (F4, N2 e P3) submetidos a testes em
questões de desempenho de captação de fluxo, o captador F4 de ferrite foi o de
maior destaque, embora este tenha permeabilidade magnética inferior ao N2.
A segunda etapa teve por resultados os níveis de potência obtidos no
processo de captação de energia. Mesmo os núcleos nanocristalinos obtendo os
maiores níveis de permeabilidade magnética relativa, o núcleo de ferrite F4 obteve
os níveis de potência mais elevados dentre todos os tipos de núcleo em teste. Os
núcleos de pó de ferro obtiveram resultados relativamente baixos com valores de
potência na escala de microwatts a nanowatts. Os núcleos nanocristalinos
143
mostraram possuir excelente captação de campo magnético, porém a sua saturação
ocorre para pequenos valores de corrente. Quando submetidos a altas correntes,
seu valor de tensão RMS na saída do secundário é pequeno devido o sinal medido
ter uma pequena área decorrente a saturação do núcleo. Ainda para esses núcleos,
foi constatado nos experimentos que quando o condutor secundário é submetido a
cargas com valores baixos, a corrente que circula na carga gera um contra fluxo no
núcleo reduzindo assim a tensão de saída no secundário.
De acordo com os ensaios, foi constatado que os núcleos magnéticos
fornecem um maior nível de tensão quando estão em sua região de saturação inicial.
Quando se encontram em um estágio de saturação muito elevado, sua tensão de
saída é reduzida, causando uma diminuição no fornecimento de energia. Essa
situação só foi vista nos captadores nanocristalinos.
Nos experimentos, alguns núcleos como as mesmas dimensões foram
bobinados com o mesmo número de voltas, porém com fios de espessuras
diferentes. Em condições iguais de testes, foi verificado que os núcleos obtiveram o
mesmo nível de tensão.
Em outros ensaios, núcleos assimétricos foram bobinados um com número
de voltas elevado, porém com um fio fino e outros com um número de voltas baixo,
porém com um fio grosso. Foi observado que o captador com o número de voltas
elevado obteve melhor captação bem acima do que o núcleo com fio de bitola mais
grossa.
Portanto, para o sistema proposto foi possível fornecer uma potência
máxima de até 315 mW com tensão de 5 Vcc para uma carga de 80Ω com o uso de
um retificador e um capacitor de filtro. Para cargas conectadas diretamente no
terminal secundário do captador foi possível obter uma potência de até 564,5 mW
com tensão 4,75 VRMS para uma carga de 40Ω.
Enfim, conclui-se que o uso de captadores de material de ferrite é mais
viável, pois estes não saturam tão rápido como os captadores de material
nanocristalino devido possuir uma alta permeabilidade magnética relativa e também
não são tão insensíveis a captação de fluxo como os materiais de pó de ferro por
possuírem uma baixa permeabilidade magnética relativa.
144
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APÊNDICE 1
Apêndice 1 148
APÊNDICE 1 - CÓDIGO RESPONSAVEL POR O MODELAMENTO DOS DADOS
AQUISITADO EM OSCILOSCOPIO PARA A DETERMINAÇÃO
DAS CARACTARISTICAS MAGNÉTICAS DOS CAPTADORES
clear all; %zera todas a variáveis
path='C:\Users\Tarcisio\Dropbox\Tarcísio_Protásio_Yuri\TESTES\Dados
colhidos\LAÇOBH\N2\'; % Diretório para upload dos arquivos
cont=0;
%////////////ESPECIFICAÇÕES DO CIRCUITO E DA BOBINA/////////////////
ht=0.0044;%ht é a espessura total do núcleo
w=0.01035;%w é a altura total do núcleo
r1=0.0225;% r1 é o raio inicial para a primeira lamina
N1=75;%N1 é o número de espiras do primário
N2=58;%N2 é o número de espiras do secundário
L=155; %L é o número de lâminas
A=ht*w; % cálculo da area do núcleo
h=ht/L; %cálculo da largura de cada lamina
S=0.0000006;%largura da isolação entre cada lamina
u0=4*pi*10^-7; %permeabilidade do ar
C1=1*10^-6; % Capacitor C1 de realimentação do integrador
R6=1*10^3; % resistor R6 na entrada inversora do integrador
Rm = 400; %Resitor de medição
%////////////DADOS DO CÓDIGO E DAS AMOSTRAS REALIZADAS/////////////////
n =28; %é o número de arquivos de amostras
N = 2000; % número de amostras por arquivo
%//////////LAÇO PARA O CARREGAR TODOS AS AMOSTRAS COLHIDAS///////////////
for i=1:n; %laço para carregar arquivo por arquivo da pasta e extrair os
%valores maximos de cada laço colhido
file=strcat(path,'scope_',num2str(i-1),'.csv'); % lê o arquivo
scope_(i).csv, onde
%i indica o número do nome do arquivo
D = importdata(file,',',2); % importa os dados do arquivo que estão
%separados por virgula sendo que a leitura é feita apartir da
%terceira linha. O 2 simboliza que a leitura pula as duas linhas
iniciais
%e começa da terceira. ESSE COMANDO (pular duas linhas)FOI UTiLIZADO
%PORQUE AS DUAS PRIMEIRAS LINHAS DO ARQUIVO SÃO TEXTO E ESTE COMANDO SÓ
%LER DADOS NUMERICOS
%A é uma matriz 2000x4 chamada data
Apêndice 1 149
vetor1=D.data(1:N,2); %VT é um vetor que recebe os elementos da
%da segunda coluna da matriz DATA correspondente a corrente do
%primário do toroide
vetor2=D.data(1:N,3);%V0 é um vetor que recebe os elementos da
%da terceira coluna da matriz DATA correspondente a tensão de
%saída do integrador de miller
VT(i)=max(vetor1);% b é um vetor formado por os valores maximos dos
% laços de histerese colhidos na medição correspondente a corrente no
% primário do toroide
V0(i)=max(vetor2);% c é um vetor formado por os valores maximos dos
% laços de histerese colhidos na medição correspondente a tensão
% de saída do integrador de miller
%plot(VT,V0);
%clear A;
%////////////////////CALCULO DO CIRCUITO/////////////////////
Ipmax=(VT(i)/Rm); %Calculo da corrente do primário para plotar
% a curva de magnetização. VT foi dividido por Rm, pois se trata
%do valor do resistor em que a tensão foi colhida.
Ip=(vetor1/Rm); %cálculo da corrente do primário para plotar
% o laço BxH. vetor1 foi dividido por Rm pois se trata do valor do
resistor
%onde a tensão foi colhida.
r(i)=r1+(i-1)*(h+S); % Calculo da raio de cada lamina
l=2*pi*r(i); % comprimento médio do núcleo
%////////////// CALCULO DA INTENSIDADE E DENSIDADE /////////////
H=(N1*Ip)/l; % intensidade do campo magnético
B=((C1*R6)/(N2*A))*vetor2; % densidade do campo magnético
Hmax(i)=(N1*Ipmax)/l; % intensidade do campo magnético MÁXIMO
Bmax(i)=((C1*R6)/(N2*A))*V0(i); % densidade do campo magnético MÁXIMA
%//////////////// PERMEBILIDADE RELATIVA ///////////////////
ur(i)=(B(i+1)-B(i))/((H(i+1)-H(i))*u0);%permebilidade relativa
%com relação a dB/dh
ur2(i)=Bmax(i)/(Hmax(i)*u0);%%permebilidade relativa
%com relação cada ponto de b e h
um=ur*u0; %permeabilidade do material
%////////// FLUXO MAGNÉTICO /////////////
Fi=B*A; %Fi é o fluxo magnético, B é a desnsidade e A é a area
Apêndice 1 150
%///////// CÁLCULO DA MÉDIA ///////////////////////
Passo = 15; % Número de amostras sequenciais que serão utilizadas para
o cálculo da média local
z = 1;
for m = N+1:1:N+1+Passo, H(m)=H(N); B(m)=B(N); end % Completar passos
finais (Erro se não o fizer)
for k = 1:Passo:N % Varrer todo o arquivo
H_med(z) = 0;
B_med(z) = 0;
for m = k:1:k+Passo % Média do Passo
H_med(z) = H(m) + H_med(z);
B_med(z) = B(m) + B_med(z);
end
H_med(z) = H_med(z)/Passo;
B_med(z) = B_med(z)/Passo;
z = z + 1;
end
%////////////////////// CURVAS H x B ////////////////////////////
%//Pontos da Curva de magnetização considerando a média de H //////
[H_med_max(i), I_max] = max(H_med); % I_max é o índice do valor
%máximo de H
B_med_max(i) = B_med(I_max);
%//Pontos da Curva de magnetização considerando a média de B //////
[B_med_max2(i), I_max] = max(B_med); % I_max é o índice do valor máximo
de B
H_med_max2(i) = H_med(I_max);
%*******************************************************
% Cálculo do ponto inicial de saturação
N_med = length(H_med);
%O ponto inicial de saturação é o ponto em que a derivada dB/dH é
%mínimo, ou seja, não há praticamente variação de B (dB ~ 0)
for k = 2:1:N_med
% Considerando somente o 1º quadrante (H e B positivos), pois é
% neste quadrante que queremos plotar a saturação
if (H_med(k) > 0) & (B_med(k) > 0)
% ur_med(k) = dB/dH em cada ponto k
ur_med(k) =(B_med(k)-B_med(k-1))/((H_med(k)-H_med(k-1))*u0);
else
% Aqui, se fora do 1º quadrante, colocamos o valor máximo
% possível, pois o importante é o valor mínimo
ur_med(k) = +inf;
end
end
Apêndice 1 151
% Computação do valor mínimo de dB/dH = ur_med(k)
[ur_med_max, I_min] = min(ur_med);
% I_min é o índice do ponto de saturação
H_med_sat(i) = H_med(I_min);
B_med_sat(i) = B_med(I_min);
ur_sat(i) =B_med_sat(i)/(H_med_sat(i)*u0);
end
%/PLOTAR CURVA DE MAGNETIZAÇÃO: CONSIDERANDO PONTO DE SATURAÇÃO COMPUTADO//
plot(H_med_sat, B_med_sat,'b-','LineWidth',2);grid on; hold off
axis([0 70 0 1.8]);
title('Resultados Experimentais'), xlabel('Intensidade
(A/m)'),ylabel('Densidade (T)');
%////////////////AJUSTE DE CURVA DA PERMEABILIDADE///////////////////
if cont==1 %Condição para entrar no ajuste de curcva. Se cont==1 não
%executa. Se cont==0 executa
p=polyfit(H_med_sat,B_med_sat,10);
xp= linspace(0,60); %este vetor foi criado apenas para o calculo do
%ajuste de curva ter um eixo x de referencia, ou seja, xp estar
%representando a intesidade H.
z=polyval(p,xp); %este vetor representa os novos pontos das coordenadas
% da densidade B ja ajustados
plot(H_med_sat,B_med_sat,'r-*',xp,z,'LineWidth',2)
%plot(xp,z,'LineWidth',2)
axis([-1 60 0 1]); %mostra a resolução do sinal para o plot do grafico
grid on;
title('Resultados Experimentais'), xlabel('Intensidade
(A/m)'),ylabel('Densidade (T)');
end
APÊNDICE 2
Apêndice 2 153
APÊNDICE 2 - CÓDIGO RESPONSÁVEL POR O MODELAMENTO DOS DADOS
QUE FORAM FEITOS A AQUISIÇÃO EM OSCILOSCOPIO PARA A
DETERMINAÇÃO DOS VALORES DE POTÊNCIA NA CARGA DO
CCD
clear all; %zera todas a variáveis
cont=0;
m=5; %m é o número de diretórios
n=27; %é o número de amostras colhidos
R=[10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
1200 1300 1400 1500 2000 3000 10000];% Este vetor
% é formado por os valores dos resitores de carga que foram realizados os
% testes
%//////////////////////// ENDEREÇAMENTO DO DIRETÓRIO/////////////////
%Este laço direciona as pastas que contem os arquivos de extensão .csv
%que necessitam ser abertos. Quando todos os arquivos da pasta forem
%forem lidos, este laço seleciona a próxima pasta para a leitura
%de novos arquivos de extensão .csv
for j=1:m
switch cont
case 0
path='C:\Users\Tarcisio\Desktop\T1\TESTES\Testes
CCD\Ferrite\F1\F1CCD\';
case 1
path='C:\Users\Tarcisio\Desktop\T1\TESTES\Testes
CCD\Ferrite\F1.1\F1.1CCD\';
case 2
path='C:\Users\Tarcisio\Desktop\T1\TESTES\Testes
CCD\Ferrite\F2\F2CCD\';
case 3
path='C:\Users\Tarcisio\Desktop\T1\TESTES\Testes
CCD\Ferrite\F3\F3CCD\';
otherwise
path='C:\Users\Tarcisio\Desktop\T1\TESTES\Testes
CCD\Ferrite\F4\F4CCD\';
end
Pmax=0;
%//////////////////////// CARREGAR ARQUIVOS///////////////////
%Laço para carregar arquivo por arquivo da pasta selecionada por o laço
% anterior e extrair os valores médios de cada laço colhido.
for i=1:n; %laço para carregar arquivo por arquivo da pasta e extrair os
%valores maximos de cada laço colhido
s=strcat('scope_',num2str(i-1),'.csv'); % lê o arquivo scope_(i).csv,
onde
%i indica o número do nome do arquivo
file=strcat(path,s);
Apêndice 2 154
A = importdata(file,',',2); % importa os dados do arquivo que estão
%separados por virgula sendo que a leitura é feita a partir da
%terceira. o 2 simboliza que a leitura pula as duas linhas iniciais
%e começa da terceira. ESSE COMANDO (pular duas linhas)FOI UTLIZADO
%PORQUE AS DUAS PRIMEIRAS LINHAS DO ARQUIVO SÃO TEXTO, E ESTE COMANDO
%SÓ LER DADOS NUMERICOS. A é uma matriz 2000x4 chamada data
VoltR=A.data(1:2000,2); %VT é um vetor que recebe os elementos da
%da segunda coluna da matriz DATA correspondente a corrente do
%primário do toroide
clear A;
%///////////////////////CÁLCULO DA CORRENTE E DA POTÊNCIA NA CARGA////////
Ip(i)=median(VoltR)/R(i); %Corrente calculada com base no valor médio do
% sinal dc da tensão na carga
P(i)=median(VoltR)*Ip(i);%Potência calculada com base no valor médio do
% sinal dc da tensão na carga
%//// ESSA CONDIÇÃO DETERMINA OS VALORES DO RESITOR DE CARGA, A TENSÃO E A
CORRENTE NA CARGA QUANDO A POTÊNCIA É MAXIMA.
if P(i)>Pmax % Compara sempre o estado atual de P com relação ao seu
próximo valor
clear Pmax V I Res Núcleo
Pmax=P(i);
V=median(VoltR);
I=Ip(i);
Res=R(i);
end
end
% Mostra no command window do software os valores alistados abaixo
Núcleo=j
Pmax
V
I
Res
%///////////////////////////PLOT DOS GRÁFICOS///////////////////////
switch cont % Este comando executa o plot de cada valor de potência
% media em função da carga
case 0
subplot(212),plot(R,P,'b-'); % comando para plotar dois graficos em
uma mesma tela
case 1
subplot(212),plot(R,P,'r-.');
case 2
subplot(212),plot(R,P,'k-x');
case 3
subplot(212),plot(R,P,'m-*');
axis([0 2000 0 0.020]);
legend('F1','F1.1','F2','F3')
Apêndice 2 155
xlabel('Carga (Ohms)'),ylabel('Potência (W)');
otherwise
subplot(211),plot(R,P,'g--');
axis([0 2000 0 0.4]);
legend('F4')
title('Resultados Experimentais'),xlabel('Carga
(Ohms)'),ylabel('Potência (W)');
end
hold on; % executa o comando plot de todos os graficos na mesma janela
cont=cont+1; % variável que controla o comando CASE
Pmax_2(j)=max(P); % vetor responsavel por armazenar os maiores valores
%maximos de potência de cada amostra, ou seja, de cada núcleo
% text(80,Pmax_total,'\leftarrow 317mW','HorizontalAlignment','left')
end
Pmax_2
Pmax_total=max(Pmax_2)% variável responsavel por armazenar o maior valor
% de potência captada dos núcleos em teste.
156
APÊNDICE 3
Apêndice 3 157
APÊNDICE 3 - CÓDIGO PARA OBTENÇÃO DO VALOR DE TENSÃO DE SAÍDA
AFERIDO NO TERMINAL SECUNDARIO DO CAPTADOR SEM
CARGA
ht=0.00175;%ht é a espessura total do núcleo
w=0.004;%w é a altura total do núcleo
rL=0.0155;% r1 é o raio inicial para a primeira lamina
N2=77;%N1 é o número de espiras do primário
A=ht*w; % cálculo da area do núcleo
L=152;%numero de laminas
h=ht/L; %cálculo da espesura de cada lamina
S=0.0000001;%espessura da isolação entre cada lamina
I=15;%corrente do primário atribuida para os testes e a simulação
F=60; % frequencia em Hz
W = 2*pi*F; % frequencia angular
ur=172780; %permebilidae relativa
t=linspace(0,0.05); %vetor tempo. Mesmo valores usados no experimento
u0=4*pi*10^-7; %permeabilidade do ar
um=ur*u0; % calculo para permeabilidade do material
P=151;%numero de materiais isolantes entre as laminas
FT=0; % Fluxo Total inicialmente igual a zero
for j = 1:1:P % laço que começa em 1, incrementando 1 por vez até L que é o
numero de laminas
r(j)=rL+h+(j-1)*(S+h); % Calculo da raio de cada lamina
fi(j)=((um*w*I*W)/(2*pi))*(log((r(j)+S)/r(j))); % calculo da derivada do
fluxo em uma lamina
Vi(j)=-N2*fi(j); % calculo da tensão de saída correspondente a cada lamina
FT=fi(j)+FT; % Fluxo total da bobina
end
Vs=-N2*FT*cos(W*t); % Vs é a tensão de saida, n numero de espiras do
secundario
plot(t,Vs);
%axis([-0.025 0.025 -0.8 0.8]);
xlabel('Tempo (s)'),ylabel('Tensão (V)')
title('Resultado Teórico');