Comportamento das perdas por histerese em dispositivos eletromagnéticos sob regime de alimentação PWM

Abstract

A presente tese de doutorado tem como objetivo investigar o comportamento de materiais ferromagnéticos, especialmente a formação de laços menores de magnetização, ao excitar dispositivos eletromagnéticos com formas de onda de tensão pulsadas. É abordado o desenvolvimento de testes para avaliação de dispositivos eletromagnéticos alimentados com tensão do tipo PWM (Pulse Width Modulation), em vazio e transferindo energia da fonte para uma carga. O trabalho apresenta um levantamento bibliográfico sobre perdas em materiais ferromagnéticos moles sob excitações na forma de onda senoidal, trapezoidal e PWM, e um estudo de trabalhos que tratam das perdas sob regimes de excitação que formam ou não laços internos de magnetização. Um dispositivo de testes é definido e ensaios experimentais são realizados, comparando bancadas de ensaios de caracterização magnética dos materiais empregados, efetuando separação de perdas sob regime de excitação senoidal e realizando ensaios com excitação PWM do tipo a três níveis com o dispositivo operando em vazio e transferindo energia para uma carga. O comportamento de dispositivos com diferentes valores de resistência do enrolamento primário, do número de espiras e caminho magnético é avaliado sob o aspecto do surgimento e tamanho de laços menores de magnetização, e consequentemente da evolução das perdas magnéticas, em função de aspectos da forma de onda da tensão de alimentação. Um dispositivo com núcleo confeccionado com um material do tipo SMC (Soft Magnetic Composite) é avaliado sob o regime de alimentação PWM a três níveis em vazio e transferindo energia para uma carga, evidenciando a contribuição da permeabilidade magnética do material nas perdas por laços internos.

Abstract: The purpose of this thesis is to evaluate the behavior of ferromagnetic materials, especially the formation of minor magnetization loops, when exciting electromagnetic devices with pulsed voltage waveforms. It addresses the development of tests for evaluating electromagnetic devices powered by a source with PWM (Pulse Width Modulation) waveform type, with no load and transferring energy from the source to a load. The text presents a literature review on losses in soft magnetic materials under sinusoidal, trapezoidal and PWM excitation, and a review about losses under excitation regimes that form or not minor magnetization loops. A test device is defined, and experimental tests are performed comparing two magnetic test benches. The magnetic losses are separated under a sinusoidal excitation regime and tests are conducted with PWM excitation of the three-level type with the device operating with no load and transferring energy to a load. The behavior of the device with different values of primary winding resistance, number of turns and magnetic path is evaluated in terms of the appearance and size of minor magnetization loops and consequently the evolution of magnetic losses, as a function of aspects of the form of supply voltage waveform. An electromagnetic device whose core is formed by a SMC (Soft Magnetic Composite) type material is evaluated under the three-stage PWM power supply with no load and when transferring energy to a load, showing the contribution of the magnetic permeability of the material in the losses by minor loops.